Numerische Simulation der Rußbildung bei der Verbrennung komplexer Brennstoffe

Abstract

Ein wichtiger Aspekt der Verbrennung ist die Schadstoffbildung. Insbesondere Ruß gewinnt in diesem Zusammenhang aufgrund seiner umwelt- und gesundheitsschädlichen Wirkung zunehmend an Bedeutung. Die Entwicklung neuer Brennkammerkonzepte soll möglichst mit einer Reduktion der Rußbildung einhergehen. Hierbei kann der Einsatz geeigneter numerischer Modelle den Auslegungsprozess maßgeblich unterstützen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Rußmodell vorgestellt und im Verbrennungscode PRECISE-UNS (Predictive-system for Real Engine Combustors with Improved Submodels and Efficiency - Unstructured) zur Vorhersage der Rußbildung in Flugtriebwerken eingesetzt. Das Modell nutzt einen detaillierten Chemielöser, der zunächst implementiert wurde und dessen Funktionsweise ebenfalls ausführlich beschrieben ist. Der Bildungsprozess von Ruß ist in Untermodelle für die Gasphase, die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons/PAH) und die Rußpartikel unterteilt. Die Gasphase wird dabei über einen detaillierten Reaktionsmechanismus beschrieben, der für die Vorhersage der Verbrennung verschiedener Brennstoffe (z.B. Jet A1) ausgelegt ist und die Reaktionspfade bis hin zu den kleinsten, aromatischen Ringstrukturen, wie Benzol (A1) und Toluol (C7H8), berücksichtigt. Die Modellierung größerer PAHs erfolgt über einen Sektionalansatz, der die auftretenden PAHs in Klassen zusammenfasst, wobei für jede Klasse eine entsprechende Transportgleichung zu lösen ist. Zwei weitere Transportgleichungen werden für die Berechnung des Massenanteils und der Teilchendichte der Rußpartikel verwendet. Das Modell berücksichtigt die Hauptmerkmale der PAH- und Rußkinetik, wie Bildung,Wachstum, Kollisionen und Oxidation. Die Formulierung dieser Prozesse erfolgt über globale Reaktionen, sodass ein hohes Maß an Recheneffizienz gewährleistet ist. Im Gegensatz zu vorangegangenen Arbeiten verwendet das Modell einige Neuentwicklungen, wie das reversible Wachstum der PAH-Klassen, das Rußwachstum durch Anlagerung von Polyinen und eine verbesserte Reaktionsrate für die Rußoxidation. Wie noch gezeigt wird, sind diese Merkmale wichtig für die genaue Vorhersage der Rußkonzentration. Die Modellvalidierung erfolgt zunächst an zahlreichen Stoßrohrexperimenten, bei denen verschiedene kurz- und langkettige sowie aromatische Brennstoffe eingesetzt wurden und die einen weiten Temperatur- und Druckbereich umfassen. Das Ergebnis dieser Experimente sind entweder Verläufe der Spezieskonzentrationen oder der Rußerträge, die als Funktion der anfänglichen Stoßrohrtemperatur angegeben werden. Aus diesem Grund eignen sie sich sowohl zur Validierung der reinen Reaktionskinetik als auch der Rußbildung. Außerdem ist die Simulation solcher Experimente einfach und benötigt nur wenig Rechenzeit. Diese Tatsache ermöglicht ausführliche Untersuchungen der kinetischen Prozesse. Insgesamt erzielen die Simulationsergebnisse eine gute Übereinstimmung mit den Validierungsdaten für jeden Testfall. Diese Gegebenheit weist die Brennstoffflexibilität des Modells sowie seine vielseitige Anwendbarkeit auf verschiedene Betriebsbedingungen nach. Weiterhin werden die Einflüsse einiger Neuentwicklungen gezeigt und ihre Bedeutung für die genaue Vorhersage der Rußbildung hervorgehoben. Anschließend wird die Modellvalidierung an laminaren, rotationssymmetrischen Diffusionsflammen fortgesetzt. Zu den Testfällen zählen in diesem Zusammenhang eine nicht-rauchenden und eine rauchende Ethylen-Flamme (C2H4), aber auch Flammen mit komplexen Brennstoffen wie n-Dekan (nC10H22) und Jet A1. Letztgenannte Brennstoffe werden vorverdampft und treten gasförmig in den Brennraum ein. Anhand der C2H4-Flammen kann die Verbesserung durch das neue Oxidationsmodell nachgewiesen werden. Diese Flammen zeigen auch den starken Einfluss der Wärmestrahlung auf die Rußoxidation auf. Die Simulation der Jet A1-Flamme untersucht den Einfluss des aromatischen Anteils in der Formulierung des Ersatzbrennstoffes. Hierbei führt die Berücksichtigung größerer, aromatischer Komponenten zu höheren Rußkonzentrationen. Alle Simulationen der laminaren Flammen stimmen gut mit den entsprechenden Experimenten überein. Somit wird die hohe Genauigkeit des Rußmodells erneut nachgewiesen. Abschließend wird das Modell zur Vorhersage der Rußbildung in einer Flugtriebwerksbrennkammer eingesetzt. Hierzu werden vier Betriebpunkte unter realen Bedinungen, die sich stark voneinander unterscheiden, simuliert und die Ergebnisse hieraus mit den experimentell bestimmten Daten der Smoke Number verglichen. Für die Untersuchung der Turbulenz-Chemie-Interaktion kommt eine angenommenen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (assumed probability density function/aPDF) für Temperaturfluktuationen zum Einsatz. Die Simulation gibt das Experiment gut wieder und sagt insbesondere den Verlauf der Smoke Number über dem Schub der einzelnen Betriebspunkte in guter Übereinstimmung vorher. Da das Modell sehr effizient ist, sind hierfür nur annehmbar geringe Rechenzeiten notwendig. Folglich kann die Anwendbarkeit des Modells zur Auslegung neuer, technischer Systeme belegt werden.