Development of a reduced chemical-kinetic combustion model for practical fuels

Abstract

This work deals with modeling of the surrogate fuels including their physical as well as chemical properties. The huge number of components of real fuels makes it impossible to model its properties with equations for all of the constituents. Even less feasible is to create a kinetic mechanism for such a fuel. As an alternative a mixture of a few hydrocarbons is used to replace the real fuel. Such mixture is called a surrogate fuel. The goal of the present work is to construct a complete method for the creation of a reduced combustion model for a Jet-A surrogate fuel, starting from the development of the fuel model itself to the algorithms for a kinetic mechanism reduction.

Prior to the development of the numerical code a short overview of available equations of state is given and a comparison of their advantages, disadvantages and precision is made. The developed numerical tools allow fast calculation of the fuels phase diagram, distillation curve and critical point. The physical model and developed tools are successfully validated over a number of experiments for different mixtures of hydrocarbons. The elaborated surrogate model is obtained by optimization of the above mentioned characteristics as well as combustion enthalpy, formation enthalpy, molar weight and sooting tendency index. The Jet-A surrogate model consists of 11% propylcyclohexane, 14% iso-octane, 22% n-dodecane, 28% 1-methylnaphtalene and 25% n-hexadecane.

Kinetic models are developed for the large hydrocarbons: n-decane, n-dodecane and n-hexadecane. These models are thoroughly tested over a wide range of shock-tube experiments for each of these pure components as well as mixtures of n-decane and 1-methylnaphthalene.The developed sub-mechanisms are added to the sub-mechanisms of other surrogate fuel components developed at the Institute of Combustion Technology at the German Aerospace Center (DLR) producing the full mechanism with 183 species and 1239 reactions. Numerical simulations made with the full mechanism for the surrogate blend are compared with shock-tube experiments for Jet-A kerosene. Of special interest is the low-temperature region and negative temperature coefficient. A rate of production analysis for each surrogate fuel component and sensitivity analysis will be given.

Due to the lack of the thermodynamical data for the low-temperature species another computational tool is developed. It calculates thermodynamical properties using the Benson group additivity method. For extrapolation of the heat capacity to higher temperatures Willhoit polynomials are used due to good precision and stability. The verification is made by comparison of the results for a range of hydrocarbon molecules with database values and calculations in other works.

For the reduction algorithm several common reduction methods are described and compared. Using some of these methods analysis and reduction of the full kinetic mechanism is made. Finally, for the reduction of the full mechanism two additional programs are developed. Using the KINALC package they accomplish two analyses in several time points for chosen numerical experiments: importance of reactions and species. Comparing the obtained lists they automatically choose unimportant species and reactions and remove them from the mechanism. Excellent results are obtained even at high degrees of reduction. Nevertheless, there exists a minimal number of species, after which further reduction causes very fast growing errors. At the same time the algorithm tends to remove some very basic species at high degrees of reduction. This limits the minimal size of the mechanism to 70-80 species. The influence of different reduction parameters on the performance of the resulting reduced mechanism is investigated and will be given.

Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung von Ersatzbrennstoffen sowie deren physikalischen und chemischen Eigenschaften. Aufgrund der großen Zahl an unterschiedlichen Komponenten in herkömmlichen Kraftstoffen ist es nicht möglich, die Eigenschaften des Kraftstoffes mit Hilfe von Gleichungen, die für alle vorhandenen Spezies aufgestellt werden, zu berechnen. Noch schwieriger ist es, für einen solchen Kraftstoff einen kinetischen Mechanismus zu entwickeln. Stattdessen wird ein Gemisch weniger, ausgewählter Kohlenwasserstoffe verwendet, das den tatsächlichen Kraftstoff bei der Modellierung ersetzt. Ein solches Gemisch wird als Surrogat bezeichnet. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methode zu entwickeln, die einen reduzierten Verbrennungsmechanismus für ein Surrogat für Jet-A aufbaut, angefangen von der Entwicklung des Modells für den Treibstoff bis zum Algorithmus für die Reduktion des kinetischen Mechanismus. Vor der Entwicklung des numerischen Codes wird ein kurzer Überblick über vorhandene Zustandsgleichungen gegeben und deren Vor- und Nachteile sowie Genauigkeit besprochen. Die entwickelten numerischen Werkzeuge erlauben eine schnelle Berechnung des Phasendiagramms des Kraftstoffs, der Destillationskurve und des kritischen Punktes. Das physikalische Modell und die entwickelten Werkzeuge wurden anhand mehrerer Experimente für verschiedene Mischungen von Kohlenwasserstoffen erfolgreich validiert. Das erhaltene Surrogat-Modell wird durch die Optimierung der genannten Eigenschaften sowie der Verbrennungsenthalpie, der Bildungsenthalpie, des molekularen Gewichts und des Ruß-Index erhalten. Das verwendete Surrogat für Jet-A besteht aus 11% Propylcyclohexan, 14% iso-Oktan, 22% n-Dodecan, 28% 1-Methylnaphthalin und 25% n-Hexadecan. Für eine Vielzahl großer Kohlenwasserstoffe sind bereits kinetische Modelle entwickelt worden, unter anderem für n-Decan, n-Dodecan und n-Hexadecan. Diese Modelle sind für ihren jeweiligen Geltungsbereich durch zahlreiche Stoßrohrexperimente validiert. Die Mechanismen für n-Dodecan und n-Hexadekan werden zu den Mechanismen der anderen Komponenten des Surrogats, die am Institut für Verbrennungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt entwickelt wurden, hinzugefügt. Der so entstandene Gesamtmechanismus besteht aus 183 Spezies und 1239 Reaktionen. Für diesen Gesamtmechanismus werden numerische Simulationen durchgeführt und die Ergebnisse mit Stoßrohrexperimenten für Jet-A Kerosin verglichen. Von besonderem Interesse sind der Niedertemperaturbereich und der Bereich des negativen Temperaturkoeffizienten. Deshalb werden Sensitivitätsanalysen und Analysen der Produktionsraten für jede Surrogat- Komponente durchgeführt. Auf Grund des Mangels an thermodynamischen Daten für Spezies im Niedertemperaturbereich wird ein Code entwickelt, der die thermodynamischen Eigenschaften unter Verwendung der Gruppenadditivitätsmethode von Benson berechnet. Für die Extrapolation der Wärmekapazität zu höheren Temperaturen wurden, aufgrund ihrer guten Präzision und Stabilität, Willhoit- Polynome verwendet. Die Validierung der mit dem neuen Tool entwickelten Werte erfolgt für eine Reihe von Kohlenwasserstoffen durch den Vergleich mit Werten aus Datenbanken oder Berechnungen aus anderen Publikationen. Für den Reduktionsalgorithmus werden mehrere verbreitete Reduktionsmethoden beschrieben und verglichen. Anhand ausgewählter Methoden wird der kinetische Mechanismus analysiert und reduziert. Schließlich werden für die Reduktion des gesamten Mechanismus zwei zusätzliche Programme entwickelt. Anhand der KINALC Programme werden zwei Analysen zu mehreren Zeitpunkten für ausgewählte numerische Experimente durchgeführt: eine Analyse der Zusammenhänge zwischen den einzelnen Spezies und eine Analyse der Wichtigkeit der Reaktionen. Durch einen Vergleich der erstellten Listen werden automatisch die unwichtigen Spezies und Reaktionen erkannt und aus dem Mechanismus entfernt. Nach dieser Methode lassen sich hervorragende Ergebnisse, auch bei hohen Reduktionsgraden, erhalten. Allerdings existiert eine Untergrenze für die Anzahl der Spezies, unter welcher eine weitere Reduktion zu sehr schnell wachsenden Fehlern führt. Bei diesen Reduktionsgraden tendiert der Algorithmus dazu, einige Spezies zu entfernen, die für die Qualität des Mechanismus von grundlegender Bedeutung sind. Dies begrenzt die minimale Größe des Mechanismus auf 70-80 Spezies. Der Einfluss unterschiedlicher Reduktionsparameter auf die Qualität des resultierenden reduzierten Mechanismus wird untersucht und dargestellt.