Englische Übersetzung des Titels: Simulation of soot formation under homogeneous combustion conditions

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Abstract

Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen unter ausreichend brennstoffreichen Bedingungen neben den Hauptprodukten Kohlendioxid und Wasser auch Ruß. In Verbrennungssystemen ist Ruß aus technischen und umweltpolitischen Gründen unerwünscht. Schärfere zukünftige Gesetzgebungen lassen deutlich niedrigere Grenzwerte erwarten, so daß die Erforschung der Rußbildung detailliert vorangetrieben werden muß. In der vorliegenden Arbeit wird zur Modellierung der Rußbildung zunächst ein aus 164 Spezies bestehender chemischer Reaktionsmechanismus entwickelt und getestet. Er beschreibt die Gasphase mit Hilfe von Elementarreaktionen und berücksichtigt dabei die Bildung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) bestehend aus bis zu drei Ringen. Der darauf aufbauende Rußmechanismus, der durch Polymerreaktionen die charakteristischen Schritte der Rußbildung (Keimbildung, Oberflächenwachstum, Koagulation und Oxidation) nachbildet, wird mit der in den letzten Jahren entwickelten diskreten Galerkin-Methode behandelt. Bei dieser Technik werden für makromolekulare Polymere auf der Basis einer Gewichtungsfunktion orthogonale Polynome einer diskreten Variablen (Kettenlänge) konstruiert. Zusätzlich zum zeitlichen Verlauf der Konzentration der Rußteilchen erhält man damit Informationen über die Größenverteilung der Rußteilchen, so daß die Berechnung von charakteristischen Meßgrößen, wie z.B. Teilchendurchmesser, Rußausbeute und Rußvolumenanteil möglich ist. Die verwendete diskrete Galerkin-Methode wird zur Anwendung auf die Rußbildung weiterentwickelt und zunächst an einfachen Reaktionssystemen (Fe(CO)5, C3O2) verifiziert. Anwendung findet das entwickelte Modell schließlich in der Simulation eines Stoßwellenrohrversuches unter hohen Drücken und brennstoffreichen Bedingungen.

Übersetzung des Abstracts (Englisch)

The process of hydrocarbon combustion, under sufficiently fuel-rich conditions, will produce soot in addition to the main products CO/CO2 and H2/H2O. The formation of soot is not desired in most combustion systems because of reduced combustor lifetimes, increased fuel consumption, and environmental and health hazards. Future regulations will further decrease limiting values and thus require additional investigations to reduce soot formation. To simulate the gas phase chemistry in combustion systems in this work a suitable chemical mechanism is developed containing many elementary reactions and 164 species up to three aromatic fused rings. Additionally, the soot chemistry (nucleation, surface growth, coagulation, and oxidation), consisting of macromolecular reactions and polymer species, is handled by a discrete Galerkin technique. The associated system of ordinary differential equations is solved by an error-controlled expansion into orthogonal polynomials of a discrete variable, i.~e. the chain length. The described method yields in addition to the concentration of soot particles information about the size distribution to calculate diameter, yield, and volume fraction of the soot particles. The used technique is extended to cope with several specific polymerization steps, e.g., those required by the hydrogen abstraction induced acetylene growth (HACA). Miscellaneous smaller reaction systems (Fe(CO)5, C3O2) are studied to verify the new features. The developed model is applied to simulate soot formation for a shock tube experiment at high pressures and fuel-rich combustion conditions.