Die Downsizing-Konzepte bei der Konstruktion moderner Verbrennungsmotoren und Gasturbinen führen zu einem erhöhten Oberflächen-Volumen-Verhältnis in den Brennkammern, wodurch der Einfluss der Flamme-Wand-Wechselwirkung (FWI) verstärkt wird. Aufgrund der niedrigen Temperatur im wandnahen Bereich kann die Flammenstruktur erheblich verändert werden, und es ist wahrscheinlich, dass es zu Flammenverlöschung kommt. Das führt zu einer geringeren Verbrennungseffizienz und einer erhöhten Schadstoffbildung. Daher unterscheidet sich die wandnahe Verbrennung wesentlich von der Verbrennung ohne Wände. Zusätzlich erhöht die Koexistenz von Wärmeverlusten und anderen Phänomenen, wie differenzieller Diffusion, Schwankungen des Mischungsbruchs oder Turbulenz, zusätzlich die Komplexität.

Um ein tieferes Verständnis der besonderen Charakteristiken von FWI zu erlangen, müssen die Verbrennungsprozesse in unmittelbarer Nähe der Wand im Detail untersucht werden. Neben experimentellen Messungen haben sich numerische Simulationen zu einem zunehmend leistungsfähigen Werkzeug für solche Zwecke entwickelt. Obwohl vollständig aufgelöste Simulationen mit detaillierter Kinetik die genauesten Ergebnisse liefern und für umfassende Analysen nützlich sind, werden sie gewöhnlich für einfache Konfigurationen eingesetzt. Für komplizierte industrielle Anwendungen stellen mannigfaltigkeitsbasierte, reduzierte kinetische Modelle eine ideale Alternative dar, welche die Rechenkosten erheblich senken und gleichzeitig eine hohe Genauigkeit beibehalten.

Vor diesem Hintergrund trägt diese Arbeit hauptsächlich zur Entwicklung und Anwendung mannigfaltigkeitsbasierter reduzierter kinetischer Modelle für die wandnahe Verbrennung bei. Konkret geht es in dieser Arbeit um (1) Analysen der grundlegenden Prozesse der FWI, die Erkenntnisse für die Modellentwicklung liefern, (2) die Entwicklung mannigfaltigkeitsbasierter reduzierter kinetischer Modelle mit unterschiedlichen Komplexitätsgraden und (3) die Anwendung verschiedener mannigfaltigkeitsbasierter reduzierter kinetischer Modelle.

Verschiedene Szenarien, bei denen die wandnahe Verbrennung eine Rolle spielt, werden numerisch untersucht. Das eindimensionale laminare vorgemischte Head-On Quenching (HOQ), die einfachste kanonische Konfiguration für FWI, wird mit detaillierter Kinetik und Transport simuliert. Im Gegensatz zu früheren Studien, die sich nur auf ungesteckte Flammen konzentrierten, wird in der vorliegenden Arbeit die Relevanz der zugrunde liegenden Strömung berücksichtigt. Der Schwerpunkt ist die Analyse des Einflusses der Streckungsrate und der Suche nach geeigneten Parametern, um die Streckungsrate in Flamelet-Mannigfaltigkeiten sowohl für frei propagierende, als auch verlöschende Flammen charakterisieren zu können. Für das zweidi-mensionale laminare senkrechte Flammenverlöschen (SWQ) wird ein reduziertes Modell auf der Basis von Reaktions-Diffusions-Mannigfaltigkeiten (REDIM) in generalisierten Koordinaten entwickelt. Im Gegensatz zu den auf physikalischen Koordinaten basierenden Mannigfaltigkeiten, die in allen früheren Studien verwendet wurden, bietet diese Art von Modell Vorteile im Umgang mit nicht-invarianten Mannigfaltigkeiten. Es werden verschiedene Modelle für Szenarien vorgeschlagen, in denen starke Wärmeverluste ohne und mit ausgeprägter differentieller Diffusion auftreten. Die Validierung des Modells erfolgt anhand von Konfigurationen, für die experimentelle Daten verfügbar sind. Weiterhin wird eine on-the-fly Technik entwickelt, um die Abhängigkeit von der Modellgenauigkeit von der a-priori Identifikation des Systems zu redizueren. Während für die laminare FWI gezeigt wurde, dass die Wahl der Mannigfaltigkeit für die vollständig gekoppelten Simulationen entscheidend ist, wurde dies für die turbulente FWI noch nicht untersucht. Um diese Lücke zu schließen, werden drei verschiedene Flamelet-Mannigfaltigkeiten: Flame Generated Manifold (FGM), Quenching Flamelet-Generated Manifold (QFM), und Quenching Flamelet-Generated Manifold with Exhaust Gas Recirculation (QFM-EGR) in einer gekoppelten Large-Eddy-Simulationen (LES) einer vorgemischten CH4-Luft-Flamme untersucht, die senkrecht an den Wänden verlischt. Die Vorhersagegüte wird durch den Vergleich mit einer flammenaufgelösten Simulation bewertet, und die Vor- und Nachteile jedes Modells ermittelt und diskutiert.

Als kohlenstofffreier Energieträger ist Wasserstoff ein vielversprechender Ersatz für fossile Brennstoffe. Um seine Anwendung in Brennkammern zu ermöglichen, sind detaillierte Untersuchungen zur FWI von H2-angereicherten Brennstoffen nötig. Als Ausgangspunkt wird ein neues Flamelet-Modell, basierend auf dem FGM, der auch in der turbulenten SWQ Konfiguration verwendet wurde, vorgeschlagen, um gleichzeitig mehrere komplexe physikalische Faktoren zu berücksichtigen, die in realistischen Konfigurationen auftreten können, wie z. B. Diffusionseffekte, Wärmeverluste und die Vermischung verschiedener Ströme. Das neue Modell wird für eine CH4-H2-Luft-Bunsenflamme validiert, indem die Ergebnisse mit denen einer detaillierten kinetischen Simulation und Experimenten verglichen werden.