CFD-Simulation der dynamischen Eigenschaften großer Kerosin- und Heptan-Poolflammen

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Es werden experimentelle und theoretische Erkenntnisse zu charakteristischen Eigenschaften und zur Dynamik großer Poolflammen flüssiger Kohlenwasserstoffe für verschiedene Pool-durchmesser dargestellt. Insbesondere werden Massenabbrandraten, Abbrandgeschwindigkeiten, Flammenlängen, -formen und -temperaturen sowie Strömungsgeschwindigkeiten diskutiert. Es folgt eine Betrachtung der Rußbildungsmechanismen sowie der kohärenten dissipativen Strukturen als wichtige Einflussgrößen auf die sicherheitstechnisch besonders relevante spezifische Ausstrahlung (SEP) und Bestrahlungsstärke (E). Anhand von Messungen mit einem IR-Thermographiesystem in Verbindung mit VIS-Filmaufnahmen können den kohärenten Strukturen hot spot und Rußballen in Pooflammen verschiedener Brennstoffe wie Kerosin, Diesel, Pentan und JP4 bestimmte Temperaturbereiche und spezifische Ausstrahlungsbereiche zugeordnet werden. Die spezifischen Ausstrah-lungen SEP der Flammen zeigen eine starke Abhängigkeit vom Pooldurchmesser d und vom Brennstoff. Die Flammen weisen außerdem Pulsationsfrequenzen auf, die mit zunehmendem Pooldurchmesser entsprechend f(d) = 1.51d^–0.58 abnehmen. Die Abhängigkeit der Bestrahlungstärke E(Δy/d) vom horizontalen relativen Abstand Δy/d wurde mit Radiometern für verschiedene Brennstoffe gemessen. Es werden CFD-Simulationen von Kerosin-Poolflammen mit d = 10 m, d = 16 m und d = 20 m sowie von einer Heptan-Poolflamme mit d = 6 m unter Verwendung des kommerziellen Softwarepaketes ANSYS CFX durchgeführt. Die Lösungsalgorithmen des CFD-Codes und die in den CFD-Simulationen verwendeten Submodelle werden diskutiert. Die Kerosin-Poolflammen werden mit einem Globalmechanismus und dem Eddy Dissipations Modell beschrieben, die Rußmodellierung erfolgt mit dem Magnussen-Rußmodell. In der Simulation der Heptan-Poolflamme wird die Verbrennung mit einem Flamelet-Modell berechnet und zur Rußmodellierung wird das Lindstedt-Rußmodell implementiert. Die Turbulenzmodellierung erfolgt jeweils mit dem Standard-k-ε-Modell inklusive Auftriebsterm, die Modellierung der Strahlung erfolgt jeweils mit der Monte Carlo Methode. In der Simulation der Kerosin-Poolflamme mit d = 16 m wird ein rotationssymmetrisches Rechengitter mit 7548 hexaedrischen Zellen verwendet. Die Simulation der Kerosin-Poolflammen mit d = 10 m und d = 20 m erfolgt bei spiegelsymmetrischen Gittern mit 520756 bzw. 559136 hexaedrischen Zellen. Die Zeitschritte betragen bei den drei Kerosin-Poolflammen jeweils Δt = 0.05 s. Die Diskretisierung der Geometrie für die Heptan-Poolflamme erfolgt bei einem spiegelsymmetrischen Gitter mit 158300 hexaedrischen Zellen, und einem Zeitschritt von Δt = 0.01 s. Es werden in den Kerosin-Poolflammen momentane Reaktionsgeschwindigkeiten und Massenanteile der Edukte Kerosin und Sauerstoff sowie der Produkte Kohlenstoffdioxid und Wasser vorhergesagt. In der Heptan-Poolflamme werden der Mischungsbruch und 59 daraus resultierende Spezies berechnet. In den Poolflammen beider Brennstoffe zeigen die berechneten transienten Felder einen Zusammenhang zwischen den Spezies, ihren chemischen Reaktionen und der turbulenten Strömung. Vom Poolrand steigen periodisch Wirbelstrukturen auf, in denen die von der Pooloberfläche aufsteigenden Brennstoffdämpfe mit dem Luftsauerstoff vermischt werden. Innerhalb eines Wirbels wird der Brennstoff durch chemische Reaktionen verbraucht, so dass dort die Temperaturen und folglich auch die Auftriebskräfte immer mehr abnehmen bis der Wirbel schließlich vollständig dissipiert. Beim Aufsteigen eines Wirbels kommt es in dem darunter liegenden Bereich zur Luftansaugung (Entrainment), wodurch sich die Flamme dort zunächst einschnürt. Die Vermischung der Luft mit den aufsteigenden Brennstoffdämpfen führt zu einer heißen Verbrennungszone. Beim Aufsteigen werden die heißen Flammengase durch die Umgebungsluft teilweise abgelenkt und es entstehen neue Wirbelstrukturen. Die Wirbel bewirken einen radialen Wärmetransport und führen zur lokalen Verbreiterung der Flamme, das periodische Aufsteigen der Wirbelstrukturen führt also zu einer Pulsation der Flamme. Die aus den Simulationen der Kerosin-Poolflammen vorhergesagten pooldurchmesserabhängigen Pulsationsfrequenzen liegen bei f(d = 10 m) = 0.43 Hz, f(d = 16 m) = 0.32 Hz und f(d = 20 m) = 0.28 Hz und stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Die Pulsation der Flamme führt zu zeitabhängigen Strömungs- und Temperaturfeldern. Die aus den simulierten transienten Strömungsfeldern berechneten mittleren Strömungsgeschwindigkeiten sind pooldurchmesserabhängig. Die Maxima der mittleren axialen Geschwindigkeiten entlang der Flammenachse liegen in den Kerosinflammen bei u(d = 10 m) = 17 m/s, u(d = 16 m) = 25 m/s und u(d = 20 m) = 25 m/s und in der Heptanflamme bei u(d = 6 m) = 13.5 m/s. Außerdem treten axiale Rückströmungen auf mit maximalen Geschwindigkeiten zwischen u(d = 10 m) = –1.8 m/s, u(d = 16 m) = –6.9 m/s, u(d = 20) = –9.8 m/s für die Kerosin-Poolflammen sowie u(d = 6 m) = –4.0 m/s für die Heptan-Poolflamme. Auch die Maxima der mittleren Flammentemperaturen hängen vom Pooldurchmesser ab. Sie betragen im Fall der Kerosinflammen T(d = 10 m) = 1176 K, T(d = 16 m) = 1111 K und T(d = 20 m) = 1277 K und in der Heptanflamme T(d = 6 m) = 1046 K. Die axialen Profile in den drei Kerosin-Poolflammen zeigen sowohl für die Strömungsgeschwindigkeiten als auch für die Temperaturen eine recht gute Übereinstimmung mit empirischen Korrelationen von McCaffrey. Lediglich die simulierten axialen Profile der Heptan-Poolflamme liegen etwas unterhalb den Korre-lationen und Messwerten. Die aus den Simulationen vorhergesagten mittleren Flammenlängen zeigen für die jeweils als spiegelsymmetrisch angenommenen Flammen mit H/d(d = 10 m) = 1.5 und H/d(d = 20 m) = 1.3 für die Kerosin-Poolflammen und H/d(d = 6 m) = 2.75 für die Heptan-Poolflamme eine gute Übereinstimmung mit der empirischen Korrelation nach Heskestad. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist, dass die Rußbildung in großen Poolflammen mit dem Magnussen-Modell nicht gut wiedergegeben werden kann, da auch in großen Abständen bis zu Δy = 3d von der Flamme hohe Rußvolumenanteile vorkommen. Die Implementierung des Lindstedt-Rußmodelles führt in der Heptan-Poolflamme hingegen zu sehr plausiblen Rußverteilungen mit hohen Rußvolumenanteilen vorwiegend im Bereich der Flammenzonen. Das Lindstedt-Rußmodell ermöglicht außerdem eine genauere Berechnung des Absorptionskoeffi-zienten in der Flamme, der stark vom Rußvolumenanteil abhängt. In den Kerosin-Poolflammen wurde der Absorptionskoeffizient über die Temperatur abgeschätzt. Diese Abschätzung ergibt für den Absorptionskoeffizienten transiente Felder, die ähnlich verlaufen wie bei der Berechnung über den Rußvolumenanteil. Mit einer Sprungfunktion, die die drei kohärenten Strukturen hot spot, Rußballen und Reaktionszone berücksichtigt sowie die Luft als diatherm betrachtet, werden in der Abschätzung jedoch nur vier Abstufungen erhalten. Die Implementierung des Lindstedt-Modelles in die CFD-Simulation stellt somit einen wesentlichen Fortschritt dar, da es eine stufenlose und somit deutlich genauere Berechnung des Absorptionskoeffizienten ermöglicht. Die vorhergesagte spezifische Ausstrahlung der Flammen SEP(t) ist aufgrund der Pulsation stark vom betrachteten Zeitpunkt abhängig. Die zeitlich gemittelten Werte der vorhergesagten spezifischen Ausstrahlungen sind in den Kerosinflammen mit SEP(d = 10 m) = 48.8 kW/m2, SEP(d = 16 m) = 40.2 kW/m2 und SEP(d = 20 m) = 36.0 kW/m2 deutlich vom Pooldurchmesser abhängig und stehen mit dem semi-empirischen Strahlungsmodell OSRAMO II in guter Übereinstimmung. Für die vorhergesagte SEP(d = 6 m) = 56.3 kW/m2 der Heptan-Poolflamme liegen zurzeit keine Messwerte vor. Aus den berechneten zeitabhängigen spezifischen Ausstrahlungen der Flammen ergeben sich transiente Bestrahlungsstärken E(Δy/d,t), die außerdem vom relativen Abstand Δy/d abhängen. Die zeitlich gemittelte Bestrahlungstärke beträgt z.B. für die Kerosin-Poolflamme mit d = 20 m E(Δy/d = 1) ≈ 5 kW/m2, wobei infolge der Pulsation der Flamme Maxima bis Emax(Δy/d = 1) ≈ 12 kW/m2 für die Zeitdauer von t ≈ 4 s auftreten. Diese Einwirkungsdauer ist ausreichend, um Verletzungen ungeschützter Personen hervorzurufen, da die kritische Einwirkungsdauer τ ≥ 3 s beträgt. Die vorliegenden CFD-Simulationen großer Poolflammen ermöglichen auch eine Vorhersage von angemessenen Abständen bzw. Abstandsbereichen zu Schutzobjekten und Personen und sind nützlich zur Durchführung technischer Schutzmaßnahmen in verfahrenstechnischen Anlagen.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Chemie » Technische Chemie
Dewey Dezimal-Klassifikation:
500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie » 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Stichwörter:
Poolflamme, CFD, Simulation, Wärmestrahlung, Bestrahhlungsstärke
Beitragende:
Prof. Dr. Schönbucher, Axel [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. Hauptmanns, Ulrich [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
21.08.2008
Dokument erstellt am:
07.11.2008
Promotionsantrag am:
12.06.2008
Dateien geändert am:
08.03.2013
Medientyp:
Text