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Turbulente Verbrennung und numerische Lösung der PDF-Transportgleichung

Bearbeiter: M. Kraft , W. Wagner

Kooperation: F. Mauss (Lund Technical University), A. Sarofim (Massachusetts Institute of Technology), H. Fey (Universität Kaiserslautern)

Beschreibung der Forschungsarbeit: In vielen industriellen Anwendungen spielen turbulente reaktive Strömungen eine wichtige Rolle. Insbesondere Verbrennungsprozesse sind von großer praktischer Bedeutung. Ein Ziel des Studiums solcher Prozesse ist es, den Verbrennungsprozeß so zu führen, daß Luftschadstoffe wie Ruß und Stickoxide in geringeren Mengen entstehen.

Die mathematische Beschreibung solcher Verbrennungsprozesse wird häufig mit Hilfe der Verbundwahrscheinlichkeitsdichtetransportgleichung (PDF) vorgenommen. Da bei vielen Verbrennungsprozessen die Anzahl der chemischen Spezies sehr hoch ist, vereinfacht man diese Transportgleichung und erhält Stochastische Reaktormodelle (SRM) (siehe [1]), die auch für detaillierte chemische Modelle numerisch lösbar sind. Die PDF-Transportgleichung, die die stochastischen Reaktormodelle beschreibt, ist gegeben durch:

$\begin{eqnarray} \frac{\partial {\mathcal F}(\underline{\psi};t)} {\partial t} ... ...n}(\underline{\psi}) - {\mathcal F}(\underline{\psi};t) \right)}.\end{eqnarray}$

Diese Gleichung, ihre numerische Behandlung und ihre Anwendung sind Gegenstand der Forschung.

Die Forschungsarbeit läßt sich inhaltlich in folgende Bereiche unterteilen:

1.: Mathematische Analyse der stochastischen Reaktormodelle. In [2] werden für spezielle Fälle analytische Lösungen für Gleichung (1) vorgestellt.
2.: Modellierung von Reaktoren im Labormaßstab zum Validieren stochastischer Reaktormodelle. In [3] wurde ein SRM erfolgreich eingesetzt, um die Schadstoffbildung in einer turbulenten Brennkammer zu berechnen.
3.: Modellierung der Rußbildung in turbulenten Flammen. In [4] wurde ein detailliertes Rußmodell für turbulente Flammen entwickelt.
4.: Validierung von reduzierten chemischen Modellen zur Beschreibung von Flugzeugtreibstoff. In Kooperation mit der Firma Reaction Engineering International wurde ein reduzierter n-Heptan Mechanismus getestet [5].

Projektliteratur:

M. KRAFT, Stochastic Modeling of Turbulent Reacting Flow in Chemical Engineering, VDI Verlag, Fortschrittsberichte des VDI, Reihe 6, 391 (1998).
M. KRAFT, H. FEY, Some analytic solutions for stochastic reactor models based on the joint composition PDF, WIAS-Preprint No. 456, 1998.
C. PROCACCINI, M. KRAFT, H. FEY, H. BOCKHORN, J. P. LONGWELL, A. F. SAROFIM, K. A. SMITH, PIC formation during the combustion of simple hydrocarbons in inhomogeneous incineration systems, 27th Int. Symposium on Combustion, Pittsburgh, PA, Combustion Institute (1998).
F. MAUSS, M. BALTHASAR, M. KRAFT, C. PROCACCINI, A. F. SAROFIM, J. P. LONGWELL, K. A. SMITH, Influence of microscale mixing on soot and NOx formation, 27th Int. Symposium on Combustion, Pittsburgh, PA, Combustion Institute, WIP Poster, Soot, Number W5A10 (1998).
M. KRAFT, Validation of a reduced n-heptane mechanism for nonpremixed turbulent combustion, Internal Report for Reaction Engineering International (1998).