Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Verbrennung in radial durchströmten porösen inerten Medien
Creators: name: Dinkov, Ilian
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Porösen Inerten Medien (PIM)
Verbrennung in porösen inerten Medien
Verbrennung in radial durchströmten porösen inerten Medien
Flammendicke und Brenngeschwindigkeit in porösen inerten Medien
Direct Pore Level Simulation
combustion process in porous inert media (PIM)
flame velocity in porous inert media
dreidimensionale numerische Simulation auf Porenebene

description: Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Verbrennung in radial durchströmten porösen inerten Medien (PIM). Die stattfindende Vormischverbrennung nutzt das hohe Potential magerer Vormischflammen zur Minderung der Schadstoffemissionen bei gleichzeitiger Verhinderung der mit dieser Art der Verbrennungsführung zusammenhängenden technischen Schwierigkeiten, wie Flammenstabilität und Flammenrückschlag sowie thermoakustische Instabilitäten und Selbstzündung.
In Rahmen dieser Arbeit wurden systematische experimentelle Untersuchungen in einer ringförmigen Brennergeometrie durchgeführt, die den Einfluss charakteristischer Betriebsbedingungen wie Gemischzusammensetzung (Luft-zu-Brennstoff-Verhältnis) und thermischen Leistungen auf Flammendicke und Brenngeschwindigkeit erfassen. Es wurden Erkenntnisse über den Verlauf und die Stabilität der Verbrennung in PIM gewonnen, die nicht nur zum besseren Verständnis der Verbrennungsprozesse in einer radial durchströmten Porenbrennergeometrie beitragen, sondern auch zur Validierung und Verbesserung der numerischen Modelle führen können.
Hierzu wurde eine dreidimensionale Simulation der Strömung und Verbrennung in PIM auf Porenebene durchgeführt (3D DPLS Direct Pore Level Simulation). Die Ergebnisse der numerischen Simulation wurden mit den experimentellen Daten und Literaturwerten verglichen. Der Vergleich der Temperaturverläufe und der Vergleich der Brenngeschwindigkeit hat gezeigt, dass die hier angewandten Methoden für die dreidimensionale numerische Simulation in der Lage sind, die Verbrennungsvorgänge in PIM wiederzugeben. Um die Dreidimensionalität der Flammenfront während der Verbrennung in PIM zu betrachten, wurden zusätzlich zu den gemittelten Werten lokale Gas-Stromlinien der Strömung in PIM aus der Rechnung extrahiert und ausgewertet. Der Verlauf der Geschwindigkeit und die Temperatur entlang dieser Stromlinien zeigte, dass das Vorhandensein des Feststoffs eine lokale Beschleunigung der Strömung in PIM bzw. ein Abbremsen in der Nähe von festen Wänden bewirkt. Dies resultiert in beträchtlich hohen räumlichen Geschwindigkeits- und Temperaturschwankungen, insbesondere im Bereich der makroskopischen Flammenfront direkt nach der Zündung, wenn die Strömung aufgrund der Dichteabnahme beschleunigt und der maximale Geschwindigkeitsgradient erreicht wird. Bei den gängigen 1D-Modellen für diese Art der Verbrennung ist es nicht möglich, solche 3D-Phänomene wiederzugeben. Der Grund dafür ist, dass 1D-Modelle makroskopische bzw. effektive Transportkoeffizienten verwenden. Für einfache Ingenieuranwendungen, wie z. B. Auslegung von Brennern, ist es zweckmäßig, eindimensionale Berechnungsmethoden zu verwenden, da diese zeitsparender und ressourcenschonender sind. Daher wurden die Ergebnisse der numerischen Simulation in dieser Arbeit analysiert, um Phänomene wie räumliche Schwankungen der Temperatur und Geschwindigkeit für die 1D-Modellierung zugänglich zu machen. Unter Verwendung der Boussinesq-Hypothese konnte durch Einbeziehung des axialen Dispersionskoeffizienten, der lokalen Geschwindigkeit und des Temperaturgradienten, der eine Ähnlichkeit zu den räumlichen Temperaturschwankungen aufweist, eine algebraische Beziehung für die räumlichen Temperaturschwankungen abgeleitet werden. Mit Hilfe dieser algebraischen Beziehung können in volumengemittelten 1D-Methoden die für die Verbrennung wichtigen Größen im Bereich der makroskopischen Flammenfront besser vorhergesagt werden.