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status_changed: 2012-08-14 15:02:54
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Sojka, Jürgen
title: Simulation der Rußbildung unter homogenen Verbrennungsbedingungen
title_en: Simulation of soot formation under homogeneous combustion conditions
ispublished: pub
subjects: ddc-540
divisions: i-708000
adv_faculty: af-12
keywords: Simulation , PAK , Fullerenesoot , combustion , mechanism , hydrocarbons , simulation
cterms_swd: Ruß
cterms_swd: Verbrennung
cterms_swd: Reaktionsmechanismus
cterms_swd: Kohlenwasserstoff
cterms_swd: Modellierung
note: Teile in: Combust. Sci. and Tech., 2000, Vol. 158, pp. 439-460
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. 
abstract_translated_text: 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. 
abstract_translated_lang: eng
class_scheme: pacs
class_labels: 82.20.Tr, 82.35.-x, 82.33.Vx
date: 2001
date_type: published
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id_number: 10.11588/heidok.00001828
ppn_swb: 1643257048
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-opus-18289
date_accepted: 2001-05-18
advisor: HASH(0x55fc36d5e1e0)
language: ger
bibsort: SOJKAJURGESIMULATION2001
full_text_status: public
citation:   Sojka, Jürgen  (2001) Simulation der Rußbildung unter homogenen Verbrennungsbedingungen.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/1828/1/z_master.pdf