06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

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Open Access
Development of an uncertainty quantification predictive chemical reaction model for syngas combustion
(2017) Slavinskaya, Nadezda; Abbasi, Mehdi; Starcke, Jan Hendrik; Whitside, Ryan; Mirzayeva, Aziza; Riedel, Uwe; Li, Wenyu; Oreluk, Jim; Hegde, Arun; Packard, Andrew; Frenklach, Michael; Gerasimov, G. Ya.; Shatalov, Oleg
An automated data-centric infrastructure, Process Informatics Model (PrIMe), was applied to validation and optimization of a syngas combustion model. The Bound-to-Bound Data Collaboration (B2BDC) module of PrIMe was employed to discover the limits of parameter modifications based on uncertainty quantification (UQ) and consistency analysis of the model−data system and experimental data, including shock-tube ignition delay times and laminar flame speeds. Existing syngas reaction models are reviewed, and the selected kinetic data are described in detail. Empirical rules were developed and applied to evaluate the uncertainty bounds of the literature experimental data. The initial H2/CO reaction model, assembled from 73 reactions and 17 species, was subjected to a B2BDC analysis. For this purpose, a dataset was constructed that included a total of 167 experimental targets and 55 active model parameters. Consistency analysis of the composed dataset revealed disagreement between models and data. Further analysis suggested that removing 45 experimental targets, 8 of which were self-inconsistent, would lead to a consistent dataset. This dataset was subjected to a correlation analysis, which highlights possible directions for parameter modification and model improvement. Additionally, several methods of parameter optimization were applied, some of them unique to the B2BDC framework. The optimized models demonstrated improved agreement with experiments compared to the initially assembled model, and their predictions for experiments not included in the initial dataset (i.e., a blind prediction) were investigated. The results demonstrate benefits of applying the B2BDC methodology for developing predictive kinetic models.
Open Access
Kinetic modelling of cyclohexane oxidation with the PAH precursor formation
(2019) Abbasi, Mehdi; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)
Ein semi-detaillierter Reaktionsmechanismus für Cyclohexan (cyC6H12) wurde entwickelt, um die Oxidation von cyC6H12 bei hohen- und niedrigen Temperaturen, einschließlich der Bildung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) zu untersuchen. Dies ist eine beachtliche Aktualisierung früher entwickelter Modelle, mit dem Ziel ein optimales Surrogat-Modell für Kerosin zu entwickeln, die ein Teil eines großen Forschungsbereichs im Institut für Verbrennungstechnik (VT) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) sind. Das neue Cyclohexanmodell basiert auf den neusten Forschungen im Bereich der C0-C3 Kinetik und schließt ein PAK-Teilmodell ein, das Moleküle mit bis zu fünf aromatischen Ringen beinhaltet. Verbesserungen wurden durch eine Überarbeitung der Hauptreaktionsklassen, Bewertung der Unsicherheitsgrenzen der Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten und durch eine Erweiterung der Niedertemperaturoxidationskinetik durch neue Reaktionspfade, insbesondere der Cyclohexenylperoxybildung und der Isomerisierung der zyklischen Hydro-peroxy-Peroxykohlenwasserstoffradikale, erreicht. Für die Hauptreaktionsklassen wurden die Unsicherheitsgrenzen der Geschwindigkeitskoeffizienten bewertet. Die Berechnungen der thermodynamischen Eigenschaften, wie Standardbildungsenthalpie, Entropie und Wärmekapazität für die Hauptspezies der Verbrennung von Cyclohexan wurden mit der Benson Gruppenadditivitätsmethode durchgeführt. Die Eigenschaften von 17 neuen Benson-Gruppen und 8 Ringkorrekturfaktoren für zyklische Substanzen wurden durch verschiedene empirische und halbempirische Methoden abgeschätzt. Die Berechnungs-methoden und die Eigenschaften der neu abgeschätzten Gruppen wurden durch Vergleich mit Literaturdaten für gut untersuchte Substanzen und für Cyclohexanzerfallsprodukte, die auch in anderen Cyclohexanreaktionsmechanismen vorkommen, validiert. Die erhaltenen Eigen-schaften wurden im NASA-Polynom Format angegeben. Die wichtigsten Parameter der Transporteigenschaften der Zwischenprodukte wurden untersucht und durch Anwendung von Additivitätsregeln und Strukturähnlichkeitsansätzen berechnet. Der Cyclohexanmechanismus wurde an Zündverzugszeitdaten einer Rapid Compression Machine (RCM) und von Stoßrohrexperimenten (ST), an laminaren Flammengeschwindig-keitsdaten, sowie Konzentrationsprofilen von brennerstabilisierten Flammen erfolgreich optimiert und validiert. Das entwickelte Modell reproduziert realistisches Verbrennungs-verhalten in allen getesteten Bedingungen und kann für Cyclohexanoxidationsstudien benutzt werden. Die Existenz des Bereichs mit negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) in der Cyclohexan (cyC6H12) Oxidation wurde ebenfalls untersucht. Ein deutliches NTC-Verhalten, das in RCM Experimenten beobachtet wurde, konnte durch Simulationen mit dem jetzigen Modell nicht erhalten werden. Jedoch wurde eine generelle Übereinstimmung mit den Daten der RCM Experimente erreicht. Das ist auch in Übereinstimmung mit anderen ST-Messungen, bei denen auch keine NTC-Zone bei niedrigen Temperaturen beobachtet wurde. Die durchgeführten Simulationen mit anderen bereits veröffentlichten Modellen verdeutlichen, dass sie nicht in der Lage waren die ST-Daten genau zu reproduzieren, obwohl sie die NTC-Zone von RCM Daten gut beschreiben können. Es wurde auch gezeigt, dass über das gesamte Temperaturintervall die cyC6H12 Oxidationschemie durch die Konkurrenz zwischen drei Hauptreaktionspfaden kontrolliert wird. Anstatt eines NTC-Verhalten, hat die Temperaturabhängigkeit der Zündung von Cyclohexan einen Bereich mit allmählichen Änderungen (RGC), d.h. einen schrittweisen Übergang zwischen zwei verschiedenen konkurrierenden Reaktionsschemata der Gesamtreaktivität, der in einem Temperaturbereich von 800 K < T < 1100 K stattfindet. Das entwickelte Modell beschreibt ebenfalls erfolgreich die laminaren Flammengeschwindigkeitsdaten, sowie Speziesprofile aus stabilisierten vorgemischten Flammen. Es sollte auch angemerkt werden, dass bei T < 1600 K, die sequenzielle Dehydrierung (Cascade Dehydrogenation) von Cyclohexan der Hauptreaktionspfad für die Bildung der Aromaten ist. Bei höheren Temperaturen wird dieser Verlauf hauptsächlich durch Rekombination von Propargylradikalen kontrolliert.
Open Access
Low temperature oxidation of cyclohexane: uncertainty of important thermo-chemical properties
(2018) Abbasi, Mehdi; Slavinskaya, Nadezda; Riedel, Uwe
The study of the standard formation enthalpy, entropy, and heat capacity for key species relevant to the low-temperature combustion of cyclohexane has been performed by applying the group additivity method of Benson. The properties of 18 Benson groups (8 of them for the first time), and 10 ring correction factors for cyclic species were estimated through different empirical and semi-empirical methods. The method validation proceeded through comparison of predicted values for certain number of newly estimated groups and available literature data derived from quantum chemistry estimations. Further validations of the estimated properties of groups have been provided by comparing estimated properties of test species with data in literature and kinetic databases. Also the standard deviation between prediction and reported values has been evaluated for each validation case. A similar approach has been applied for validation of the estimated ring correction groups. For selected well-studied cyclic molecules the predicted values and the literature data have been compared with each other, and the standard deviations have been also reported. The evaluated properties of the cyclohexane relevant species were also compared with similar ones available in other kinetic models and in databases. At the end the estimated properties have been presented in a tabulated form of NASA polynomial coefficients with extrapolation up to 3500 K.