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Modeling and Simulation of Charged Species in Lean Methane-Oxygen Flames

Prager, Jens

German Title: Modellierung und Simulation geladener Spezies in mageren Methan-Sauerstoffflammen

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PDF, German
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Abstract

Charged species occur in all combustion systems. Chemical pathways which involve ions are known to contribute to the formation of air pollutants like soot and aerosols. The appearance of electrical charges, which are closely related to the combustion process itself, offers the opportunity of their use for sensing purposes in a variety of applications. Reliable models for the chemical reaction network and the transport processes are required for numerical simulations in these fields of research. Laminar flat flames have proven to be suitable systems for the development and validation of chemical reaction mechanisms. In this work, the concentrations of charged species along a flat, fuel-lean, and laminar methane-oxygen flame are calculated and compared to experimental results. For the first time, these simulations also include negative ions. Existing software was enhanced to enable the inclusion of these ions. The chemical reaction mechanism of the charged species is compiled from different sources found in according literature. Altogether, the model contains 65 reversible reactions involving 11 charged species. Also special emphasis is put on the diffusion processes of the ions. A model is developed and discussed which describes the mutual interactions of the charged species during diffusion. It allows an arbitrary fraction of negative ions, because it does not depend on the assumption that the electrons dominate this process. The simulations are used to validate the reaction mechanism. Reaction flow analyses show which chemical pathways are taken. Reactions which were suggested in the literature are discussed quantitatively. The influence of charged species diffusion on the simulation results as well as their sensitivities to uncertainties in the input data of the transport model are analyzed.

Translation of abstract (German)

Geladene Spezies treten in allen Verbrennungssystemen auf. Es ist bekannt, daß Reaktionswege, die Ionen beinhalten, zur Bildung von Luftschadstoffen wie Ruß und Aerosolen beitragen. Das Auftreten elektrischer Ladungen, die in einem direkten Zusammenhang zum Verbrennungsprozess stehen, bietet die Möglichkeit, sie für sensorische Zwecke in einer Vielzahl von Anwendungen zu benutzen. Für numerische Simulationen auf diesen Forschungsgebieten werden verläßliche Modelle für das Netzwerk aus chemischen Reaktionen und die Transportprozesse benötigt. Laminare flache Flammen haben sich als geeignete Systeme erwiesen, um an ihnen chemische Reaktionsmechanismen zu entwickeln und zu validieren. In dieser Arbeit werden die Konzentrationen geladener Spezies in einer mageren, laminaren Methan-Sauerstoff-Flamme berechnet und mit experimentellen Daten verglichen. Diese Simulationen beinhalten zum ersten Mal auch negative Ionen. Vorhandene Software wurde erweitert, um Ionen berücksichtigen zu können. Ein Reaktionsmechanismus der geladenen Spezies wurde aus verschiedenen Quellen in der Literatur erstellt. Das Modell enthält 11 geladene Spezies und 65 reversible Reaktionen zwischen ihnen. Besonders herausgestellt werden auch die Diffusionsprozesse der Ionen. Ein Modell wird entwickelt und diskutiert, das die gegenseitige Wechselwirkung der geladenen Spezies während der Diffusion beschreibt. Es sind beliebige Anteile an negativen Ionen erlaubt, weil es nicht von der Annahme abhängt, daß die Elektronen diesen Prozeß dominieren. Die Simulationen dienen der Validierung des Reaktionsmechanismus. Reaktionsfluß analysen zeigen, welche Reaktionspfade eingeschlagen werden. Reaktionen, die in der Literatur vorgeschlagen wurden, werden quantitativ diskutiert. Der Einfluß der Diffusion geladener Spezies auf die Simulationsergebnisse sowie deren Empfindlichkeit bezüglich der Unsicherheiten in den Eingangsdaten des Transportmodells werden analysiert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Warnatz, Prof. Dr. Jürgen
Date of thesis defense: 19. October 2005
Date Deposited: 09. Nov 2005 10:10
Date: 2005
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Reaktionskinetik, Ambipolare Diffusion, Computersimulation, Reaktionsmechanismus
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