CFD Simulation zur Vorhersage von Interferogrammen, Temperaturen und Spezieskonzentrationen in einer Hexanflamme

Dr. rer. nat. Gawlowski, Markus

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Im Rahmen einer Literaturübersicht werden die charakteristischen Eigenschaften von nicht-vorgemischten Flammen flüssiger Kohlenwasserstoffe dargestellt. Mit einem holographischen real-time Mach-Zehnder Interferometer wurden Interferogramme einer n-Hexanflamme (d = 50 mm) registriert. Mit einer neuartigen Abbildungsoptik wurde die sichtbare Flamme und das Interferogramm kontinuierlich und simultan im gleichen Maßstab auf der Filmebene einer Hochgeschwindigkeitskamera (bis zu 4000 Bilder/s) registriert. Mit einem Tieftemperatur-Gaschromatographie-System wurden radiale und axiale Profile der Spezieszusammensetzung des Flammengasgemisches von 18 stabilen Spezies gemessen. Die Profile der Flammengastemperaturen wurden mit Pt-Rh/Pt Thermoelementen gemessen bei einem Perlendurchmesser von 0.3 mm und einer Ansprechzeit von 0.8s. Mit einem eigens entwickelten Matlab-Code werden aus den experimentellen real-time Interferogrammen die x,y-Koordinaten der Interferenzstreifenminima und deren Interferenzstreifenordnung S ermittelt. In einem zweiten Schritt werden aus den real-time Interferogrammen zeitlich-gemittelte Interferogramme berechnet. Aus den zeitlich-gemittelten radialen Profilen der Interferenzstreifenordnung S werden durch Anwendung der Abel Transformation die Brechzahlprofile berechnet. Aus den Brechzahlprofilen werden, unter Berücksichtigung der Zusammensetzung des Flammengasgemisches, Dichte- und Temperaturprofile ermittelt. Es wird eine CFD Simulation einer n-Hexanflamme d = 50 mm unter Verwendung des kommerziellen Programmpaketes ANSYS FLUENT (Version 12.0) durchgeführt. Die Modellierung der Verbrennung erfolgt mit einem PDF-Transportmodell, das auf dem Konzept des Mischungsbruchs basiert. Dem PDF-Modell liegen 20 Spezies mit 42 reversiblen Reaktionen für die Verbrennung von n-Hexan mit Luft zugrunde. Die Turbulenzmodellierung erfolgt mit der Large-Eddy Simulation (LES). Für die Simulation der Hexanflamme wird ein unstrukturiertes Hexaeder-Rechengitter mit 2 Mio. Zellen verwendet. Die kleinsten Abmessungen der Rechenzellen betragen dx = 1 mm, dy = 1 mm, dz = 1 mm. Der Zeitschritt der LES beträgt dt = 0.1 ms. Es werden mit der CFD Simulation transiente und zeitlich-gemittelte 3D-Felder von Spezieskonzentrationen, Flammengasdichten und Flammentemperaturen vorhergesagt. Mit den CFD simulierten transienten Spezieskonzentrationsfeldern und transienten Dichtefeldern werden, unter Berücksichtigung der spezifischen Standardrefraktion der Spezies zunächst 3D-Brechzahlfelder berechnet. In einem zweiten Schritt werden 100 2D-Schnittebenen mit einem Abstand von dz = 0.75 mm entlang der Strahlrichtung z über die gesamte Flammenausdehnung integriert. Es entsteht ein transientes 2D-integriertes Interferenzstreifenfeld, das direkt mit dem experimentell ermittelten 2D-Interferogramm verglichen werden kann. Die radialen Profile der CFD vorhergesagten Interferogramme zeigen in der Verbrennungszone (x = 20 mm), Pulsationszone (x = 50 mm) und in der Plumezone (x = 150 mm) jeweils eine gute Übereinstimmung mit den Profilen der experimentellen Interferogramme. Es wird die Sensitivität der vorhergesagten Interferenzstreifenordnung S bezüglich der Parameter durchstrahlte Weglänge z_G und der Anzahl von x,y-Schnittebenen untersucht. Es zeigt sich, dass eine Vergrößerung der Integrationslänge von -10 mm < z_G < +10 mm auf -20 mm < z_G < +20 mm zu einer Änderung von dS = -4 führt und von -20 mm < z_G < +20 mm auf -30 mm < z_G < +30 mm zu einer Änderung von dS = -1. Ab einer durchstrahlten Weglänge von -35 mm < z_G < +35~mm bleibt die Interferenzstreifenordnung konstant. Die Anzahl der x,y-Schnittebenen wird schrittweise erhöht. Es hat sich gezeigt, dass die größte Änderung von dS = -3 bei einer Erhöhung der Anzahl von 20 (dz = 3.75 mm) auf 40 (dz = 1.875 mm) Schnittebenen erfolgt. Eine Konstanz der Interferenzstreifenordnung liegt ab 75 Schnittebenen (dz = 1 mm) vor. Für die Vorhersage von Interferogrammen und für die Ermittlung von Flammentemperaturen aus den experimentellen Interferogrammen sind insbesondere die Spezieskonzentrationen im Flammengasgemisch von großer Bedeutung. Es zeigt sich, dass in der Verbrennungszone bei x = 20 mm und im achsnahen Bereich r < 10 mm bis zu 20 Vol.% unverbrannter Hexandampf, 14 Vol.% Abgase (5.5 Vol.% CO_2 und 8.5 Vol.% H_2O) sowie 10 Vol.% Crackgase (C_2H_4 und H_2) vorliegen. Die Maxima der Spezieskonzentrationen von CO_2,max = 7.5 Vol.% und H_2O,max = 12 Vol.% liegen im Bereich der sichtbaren Flammenkontur r = 14 mm und fallen mit der stöchiometrischen Verbrennung zusammen. Bei r = 17 mm bestehen die Flammengase bereits zu 90 Vol.% aus heißer Luft (Stickstoff und Sauerstoff) und nur noch zu 10 Vol.% aus Verbrennungsprodukten. Mit zunehmender Höhe über dem Tankrand x = 50 mm setzt sich der Brennstoffdampf bis auf eine Konzentration von C_6H_14 = 10 Vol.% an der Flammenachse um, wobei bereits 60 Vol.% Stickstoff zu finden ist. Der Ort der stöchiometrischen Verbrennung befindet sich bei r = 14 mm. Ab r > 20 mm besteht die Zusammensetzung der Flammengase nahezu aus heißer Luft. In der Plumezone bei x = 150 mm setzt sich der Brennstoff bis auf C_6H_14 = 0.5 Vol.% um, so dass nahezu die gesamte Flamme aus heißer Luft besteht. Die vorhergesagten Spezieskonzentrationsprofile stimmen mit den GC-Messungen in der gesamten Flamme sehr gut überein. Lediglich die Spezieskonzentrationen der Pyrolyseprodukte C_2H_4 und H_2 werden mit der CFD überschätzt. Die vorhergesagten und gemessenen bimodalen Temperaturprofile T(r,x) zeigen, dass die maximalen Flammentemperaturen bei x = 20 mm außerhalb (r = 15 mm) der Flammenachse liegen. Das Maximum der Flammentemperatur T_max,m erreicht bei den aus den Interferogrammen gemessenen Flammentemperaturen T_max,Int = 2025 K bei r = 15 mm. Die dort mit Thermoelementen gemessenen sowie die vorherhergesagten Temperaturen zeigen hingegen geringere maximale Flammentemperaturen von T_max,Th = 1605 K bzw. T_max,CFD = 1933 K. Der steilste Temperaturanstieg von T_m = 400 K auf T_m = 2000 K erfolgt im Bereich der thermischen Grenzschicht zwischen 15 mm < r < 21 mm. In der Pulsationszone bei x = 50 mm liegen ebenfalls bimodale Temperaturprofile vor. Die Peaks der Flammentemperaturen sind T_max,Int = 1689 K, T_max,Th = 1350 K und T_max,CFD = 1598 K und liegen gegenüber x = 20 mm im Abstand von dr = 10 mm zur Flammenachse. Die thermische Grenzschicht liegt im Bereich von 13 mm < r < 22 mm und besitzt weniger steile Temperaturgradienten als bei x = 20 mm. In der Plumezone bei x = 150 mm sind dagegen unimodale Temperaturprofile zu finden. Die gemessenen und vorhergesagten maximalen Flammentemperaturen betragen T_max,Int = 1365 K, T_max,Th = 1340 K sowie T_max,CFD = 1395 K und erstrecken sich über einen Bereich von 0 < r < 5 mm. Die sichtbare Flammenkontur besitzt in der Plumezone ihre maximale radiale Abmessung von dr = 27 mm, wobei die thermische Grenzschicht stark aufgefaltet ist. Während bei x = 20 mm und x = 50 mm jeweils für r = 30 mm die Umgebungstemperatur von T_u = 293 K vorliegt, beträgt in der Höhe x = 150 mm (bei r = 30 mm) die Flammentemperatur noch T_m = 750 K. Die CFD vorhergesagten sowie die jeweils aus Interferogrammen bestimmten und mit Thermoelementen gemessenen radialen Temperaturprofile stehen in guter Übereinstimmung. Um den Einfluss der Spezieszusammensetzung auf die Flammentemperaturen zu ermitteln, werden radiale Temperaturprofile T(r,x), berechnet aus Interferogrammen (1), unter Berücksichtigung der Spezieszusammensetzung, in einer stöchiometrischen Flamme (2) und in heißer Luft (3) herangezogen. In der Höhe x = 20 mm zeigt sich, dass der Konzentrationseinfluss im Bereich der Flammenachse am größten ist. Die Unterschiede der Flammentemperaturen betragen hier dT_1-2 = 150 K bzw. dT_1-3 = 230 K. Für die Fälle (1), (2) und (3) unterscheiden sich die Temperaturprofile in der thermischen Grenzschicht nur geringfügig und sind somit nur wenig konzentrationsbeeinflusst. In der Pulsationszone bei x = 50 mm nahe der Flammenachse nehmen die Temperaturunterschiede auf dT_1-2 = 61 K bzw. dT_1-3 = 137 K ab. Die Annahme einer stöchiometrischen Flamme gibt im Bereich der sichtbaren Flamme r < 12 mm, die Flammentemperaturen recht gut wieder. Dies bedeutet, dass der Konzentrationseinfluss im Bereich der sichtbaren Flamme noch relativ groß ist, jedoch unter Annahme einer stöchiometrischen Flamme, berechnet werden kann. Im Bereich der thermischen Grenzschicht sind die Temperaturunterschiede nur noch sehr gering und folglich wenig konzentrationsbeeinflusst. In der Plumezone bei x = 150 mm erweisen sich die Temperaturprofile nur noch sehr wenig von den Spezies beeinflusst, so dass die Flamme dort mit sehr guter Näherung als heiße Luft betrachtet werden kann.
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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:
CFD Simulation, Flammentemperaturen, Interferogramme, Holographische Interferometrie, Spezieskonzentrationen
Beitragende:
Prof. Dr. Schönbucher, Axel [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. Hauptmanns, Ulrich [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Prof. Dr. Redeker, Tammo [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
05.02.2010
Dokument erstellt am:
13.02.2010
Promotionsantrag am:
30.10.2009
Dateien geändert am:
13.02.2010
Medientyp:
Text