Effiziente Rußmodellierung in laminaren und turbulenten Flammen unterschiedlicher Brennstoffe

Abstract

Dass Ruß infolge unvollständiger Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe entsteht, weiß man schon seit mehreren Jahrzehnten. Ebenso sind die grundsätzlichen positiven als auch negativen Eigenschaften von Ruß schon seit langer Zeit bekannt. So hat er nicht nur eine große Bedeutung als Industrie- bzw. Füllstoffruß (z.B. in Autoreifen), sondern er sorgt auch in Flammen für eine erhöhte Wärme- und Lichtabstrahlung. Auf der anderen Seite hat sich gerade in den letzten Jahren gezeigt, dass Ruß Krebs erregend sein kann und mit aller Wahrscheinlichkeit zur verstärkten Bildung von Zirruswolken in großen Höhen beiträgt. Dennoch wird bis heute der genaue Vorgang der Rußentstehung, des Wachstums und des Abbaus nicht vollständig verstanden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Modells, welches die Vorhersage von Ruß in bestimmten Anwendungsgebieten ermöglichen soll. Während in der Literatur bereits eine Vielzahl sowohl an sehr einfachen als auch sehr detaillierten Rußmodellen erschienen ist, werden in dieser Arbeit ganz besondere Ansprüche an das zu entwickelnde Modell gestellt. Zum einen soll es nach Möglichkeit eine Genauigkeit aufweisen, die heutigen sehr detaillierten Rußmodellen entspricht, und zum anderen mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand verbunden sein. Gerade der Kompromiss zwischen Genauigkeit und Schnelligkeit stellt dabei eine hohe Herausforderung dar.

Die chemischen Reaktionen gasförmiger Spezies werden mit Hilfe eines stark reduzierten kinetischen Reaktionsmechanismus erfasst, welchem je nach Interesse weitere Untermechanismen hinzugeschaltet werden können. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) werden durch einen Sektionalansatz repräsentiert und sind das Bindeglied zwischen Gasphase und Rußchemie. Die Modellierung der Rußpartikel kann wahlweise entweder über ein Zweigleichungsmodell oder einen weiteren Sektionalansatz realisiert werden. Einzelne PAH- und Ruß-Reaktionen werden dabei global betrachtet, was die separate Behandlung angeregter Zustände erspart. Zu den berücksichtigten Mechanismen gehören Bildungsreaktionen, Oxidation, Koagulation und Wachstum durch Kondensation von Acetylen.

Das Gesamtrußmodell konnte erfolgreich anhand einer Vielzahl verschiedener Brennstoffe und Flammenkonfigurationen validiert werden. Dabei beschränken sich die entsprechenden Testfälle nicht nur auf vereinfachte laminare akademische Testfälle, sondern die Rußbildung in einer turbulenten Jetflamme und in einer Ringbrennkammer im Originalmaßstab konnten ebenfalls reproduziert werden. Hierbei wurde durch das Modell auch der Einfluss des Umgebungsdrucks auf die Rußproduktion korrekt wiedergegeben. Weitere Analysen verdeutlichen, dass bei Temperaturen oberhalb von 2000K die Reversibilität von PAH-Bildungsreaktionen eine sehr wichtige Rolle spielen kann, denn bei derart hohen Temperaturen wird das chemische Gleichgewicht deutlich von großen Rußvorläufern weg und hin zu kleineren Spezies verschoben. Dass diese Reversibilität in der vorliegenden Arbeit berücksichtigt werden konnte, stellt eine wichtige Errungenschaft dar und ist für eine zuverlässige Rußvorhersage von großer Bedeutung. Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Rußmodellierung - so zeigte sich - ist die starke Temperaturempfindlichkeit von Rußoxidationsmechanismen. Da insbesondere die Wahl von Rußenthalpien als auch die Modellierung von Wärmestrahlung mit Unsicherheiten behaftet sind und einen großen Einfluss auf die berechnete Temperatur haben, kann sich dies signifikant auf die Rußoxidationsraten auswirken. Zuverlässige Rußenthalpiewerte sind in der Literatur nicht verfügbar, aber es wurde in dieser Arbeit eine viel versprechende Strategie vorgestellt, welche die Bestimmung eines Näherungswertes erlaubt. Das verwendete Wärmestrahlungsmodell wurde wegen seiner hohen Recheneffizienz gewählt. Aufgrund der starken Vereinfachungen in diesem Modell ist zu erwarten, dass detailliertere Wärmestrahlungsmodelle zwar zu einer Zunahme der Rechenkosten aber auch zu einer Verbesserung in den Vorhersagen von Rußoxidationsraten führen werden.

Das in dieser Arbeit entwickelte Gesamtmodell weist eine Genauigkeit auf, welche sich mit derer aktueller sehr detaillierter Rußmodelle ohne weiteres messen kann. Da es zusätzlich nicht nur durch seine vielseitige Anwendbarkeit, sondern auch seine hohe Recheneffizienz überzeugt, stellt es einen wichtigen Fortschritt in der Rußmodellierung dar, insbesondere in Bezug auf praktische Anwendungen.

Soot, a product of incomplete hydrocarbon combustion, has been known for several decades offering negative and positive aspects for day-to-day applications. On the one hand it has become an important black-colored filling material (e.g. in tires) and on the other hand it leads to elevated radiation of heat and light in flames. In particular during the last years it has been shown that soot is carcinogenic and that it may be responsible for an increased formation rate of cirrus clouds at high altitudes. However, the detailed mechanisms of soot formation, growth, and oxidation are still far from being well understood.

In the present work the development of a model is presented which shall be capable of predicting soot in designated applications. While a variety of rather simple but very detailed soot models are already available in the literature, for the current model unique requirements are claimed. On the one hand its accuracy shall be comparable to very detailed present models and on the other hand its computational cost must be significantly lower. In particular the trade-off between accuracy and computational cost represents a great challenge.

Chemical reactions of gaseous species are represented by a highly reduced chemical kinetic reaction mechanism including optional sub mechanisms, which may be added if necessary. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are captured by a sectional approach and link the gas phase to the soot. Depending on the requirements soot particles are modeled using either a two-equation model or a sectional approach. For reasons of computational time savings PAH and soot reactions are handled in a global way. Therefore, radicals do not need to be treated separately. The model accounts for important mechanisms such as formation, oxidation, coagulation as well as condensation of acetylene.

The model has successfully been validated on a variety of different fuels and flame configurations. The validation did not only include simplified laminar academic test cases but soot formation in a turbulent jet flame and in a full scale ring combustor could also be reproduced. In this regard also the influence of pressure on soot production was correctly described. Further analysis indicate that in particular at high temperatures above 2000K the reversibility of PAH formation reactions may play a fundamental role because at such elevated temperatures the chemical equilibrium is considerably shifted from big soot precursors away to smaller species. Taking into account this reversibility represents a great achievement of this work and is an important requirement in order to accurately predict soot. One of the greatest difficulties in soot modeling has been identified to be the strong temperature sensitivity of soot oxidation mechanisms. Since in particular the choice of soot enthalpy values as well as the modeling of heat radiation are subject to uncertainties and have a high impact on the calculated temperature, this may significantly affect the prediction of soot oxidation. Reliable soot enthalpy values are not available in the literature but a promising strategy has been proposed in this work allowing the determination of an estimate. The applied heat radiation model has been chosen due to its high computational efficiency. Because of the high degree of simplification in this model, it is expected that more detailed heat radiation models will lead to an improvement in predicting soot oxidation rates. However, this also implies an increase of computational cost.

The model which has been developed shows an accuracy comparable to very detailed soot models available today. Since in addition it features a versatile applicability and high computational efficiency, it represent a very important progress in soot modeling, in particular with respect to practical applications.