Ein effizienter Sektionalansatz zur Modellierung von PAHs und nicht sphärischen Rußpartikeln unter technisch relevanten Verbrennungsbedingungen

Abstract

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.

The present work is about an efficient sectional model for predictions of the soot morphology in computational fluid dynamics (CFD) simulations. The model has been implemented in the CFD combustion code THETA, validated against several idealized lab-scale experiments and applied to large eddy simulations (LES) of a semi-technical combustor. Resulting from the incomplete combustion of hydrocarbons, soot emissions are currently of high relevance in the context of particulate matter pollution. As experimental techniques are often not or only in a limited way applicable to technical combustion systems, soot CFD simulations are important to deepen the understanding of soot evolution under such conditions. Since the toxicity of particulates depends on the particle diameter (and since legislative regulations start to take this into account), it is beneficial for soot models to resolve the particle size distribution (PSD). Sectional approaches, which are the topic of the present work, belong to this class of models. Using a finite-rate chemistry model with a simultaneous solution of all species equations ensures a full coupling of soot and the thermo-chemical state of the gas phase. A reaction mechanism with 43 species and 304 reactions is used to describe the pyrolysis and oxidation of small hydrocarbons such as ethylene as well as the formation of small aromatic species like benzene or toluene. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are described by a newly developed sectional approach which distinguishes PAH radicals from PAH molecules and features a reversible PAH chemistry. Laminar premixed flame simulations demonstrate that such a model complexity is necessary to obtain realistic PAH size distributions and consequently correct nucleation rates. Comparing calculated and measured particle size distributions (PSDs) shows that the latter is particularly important for accurate predictions of the soot morphology as a too strong soot nucleation yields a too high particle number density at a too small mean particle diameter. The PAH model describes the instability of PAHs at high temperatures well which is an important feature for the simulation of technical combustion systems as they are often operated with preheated air. The soot aerosol is described by a sectional approach with logarithmically scaled mass classes. Regarding soot, the focus of the present work is the development of a novel approach to describe the evolution of fractal soot aggregates and the implementation of temperature dependent scaling functions for the soot surface reactivity. Both developments where necessary to correctly predict the transition from a non-smoking to a smoking diffusion flame. Furthermore, soot aggregates proved to be important in particular at heavily sooting conditions as models with purely spherical soot particles often predict too few particles resulting in an underprediction of the soot surface. Besides accurate predictions of the soot morphology, a very good agreement to measured temperatures as well as species mass fractions (OH, benzene, C2H2) is obtained. Turbulent combustion problems are investigated by large eddy simulations (LES). The idea of LES is to separate large turbulent structures which are resolved by the CFD grid from small structures which require modelling. In this context, the description of subgrid scale turbulence-chemistry interaction is one of the major challenges in combustion modelling. In the present work this is done by assumed probability density functions (APDF). A bimodal APDF has been implemented to approximate the intermittent nature of soot subfilter dynamics. The validation of this LES model has been achieved using a lifted, turbulent, sooting jet flame. Compared to RANS results from the literature, the prediction of turbulent mixing in the pre-flame region was improved. Velocities and temperatures agree well with experimental data and the quality of the soot prediction outperforms the state of the art. Taking fractal soot aggregates into account yields a good agreement to measured particle diameters, which indicates a correct description of the soot morphology. The validated LES model has then been applied to an aero engine model combustor at sooting operating conditions. Calculated velocities, temperatures and the frequency of the dominant hydrodynamic instability agree well with experimental data. The soot volume fraction in the primary combustion zone as well as the influence of the equivalence ratio on the soot distribution are accurately predicted. However, further downstream there are notable differences between LES and the experiment concerning the soot volume fraction. Further analysis supports the plausibility of the LES results and the combustion conditions were found to be very challenging as they feature equivalence ratios close to the sooting limit and a high disparity between instantaneous and time-averaged soot volume fractions.