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Ein effizienter Sektionalansatz zur Modellierung von PAHs und nicht sphärischen Rußpartikeln unter technisch relevanten Verbrennungsbedingungen
(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2020) Eberle, Christian; Gerlinger, Peter (apl. Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines effizienten Modells zur Berechnung der Rußmorphologie für numerische Verbrennungssimulationen. Das Modell wurde in den Verbrennungscode THETA implementiert, anhand idealisierter Validierungstestfälle validiert und für Grobstruktursimulationen einer halbtechnischen Brennkammer verwendet. Ruß als unerwünschtes Verbrennungsnebenprodukt hat im Kontext der Feinstaubproblematik gegenwärtig eine hohe Bedeutung. Dass experimentelle Rußuntersuchungen bei technischen Verbrennungssystemen häufig nicht oder nur eingeschränkt anwendbar sind, erklärt die hohe Relevanz der Verbrennungssimulation zur Vorausberechnung von Rußemissionen. Infolge der partikelgrößenabhängigen Toxizität von Feinstaub (und Schadstoffnormen die diesen Sachverhalt entsprechend berücksichtigen) sind dazu Rußmodelle erforderlich, die die Rußgrößenverteilung (PSD) auflösen. Sektionalansätze, wie sie in dieser Arbeit behandelt werden, fallen in diese Kategorie. Eine zentrale Komponente des Verbrennungscodes THETA ist das Finite-Raten-Chemie Modell welches durch simultane Lösung der skalaren Bilanzgleichungen eine vollständige Kopplung von Ruß und dem thermo-chemischen Zustand der Gasphase gewährleistet. Ein Reaktionsmechanismus mit 43 Komponenten und 304 Reaktionen beschreibt die Pyrolyse und die Oxidation von kleinen Kohlenwasserstoffen wie Ethylen sowie die Bildung kleiner Aromaten (Benzol und Toluol). Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) werden durch einen in der vorliegenden Arbeit entwickelten Sektionalansatz mit drei Massenklassen beschrieben, der zwischen PAH-Radikalen und PAH-Molekülen unterscheidet und sich durch eine reversible PAH-Chemie auszeichnet. Simulationen laminarer Vormischflammen demonstrieren, dass diese Modellkomplexität erforderlich ist, um realistische PAH-Größenverteilungen und folglich korrekte Nukleationsraten zu erhalten. Für eine genaue Berechnung der Rußmorphologie ist letzteres von entscheidender Bedeutung, da eine zu starke Rußnukleation im Vergleich zu experimentellen Daten eine zu hohe Teilchendichte und einen zu kleinen mittleren Teilchendurchmesser bewirkt. Ferner beschreibt das PAH-Modell die Instabilität von PAHs bei hohen Temperaturen genau und ist dadurch für Verbrennungssysteme die mit vorgeheizter Luft betrieben werden anwendbar. Das Rußaerosol wird durch einen Sektionalansatz mit logarithmisch skalierten Massenklassen diskretisiert. Schwerpunkte dieser Arbeit waren diesbezüglich die Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Beschreibung von fraktalen Rußaggregaten sowie die Implementierung temperaturabhängiger Korrekturfunktionen zur Skalierung der Rußoberflächenreaktivität. Beide Modellerweiterungen trugen dazu bei, dass die Transition von einer nicht rauchenden zu einer rauchenden Diffusionsflamme korrekt abgebildet werden konnte. Ferner zeigte sich, dass die Berücksichtigung von Rußaggregaten insbesondere bei stark rußender Verbrennung wichtig ist, da Modelle mit sphärischen Rußteilchen dort häufig zu große Primärpartikel und damit eine zu kleine Rußoberfläche bewirken. Neben einer genauen Vorhersage der Rußmorphologie erzielt das Modell eine sehr gute Übereinstimmung zu gemessenen Temperaturen sowie zu gemessenen OH-, Benzol- und C2H2-Massenbrüchen. Turbulente Verbrennung wird in dieser Arbeit mit Grobstruktursimulationen (LES, large eddy simulation) untersucht. Bei der LES erfolgt eine Trennung zwischen groben Strukturen, die durch das Rechengitter aufgelöst werden, und feinen Strukturen, die modelliert werden. Dabei stellt die Modellierung der nicht aufgelösten Turbulenz-Chemie-Interaktion eine der größten Herausforderungen der Verbrennungssimulation dar und erfolgt in der vorliegenden Arbeit durch angenommene Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (APDF). Zur Beschreibung des intermittenten Charakters der Rußfeinstrukturdynamik wurde eine bimodale APDF implementiert. Die Validierung dieses LES-Verfahrens geschieht anhand einer abgehobenen, turbulenten, rußenden Strahlflamme. Im Vergleich zu RANS-Ergebnissen aus der Literatur ermöglicht die LES eine genauere Vorausberechnung der turbulenten Mischung. Es liegt eine gute Übereinstimmung zu gemessenen Geschwindigkeiten und Temperaturen vor und die Qualität der Rußvorhersage ist über dem Stand der Technik. Die Berücksichtigung von Rußaggregaten bewirkt eine gute Übereinstimmung zu gemessenen Teilchendurchmessern, was ein Indiz für eine korrekte Beschreibung der Rußmorphologie ist. Basierend auf den bisherigen Erkenntnissen wurde das validierte LES-Model zur Untersuchung einer Modellbrennkammer unter rußenden Betriebsbedingungen verwendet. Berechnete Geschwindigkeiten, Temperaturen sowie die Frequenz der dominanten hydrodynamischen Instabilität weisen eine gute Übereinstimmung zu den Messwerten auf. Der Rußvolumenbruch in der Primärzone sowie der Einfluss des Äquivalenzverhältnisses auf die Rußverteilung werden vergleichbar genau vorhergesagt, jedoch treten diesbezüglich weiter stromab deutliche Unterschiede zwischen LES und Experiment auf. Detailuntersuchungen untermauern die Plausibilität der LES-Ergebnisse unter diesen extrem anspruchsvollen Verbrennungsbedingungen, welche sich durch Äquivalenzverhältnisse nahe der Rußgrenze und eine hohe Disparität zwischen momentanen und mittleren Rußvolumenbrüchen auszeichnen.