Detaillierte Simulation von Verbrennungsprozessen in Mehrphasensystemen

Detaillierte Untersuchungen und Analysen von Verbrennungsprozessen verbessern das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Teilprozesse. Dieses Verständnis ist für eine zuverlässige Beschreibung und Modellierung von Verbrennungssystemen im technischen Maßstab notwendig, die bei der Optimierung der Effizienz sowie bei der Schadstoffreduktion technischer Verbrennungsanlagen eine bedeutende Rolle spielt. Angesichts viel versprechender Konzepte wie der mageren, vorgemischten Verbrennung in Turbinen (LPP: Lean Premixed Prevaporized), der Direkteinspritzung von flüssigem Kraftstoff in Verbrennungsmotoren (LDI: Lean Direct Injection) oder der Kohlestaubfeuerung ist in diesem Zusammenhang die Verbrennung flüssiger und fester Kraftstoffe von besonderem Interesse.

Diese Arbeit befasst sich mit der detaillierten Simulation von Verbrennungsprozessen in Mehrphasensystemen. Dabei wird die Selbstzündung und Verbrennung von Einzeltropfen in einer Gasatmosphäre untersucht. Die Verbrennung von Brennstofftropfen wird durch das Zusammenspiel von den physikalischen Transportprozessen und der chemischer Kinetik und deren starken Kopplung charakterisiert. Aus diesem Grund werden die Erhaltungsgleichungen der beiden Phasen vollgekoppelt gelöst. Zudem werden zur Modellierung sowohl detaillierte Transportmodelle als auch detaillierte Reaktionsmechanismen verwendet.

Der Einfluss verschiedener Umgebungsparameter, wie Gastemperatur, Tropfenradius, Tropfentemperatur, Umgebungsdruck, Mischungsverhältnis und Relativgeschwindigkeit des Tropfens auf die Zündverzugszeit und die lokalen Zündbedingungen wird am Beispiel verschiedener Brennstoffe, wie Methanol, Ethanol, n-Heptan und iso-Oktan sowie Mischungen dieser Brensstoffe, untersucht.

Es zeigt sich, dass sich für hohe Umgebungstemperaturen (T > 1000 K) die Transportprozesse für den Zündprozess als geschwindigkeitsbestimmend erweisen. Im Bereich niederer Umgebungstemperaturen (T < 1000 K) hingegen zeigt sich eine starke Interaktion zwischen den physikalischen Transportprozessen und der chemischen Kinetik, aus der ein stärkerer Einfluss der chemischen Kinetik auf den Zündprozess folgt.

Aufgrund der technischen Verbrennungssystemen üblicherweise auftretenden Relativbewegung von Tropfen und umgebender Gasphase wird der Einfluss einer äußeren Gasströmung auf den Zündprozess untersucht. Die Zündverzugszeit weist dabei eine deutliche Verkürzung mit zunehmender Relativgeschwindigkeit auf. Diese Verkürzung ist auf die Beschleunigung der diffusiven Prozesse aufgrund der Verstärkung der lokalen Gradienten der physikalischen Variablen, wie Temperatur und Spezieskonzentrationen, durch die Strömung zurückzuführen.

Das komplexe Zündverhalten von n-Heptantropfen wird ebenfalls untersucht. Abhängig von der umgebenden Gastemperatur sowie dem Umbebungsdruck lassen sich drei verschiedene Selbstzündungsmodi identifizieren: einstufige Zündung, zweistufige Zündung sowie die kalte Flamme. Das Auftreten eines bestimmten Zündmodus wird dabei auf die komplexe Interaktion von chemischer Kinetik und physikalischen Transportprozessen zurückgeführt. Auch die lokalen Zündbedingungen fallen für die verschiedenen Zündmodi unterschiedlich aus. Während die einstufige Zündung, die kalte Flamme sowie die erste Stufe der mehrstufigen Zündung in lokal mageren Gebieten - wie es auch bei der einstufigen Zündung anderer Brennstoffe der Fall ist - initiiert wird, tritt die zweite Stufe der zweistufigen Zündung unter lokal fetten Bedingungen auf. Dies verdeutlicht die Dominanz der chemischen Kinetik während dieses Prozesses.

Der nachfolgende Abbrand von Einzeltropfen wird ebenfalls untersucht. Die Analyse der den Tropfen umgebenden Flamme weist ein laminar nicht vorgemischtes Verbrennungsverhalten auf. Damit lässt sich eine explizite Abhängigkeit der lokalen physikalische Variablen, wie Temperatur und Spezieskonzentrationen vom Mischungsbruch formulieren. Für einen Satz von vorgegebenen Umgebungsbedingungen, wie Umgebungsdruck, Gastemperatur oder Relativgeschwindigkeit des Tropfens, kann diese Abhängigkeit mit Hilfe der entwickelten Simulationstools bestimmt werden.

Darüberhinaus wird der Abbrand von Kohlenstoffpartikeln unter isobaren Bedingungen analysiert. Die Brennrate und die Oberflächentemperatur des Partikels lassen sich dabei, unabhängig von der zeitlichen Evolution des Partikels, als Funktionen des momentanen Partikelradius ausdrücken. Die entwickelten Simulationstools ermöglichen die Identifikation dieser Abhängigkeiten. Das beschriebene Verhalten kann auf den Umstand zurückgeführt werden, dass es sich bei dem Abbrand des Kohlenstoffpartikels um einen Transport-kontrollierten Prozess handelt.