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Simulation der Rußbildung in Flammen und Stoßrohren mit einem detaillierten und einem semi-empirischen Modell

Marquetand, Jens Oliver

English Title: Simulation of soot formation in flames and shock tubes with a detailed and a semi-empirical model

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Abstract

Ruß entsteht als Schadstoff bei der Verbrennung und hat einen negativen Einfluss auf Gesundheit und Umwelt. Die Vermeidung von Ruß stellt deshalb eines der Hauptziele in der aktuellen Rußforschung dar. Zusammenfassung In den letzten Jahren konnte hierbei durch Weiterentwicklungen in der Simulation und in der experimentellen Untersuchung große Fortschritte erreicht werden. Die genauen Abläufe der Rußbildung und ihre Abhängigkeit von den jeweiligen Verbrennungbedinungungen sind jedoch noch nicht vollständig verstanden und müssen darum weiterhin untersucht werden. Da dies mit Experimenten allerdings nicht immer möglich oder zu teuer ist, spielt die Simulation der Rußbildung eine zunehmend wichtigere Rolle. Zusammenfassung Eine detaillierte Modellierung der rußbildenden Vorgänge in komplexen technischen Systemen ist wegen des resultierenden großen Rechenaufwandes aber auch mit aktuellen Computern kaum möglich. Zusammenfassung Aus diesem Grund muss der rechnerischen Aufwand für die Simulation verringert werden. Hierfür sind zwei Ansätze möglich: Zum einen die Betrachtung eines einfachen Systems mit detaillierter Beschreibung der Rußbildung, zum anderen eine reduzierte Beschreibung der Rußbildung, was die Simulation der Rußentstehung in technischen Systemen erlaubt. Beide Ansätze werden in dieser Arbeit behandelt. Zusammenfassung Die Entstehung von Ruß wird hier in einer, als eindimensional angenommenen, laminaren Vormischflamme detailliert simuliert, wobei die einzelnen Vorgänge mit verschiedenen Schritten wiedergegeben werden. Dies stellt eine Weiterentwicklung des detaillierten Rußmodells dar, das bisher lediglich für die Simulation der Rußbildung in Stoßrohren und somit ohne die Berücksichtigung von Transportprozessen verwendet wurde. Dieses Modell dient dem besseren Verständniss der Vorgänge und der Verbesserung ihrere reaktionskinetischen Beschreibung. Zusammenfassung Für diese Simulationen wurde ein Programm entwickelt, das die Entstehung der Rußpartikel in der Flamme beschreibt. Die dabei stattfindenden Vorgänge sind im detaillierten Rußmodell als Polymerreaktionen formuliert, die mit Hilfe der Kompartiment-Methode berechnet werden. Daraus werden die interessierenden Rußeigenschaften, wie etwa der Partikeldurchmesser, ermittelt. Zusammenfassung Die mit dem neuen Programm erhaltenen Resultate werden zur Validierung überprüft und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Dabei werden für die erste Verwendung des reaktionskinetischen Modells unter Flammenbedinugen zufriedenstellende Übereistimmungen erzielt. Auf diesen Ergebnissen aufbauend kann das Programm somit für eine Weiterentwicklung des Rußmodells verwendet werden. Zusammenfassung Für die reduzierte Beschreibung der Rußbildung wird ein semi-empirisches Rußmodell verwendet, das die Entstehung der Partikel durch zwei zusätzliche Ratengleichungen beschreibt. Diese repräsentieren die Anzahl und die Masse bzw. das Volumen der Partikel. Dieses Modell wird erweitert um die Entstehung von Partikelkeimen aus Phenyl, da die bisherige Version des Modells Schwächen bei der Simulation der Rußbildung aus aromatischen Brennstoffen zeigte. Das erweiterte semi-empirische Modell wurde für die Simulation unter Stoßrohrbedingungen getestet, wobei eine deutliche Verbesserung bei der Beschreibung der Rußbildung erreicht wurde.

Translation of abstract (English)

Abstract Soot is formed as a pollutant in combustion processes and has a negative impact on health and environment. Due to which, one of the main goals in current combustion research is the prevention of soot formation. In the last few years there has been great advancement in theoretical and experimental research. However the exact information on the soot formation processes and their dependence on the combustion conditions is not completely understood. Therefore more research on that topic is needed. Experimental investigations are not always possible and can be expensive. For that reason soot formation simulations become more and more important. On the other hand, due to the involvement of enormous computational effort, a detailed modeling of the soot formation in complex technical systems is nearly impossible, even with today's powerful computers. Abstract Therefore simplified models need to be considered to reduce the computational efforts. This can be achieved in two ways: looking at a simplified system with a detailed description of the soot formation, or using a reduced formulation of soot formation, which allows simulation of more complex technical systems. Both approaches are followed in this thesis. Abstract In the first approach, the formation of soot is simulated on a detailed level for a laminar premixed flame, assumed to be one-dimensional. In this case the soot formation processes are described by numerous intermediate steps. This is an advancement in the detailed soot model, compared to the former works, where just shock-tube simulations with no transport processes were considered. This model will provide a better understanding and improvement of the reaction-kinetics description of the soot forming processes. For the simulations with the detailed model, a program has been developed describing the soot formation in flames. This processes are formulated as polymer reactions which are solved using the compartment-method. Soot characteristics, like particle diameter, are derived from this method. The results of the newly developed program were validated and compared with the experimental results. A satisfying agreement was found with the detailed reaction-kinetics model under flame conditions. For the very first time flame calculations with this detailed soot model were performed. This result shows the potential of the program for its further use in the development of the detailed soot model. Abstract For the reduced description of the soot formulation processes a semi-empirical model was used in the second approach. It describes formation of particles by introducing two additional rate equations for the number and the mass or volume of the particles. This model is extended to include nucleation of the particles depending on phenyl-radicals as its earlier simpler versions showed disadvantages with respect to soot formation from aromatic species. The extended semi-empirical model was tested for shock-tube conditions, where a significant improvement was found, compared to the earlier version of the model.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Riedel, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 16 July 2010
Date Deposited: 18 Oct 2010 10:26
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Vormischflamme, Rußbildung, Stoßwellenrohr, Modellierung
Uncontrolled Keywords: semi-empirisch , detailliertsoot formation , laminar premixed flame , shock tube , modeling
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