Im Zusammenspiel mit erneuerbaren Energien müssen in Zukunft die ursprünglich für einen Arbeitspunkt ausgelegten Gasturbinen eine deutliche höhere Last- und Brennstoffflexibilität aufweisen. Eine große Herausforderung ist dabei thermoakustische Pulsationen in der Brennkammer für den gesamten Betriebsbereich zu vermeiden. Durch eine räumliche Auflösung der Dynamik einzelner Wirkmechanismen in der Brennkammer, kann das komplexe Zusammenspiel studiert und modelliert werden. Durch das resultierende Verständnis der Instabilitäten können zukünftige Gasturbinen schon im frühen Entwicklungsstadium mittels einfacher Messtechnik auf ihre Flexibilität hin geprüft werden.

Verbrennungsinstabilitäten sind eine große Herausforderung für Hersteller von Gasturbinen und Raketentriebwerken. Eine positive Rückkopplung zwischen Akustik und instationärer Wärmefreisetzungsrate, bekannt als thermoakustische Instabilität, kann zu einem Anstieg der Emissionen, strukturellen Schäden oder sogar zum Ausfall der Maschine führen. Um toxische Verbrennungsnebenprodukte, wie z.B. Stickoxide, zu verringern, werden moderne Gasturbinen mit mageren Vormischbedingungen betrieben. Magere vorgemischte Flammen sind jedoch anfällig für akustische Störungen, so dass die Reduzierung von Schadstoffen ein erhöhtes Risiko für thermoakustische Instabilität darstellt. Um einen sicheren Betrieb bei niedrigen Emissionen zu gewährleisten, ist eine eingehende Analyse der akustischen und thermoakustischen Eigenschaften des Systems während des gesamten Entwicklungsprozesses unerlässlich.

In den Brennkammern moderner Gasturbinen werden sogenannte vorgemischte Flammen eingesetzt, die mithilfe einer verdrallten Strömung stabilisiert werden. Diese Art von reagierender Strömung kann hydrodynamische Instabilitäten ausbilden, welche auch den Verbrennungsprozess beeinflussen. Eine dieser Instabilitäten, welche unter dem Begriff Precessing Vortex Core (PVC) bekannt ist, verursacht helikale kohärente Wirbelstrukturen in den Scherschichten des Strömungsfeldes. Um den direkten Einfluss des PVC auf den Verbrennungsprozess gezielt untersuchen zu können, werden Amplitude und Frequenz des PVC mittels aktiver Strömungskontrolle eingestellt.

Turbulente Drallströmungen mit Wirbelaufplatzen treten in zahlreichen technischen Strömungen auf, z. B. auf Deltaflügeln von Flugzeugen bei hohen Anstellwinkeln, in Wasserturbinen bei Teillast oder in Brennkammern von Gasturbinen. Unter bestimmten Bedingungen wird das Wirbelaufplatzen von einer starken Strömungsinstabilität begleitet, die als Precessing Vortex Core (PVC) bezeichnet wird. Ziel dieses Projekts ist es, ein modellbasiertes Verständnis für den PVC zu aufzubauen, um dessen Einfluss systematisch untersuchen zu können und effektive Kontrollmöglichkeiten zu entwickeln.

Die Windkraft ist eine häufig genutzte Form zur Gewinnung von erneuerbarer Energie. Allerdings ist der Lärm von Windkraftanlagen ein signifikantes Problem für den breiteren Einsatz im Onshore-Sektor. Der Hinterkantenlärm am Rotor der Anlage gilt hierbei als größte Lärmquelle. In diesem Projekt soll ein Modell und ein detailliertes Verständnis zu den Entstehungsmechanismen des Hinterkantenlärms aufgebaut werden, um langfristig Kontroll- und Beeinflussungsmöglichkeiten zur Reduzierung des Lärms zu entwickeln.

Wasserkraftwerke sind aufgrund ihrer flexiblen Betriebsmöglichkeiten besonders gut geeignet, Schwankungen im Stromnetz aufgrund der Volatilität erneuerbarer Energien wie Solar- oder Windkraft auszugleichen. Hierfür müssen Wasserkraftwerke, die oft mit Francis-Turbinen arbeiten, häufig in Teillast betrieben werden. Unter diesen Betriebsbedingungen kann eine Strömungsinstabilität auftreten, der sogenannte Precessing Vortex Core. Dessen Auftreten kann zu erheblichen Einbußen des Wirkungsgrades oder sogar zu einem Komplettversagen der Turbine führen. Das Ziel dieses Projektes ist es deshalb, einen sichereren Betrieb des Teillastbereichs zu ermöglichen, indem die Strömungsinstabilität durch Strömungskontrolle gedämpft oder unterdrückt wird.

Ziel des Projektes sind die Beschleunigung des Designprozesses sowie die Entdeckung neuer, unkonventioneller Konfigurationen und Betriebsweisen von Gasturbinen durch die Nutzung künstlicher Intelligenz. Maschinelle Datenauswertung und die Anpassung von Modellen durch KI haben in den letzten Jahren vor allem durch immer mehr verfügbare Rechenkapazität einen Entwicklungsschub erfahren und finden in den verschiedensten Bereichen der Wissenschaft immer mehr Anwendung. Um den Designprozess von Gasturbinenbrennkammern schnell an neue Anforderungen anpassen zu können, sollen sie genutzt werden um automatisiert experimentelle und numerische Untersuchungen durchzuführen und Daten effizient auszuwerten. So sollen effizient stabile Betriebspunkte mit minimalen Schadstoffemissionen gefunden werden.

Das Fernfeld von runden turbulenten Freistrahlen ist durch das Auftreten von breitbandigen turbulenten Strukturen gekennzeichnet. Fokus des Projekts ist die Identifikation der kohärenten Strukturen und deren Modellierung mittels linearer Stabilitätsanalyse und Resolventenanalyse. Die experimentelle Untersuchung der Strukturen erfolgt anhand von zeitaufgelöster stereoskopischer PIV Messungen, die eine Identifikation der kohärenten Strukturen im Frequenzbereich ermöglichen. Die Messdaten dienen zusätzlich als Grundlage der Modellierung und für deren Validierung. Bei beiden angewendeten Modellierungsverfahren wird das zeitgemittelte Strömungsfeld als Basis verwendet, um die turbulenten Strukturen zu vorherzusagen.

Zweiphasige Strömungen beschreiben die Interaktion von Fluiden, die unterschiedliche Aggregatszustände aufweisen (z.B. flüssig und gasförmig) und treten in einer Vielzahl technischer Anwendungen auf. Diese umfassen beispielsweise die Fluidmischung oder Zerstäubung mittels Düsen oder das separieren von Fluiden in industriellen Zyklonen. Im Gegensatz zu einphasigen Strömungen weisen diese Strömungen eine mitunter deutlich komplexere Dynamik auf. Dieses Forschungsprojekt fokussiert sich auf die Methodenentwicklung zur Modellierung dieser Dynamik und der Beschreibung der Dynamik selbst, für ausgewählte Strömungen.

Verbrennungsinstabilitäten, das bedeutet zeitliche Schwankungen der Wärmefreisetzung, sind die Ursache vielseitiger Probleme im Betrieb von Gasturbinen. Sie führen zu erhöhten Schadstoffausstoß, und verstärkten Lärmemissionen. Letzteres Problem ist insbesondere bei Fluggasturbinen von entscheidender Bedeutung. Im schlimmsten Fall tritt ein Resonanzeffekt zwischen den Verbrennungsinstabilitäten und der akustischen Kammermode auf. In diesem Fall spricht man von thermoakustischen Instabilitäten, welche sogar zur Zerstörung der Maschine führen können. Diese Effekte treten – im Vergleich zur Verbrennung von konventionellen Kraftstoffen - insbesondere bei der Verbrennung von grünem Wasserstoff auf. Um sie beherrschbar zu machen, entwickeln wir in diesem Projekt numerische Methoden, welche auf den linearisierten Strömungsgleichungen basieren und helfen die Flammdynamik besser zu verstehen.