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Modellierung der Zuendung in inhomogenen Mischungen

Das Projekt "Modellierung der Zuendung in inhomogenen Mischungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Hochschule Aachen, Fachbereich 4, Fakultät für Maschinenwesen, Lehrstuhl und Institut für Technische Mechanik durchgeführt. Da die in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzten Kraftstoffe ein Gemisch aus vielen aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen bilden, beschraenkt man sich bei der Simulation von Verbrennungsvorgaengen zunaechst nur auf den Einsatz von Modellkraftstoffen. Als Modellkraftstoffe fuer motorische Verbrennung bieten sich iso-Oktan fuer Otto- und n-Heptan fuer Dieselkraftstoffe an. Die Reaktionsmechanismen dieser Kohlenwasserstoffe sind aeusserst umfangreich (mehrere hundert Elementarreaktionen), und die Berechnung mehrdimensionaler Stroemungs- und Verbrennungsvorgaenge ist aufgrund begrenzter Rechnerkapazitaeten nahezu unmoeglich. Aus diesem Grund werden die detaillierten Reaktionsmechanismen systematisch auf eine handhabbare Zahl von Elementarreaktionen reduziert, wobei darauf geachtet wird, dass die Allgemeingueltigkeit der verbleibenden Reaktionsgleichungen weitgehendst erhalten bleibt. Die Modellierung einer nicht vorgemischten Verbrennung in einer turbulenten Stroemung erfolgt mit Hilfe des Flamelet-Modells. Grundlage dieses Modells ist die Annahme, dass die Zeitskala der chemischen Reaktionen wesentlich kleiner ist als die der charakteristischen Zeit der turbulenten Stroemung. Die Folge ist, dass die Reaktionszone als sehr duenn angenommen werden kann. Im Falle einer turbulenten Verbrennung fuehrt dies dazu, dass die turbulente Flamme als Ensemble vieler kleiner laminarer Flaemmchen, den sogenannten Flamelets, beschrieben werden kann.

Experimentelle und theoretische Untersuchung der Selbstinertisierung bei Duesenbrennern im Hinblick auf die Minimierung der Stickstoffoxidemissionen

Das Projekt "Experimentelle und theoretische Untersuchung der Selbstinertisierung bei Duesenbrennern im Hinblick auf die Minimierung der Stickstoffoxidemissionen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Gaswärme-Institut e.V. durchgeführt. Zur Energieeinsparung wird bei Hochtemperaturprozessen dem Abgasstrom Waerme entzogen und zur Vorwaermung der Verbrennungsluft genutzt. Durch diese Massnahme wird die Stickstoffoxidbildung in Richtung hoeherer Emissionen nachteilig beeinflusst. Eine Primaermassnahme, die diesen erhoehten Emissionen erfolgreich entgegen wirkt, ist die Abgaseinmischung in die Flamme. Diese Inertisierung kann bei Duesenbrennern durch einen intensiven Impulsaustausch zwischen den Strahlen und dem umgebenden Abgasvolumen erreicht werden. Die Inertisierung beeinflusst die Groessen, die fuer die thermische NO-Bildung verantwortlich sind. Um Aussagen ueber die Auswirkungen einzelner Parameter auf den Verbrennungsverlauf und die NO-Bildung zu ermoeglichen sollen die Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsfelder von Duesenbrennern an einem isothermen, physikalischen Modell untersucht und exemplarisch an einem Ofen im Heissversuch vermessen werden. Die Messergebnisse sollen mit Ergebnissen einer mathematischen Modellierung verglichen werden. Fuer die isothermen Untersuchungen wurde ein Duesenbrennermodell unter Beruecksichtigung der Aehnlichkeitsgesetze konstruiert und gebaut. Darueber hinaus wurde der Versuchsstand fuer die experimentellen, isothermen Untersuchungen des Geschwindigkeits- und des Mischungsfeldes auf die neue Messaufgabe angepasst. Es wurden Messungen fuer den Fall der achsparallelen Einduesung und unter einem Anstellwinkel der Luftduesen durchgefuehrt. Diese Messungen wurden zu einer Validierung einer mathematischen Modellierung nach der Reichardtschen Waermeleitungsanalogie verwendet. Die Analogie wurde fuer die Berechnung geneigter Duesen erweitert und zur Berechnung reaktiver Stroemungen mit einem sogenannten laminaren Flamelet-Modell kombiniert. Insgesamt liefert das mathematische Modell gute Uebereinstimmung mit den Messwerten bei der Freistrahlausbreitung.

Dieselmotoren-Simulation zur Emissionsreduzierung

Das Projekt "Dieselmotoren-Simulation zur Emissionsreduzierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Hochschule Aachen, Fachbereich 4, Fakultät für Maschinenwesen, Lehrstuhl und Institut für Technische Mechanik durchgeführt. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines mathematischen Modells zur numerischen Berechnung der Emissionen (NOx, Russ, CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe) der dieselmotorischen Verbrennung als Werkzeug fuer die motorische Prototypenentwicklung. Die Abgasrueckfuehrung (EGR) als ein Mittel zur NOx-Reduktion fuehrt zu einer Zunahme der Russemissionen. Dieser Trade-off von NOx- und Russemissionen kann durch geeignete Massnahmen wie die Einspritzratenverlaufformung, die Mehrfacheinspritzung und die flexible Aufladung verringert werden. Es soll ein Modell zur Berechnung der dieselmotorischen Emissionen entwickelt werden, das Effekte durch den Einspritzratenverlauf, die Abgasrueckfuehrung und den Waermetransport beruecksichtigt. Die Validierung des Modells erfolgt numerisch und durch experimentelle Untersuchungen der Effekte in einer Hochdruck-Messkammer. Es solle eine Hochdruck-Messkammer, die eine Simulation der dieselmotorischen Bedingungen ermoeglicht, entwickelt werden, die auch die Messung der Emissionen unter bekannten Randbedingungen erlaubt.

Experimentelle und theoretische Bestimmung der Geschwindigkeits- und Konzentrationsfelder unter Beruecksichtigung der Turbulenzeigenschaften bei der peripheren Einduesung gasfoermiger Reduktionsmittel in schadstoffbeladene Kanalstroemungen

Das Projekt "Experimentelle und theoretische Bestimmung der Geschwindigkeits- und Konzentrationsfelder unter Beruecksichtigung der Turbulenzeigenschaften bei der peripheren Einduesung gasfoermiger Reduktionsmittel in schadstoffbeladene Kanalstroemungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Gaswärme-Institut e.V. durchgeführt. In technischen Verbrennungsvorgaengen entstehen die Stickstoffoxide (NO, NO2), die summarisch auch als NOx bezeichnet werden. Die Bildung der beiden Stickstoffverbindungen erfolgt ueber unterschiedliche Reaktionsmechanismen, die abhaengig sind von der Brennstoffzusammensetzung und den Randbedingungen im Brennraum. Durch verbrennungstechnische Massnahmen (Primaermassnahmen) koennen diese NOx-Emissionen oft entscheidend verringert werden. Zu diesen Primaermassnahmen zaehlt auch das Reburning (Stufenverbrennung). Da die homogenen Gasreaktionen beim Reburning in einem sehr kurzen Zeitraum ablaufen ist die Optimierung der Vermischung von Abgasstrom und eingeduestem Zusatzstoff anzustreben, d.h. die Vermischung der Komponenten muss schnell erfolgen (kleiner 1 ms), und sie muss vollstaendig sein, da ein Reaktionsmittelschlupf eine Emission dieser Reduktionsmittel zur Folge hat und somit ein Emittend gegen einen anderen ausgetauscht wird. Beide Optimierungsbedingungen sind wichtig. Im Idealfall sollen bereits nach einem kurzen Mischungsweg stoechiometrische Verhaeltnisse von Reduktionsmittel und Schadstoffmenge vorliegen. Das Forschungsziel des Vorhabens liegt in der Weiterentwicklung eines bestehenden Rechenmodells zur Ermittlung der Konzentrationsverteilung des eingeduesten Stoffes (Sekundaerbrennstoff, Ausbrandluft, rezirkuliertes Rauchgas) im Rauchgas. Die Bereitstellung dieses Rechenprogrammes eroeffnet die Moeglichkeit vorhandene Anlagen durch Parametervariationen zu untersuchen und Empfehlungen fuer eine Umruestung erarbeiten zu koennen. Zur Zeit werden mit Hilfe dieses Programmes Berechnungen einer CH4-Luft- Flamme vorgenommen, da zu diesem Problem zahlreiche Literaturstellen fuer eine Validierung der Ergebnisse existieren. Der Aufbau einer Flamelet-Library innerhalb des Mischungsgebietes durch Reaktion der Rauchgas- und Sekundaerbrennstoffkomponente ist abgeschlossen. Somit steht ein mathematisches Modell zur Verfuegung mit dem man in der Lage ist den gesamten Reburning-Prozess zu simulieren und die Einmischung zu optimieren.

Theoretische und experimentelle Untersuchung einer Zusatzfeuerung in gasturbinengestuetzten KWK-Prozessen fuer eine Optimierung hinsichtlich Flammenstabilitaet und Ausbrandverhalten

Das Projekt "Theoretische und experimentelle Untersuchung einer Zusatzfeuerung in gasturbinengestuetzten KWK-Prozessen fuer eine Optimierung hinsichtlich Flammenstabilitaet und Ausbrandverhalten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Gaswärme-Institut e.V. durchgeführt. Zusatzfeuerungen kommen sehr haeufig in gasturbinengestuetzten KWK-Prozessen zum Einsatz. In diesen Faellen wird die Temperatur des Abgases der Gasturbine von ca. 750 K auf 1000-1200 K angehoben. Voraussetzung fuer einen optimalen Betrieb der Zusatzfeuerung ist die homogene Vermischung des Turbinenabgases, bzw. der Frischluft mit dem eingebrachten Erdgas am Brenner. Im Rahmen eines abgeschlossenen Vorhabens wurde die Auswirkung geometrischer und stroemungstechnischer Parameter auf die integrale Temperaturverteilung experimentell untersucht, wobei wesentliche Optimierungspotentiale aufgezeigt werden konnten. Die mathematische Modellierung der Vermischungsvorgaenge wird zur Zeit in einem von der AIF gefoerderten, theoretisch angelegten Forschungsvorhaben bearbeitet. Das Forschungsziel des geplanten Vorhabens liegt in der Weiterentwicklung eines bestehenden Rechenmodells zur Ermittlung der Konzentrationsverteilung der Verbrennungsprodukte der Zusatzfeuerung in Abhaengigkeit unterschiedlichster Randbedingungen, die durch das Turbinenabgas vorgegeben sind. Dies betrifft im wesentlichen die Turbinenabgastemperatur und die Konzentrationen einzelner Spezies des Turbinenabgases. Anhand dieses Modells sollen Brennerhersteller in die Lage versetzt werden Brennerkonstruktionen hinsichtlich der Emissionen, des Ausbrandverhaltens und der Flammenstabilitaet zu untersuchen. Bisher wurden in Modellversuchen der Zusatzfeuerungsbetrieb fuer zwei verschiedene Gasturbinenlastfaelle und der Frischluftbetrieb der Kanalbrenner experimentell untersucht. Fuer die unterschiedlichen Betriebsarten wurde die Geometrie der Brenner variiert. Der Stroemungsverlauf ist jeweils in 5 Ebenen hinter der Brenneranordnung mit einer Hitzdrahtsonde (X-Draht) vermessen worden. Fuer das kleinere Impulsstromverhaeltnis von Brennstoff und Turbinenabgas ergab sich dabei die bessere Einmischung des Brennstoffes in den Abgasstrom. An der Versuchsanordnung zur Simulation des Zusatzfeuerungsbetriebes wurde durch Nebeleinduesung die Stroemung sichtbar gemacht und mit einem digitalen Kamerasystem aufgenommen. Die fuer die mathematische Modellierung notwendigen Flamelet-Libraries sind fuer einen einfachen Reaktionsmechanismus (C1-Mechanismus) mit 17 Spezies fuer drei unterschiedliche Gasturbinenlastfaelle erstellt worden. Die Erstellung der Libraries mit einem am Gaswaermeinstitut entwickelten Reaktionsmechanismus mit 52 Spezies wurde bereits begonnen. Unterschiedlichste Prozessparameter machen eine genaue Auslegung der verwendeten Kanalbrenner in einem Abgaskanal notwendig. Fuer diese Auslegung muss auf empirische Daten zurueckgegriffen werden, die erst zur Verfuegung stehen, wenn die Installation eines Brennersystems abgeschlossen ist. Die Bereitstellung von Rechenprogrammen erlaubt, auf relativ preiswerte Art, vorhandene Anlagen ohne die Notwendigkeit kostenaufwendiger Parametervariation zu optimieren und umzuruesten.

Numerische Simulation der Selbstzuendung und Verbrennung in teilweise vorgemischten turbulenten Stroemungen

Das Projekt "Numerische Simulation der Selbstzuendung und Verbrennung in teilweise vorgemischten turbulenten Stroemungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Hochschule Aachen, Fachbereich 4, Fakultät für Maschinenwesen, Lehrstuhl und Institut für Technische Mechanik durchgeführt. Entwicklung von Modellansaetzen zur Berechnung partiell vorgemischter turbulenter Verbrennung in nichtvorgemischten Systemen. Direkte numerische Simulation mit aufgeloesten numerischen Skalen - Loesung der Navier-Stokesschen Gleichungen - Verwendung von Ein-Schritt- oder Mehr-Schritt-Modellen fuer die chemische Kinetik. Verbrennungsmodellierung mit dem Flameletkonzept fuer Diffusionsvormischflammen in Verbindung mit direkter numerischer Simulation der Turbulenz und bei Verwendung von Turbulenzmodellen.