Entwicklung und Implementierung automatisch reduzierter Reaktionsmechanismen für die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen

Abstract

In dieser Arbeit wurden die dynamischen Eigenschaften chemischer Reaktionsmechanismen im Kontext der Methode der intrinsischen niedrig dimensionalen Mannigfaltigkeiten (ILDM) untersucht. Die thermokinetischen Zustaende des Systems relaxieren auf Hyperflaechen im Zustandsraum, bzw. Attraktoren, die den ILDMs entsprechen. Bei der ILDM-Methode wird ausgenutzt, dass die sehr schnell relaxierenden chemischen Prozesse identifiziert und dann entkoppelt werden koennen. Von besonderem Interesse in praktischen Anwendungen sind technische Brennstoffe, dabei handelt es sich meist um komplexe Gemische hoeherer Kohlenwasserstoffe. Die Besonderheit der Verbrennungsmechanismen hoeherer Kohlenwasserstoffe ist ihre hierarchische Struktur, die sich im reduzierten System wiederspiegelt und somit bei der Erzeugung von ILDMs ausgenutzt werden kann. Um die vereinfachten Kinetiken verwenden zu koennen, musste eine geeignete Implementierung in CFD-Programme entwickelt werden. Die Wechselwirkung von chemischen und physikalischen Prozessen wird durch Mischungs- und Transportmodelle beschrieben, die im gesamten Zustandsraum definiert sind. Wobei die Auswirkungen der Entkopplung der schnellen chemischen Prozesse bei reduzierten Kinetiken eine besondere Rolle spielen. Daher muessen die Kopplungen sowohl im turbulenten als auch im laminaren Fall in den reduzierten Unterraum projiziert werden. Auf diese Weise koennen die Einfluesse der schnellen entkoppelten chemischen Prozesse auf die jeweiligen Mischungs- und Transportmodelle beruecksichtigt werden. Mit den vorgestellten Methoden werden nun auch komplexe, technisch relevante Brennstoffe einer auf ILDM beruhenden Mechanismusreduktion zugaenglich. Die vorgestellten effizienten Verfahren erlauben die Implementierung in Programmpakete zur Beschreibung laminarer und turbulenter reaktiver Stroemungen.

In the simulation of a reacting flow the conservation equation of each species have to be solved which is not feasible in most cases using detailed mechanisms because of the enormous computational effort which would be necessary. However, an enormous amount of CPU-time can be saved by using reduced reaction mechanisms. This work presents techniques to reduce large chemical reaction mechanisms and the implentation of the reduced schemes in CFD-(computational fluid dynamics) codes. The chemical kinetics of combustion processes is automatically reduced by the ILDM (intrinsic low dimensional manifolds) method. The mathematical formulation and the basic ideas of the ILDM method are presented. The ILDM-approach uses the fact that in typical reaction systems a large number of chemical processes are so fast that they are not rate limiting and can be decoupled. All the method does is to identify intrinsic low-dimensional manifolds in the state space with the property that after a short relaxation time the thermochemical state of the system has relaxed onto these attracting low-dimensional manifolds. The numerical procedure for the identification of the ILDMs is described. It is based on a multidimensional pathfollowing method. The results, i.e. the reduced mechanisms, can be tabulated for subsequent use in CFD-codes. The typical behaviour of the kinetic of higher hydrocarbons is investigated. The most important result is the hierarchical structur of the reaction mechanisms which is reflected in the structure of the ILDM. The implementation of the ILDMs in CFD-codes is presented. Two methods are shown, namely the use of tabulated ILDMs using generalized coordinates and the use of an easy lookup table. The interaction of chemical and physical processes is investigated. The submodels and the coupling of them is presented in a general context first. Then the special cases of laminar and turbulent reactive flows are treated.