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Verbrennung in Wandnähe: Numerische Analyse von Phänomenen und Modellentwicklung

Ganter, Sebastian (2019):
Verbrennung in Wandnähe: Numerische Analyse von Phänomenen und Modellentwicklung.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8729],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation, der Analyse und der Modellierung wandnaher Verbrennung mithilfe des CFD-codes FASTEST. Ein Ziel hierbei war die Analyse der dominierenden Prozesse, die sich in Wandnähe abspielen, auf Basis von Detaillierten-Chemie-Simulationen mit besonderem Fokus auf Kohlenmonoxid (CO). Weiterhin sollten bestehende Chemiereduktionsmodelle analysiert und bewertet werden. Zuletzt sollte eine neue mehrdimensionale Chemietabelle entwickelt werden, um eine verbesserte Vorhersage der CO-Konzentration im Bereich der Flamme-Wand-Interaktion zu erzielen. Die Untersuchungen der Flamme-Wand-Interaktion sowie die Bewertung der Chemiereduktionsmodelle wurden hierbei an der laminaren Sidewall-quenching (SWQ)-Konfiguration vorgenommen, bei welcher ein Ast einer V-Flamme in Kontakt mit einer wassergekühlten Wand kommt. Eine zentrale Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass die unerwartet hohen CO-Konzentrationen, welche in der experimentellen Literatur beschrieben wurden, auf Diffusionsflüsse zurückzuführen sind. Während das Flamelet-generated-manifold (FGM)-Modell in der Lage ist, die globale Flammenstruktur der SWQ-Konfiguration abzubilden, zeigten sich große Abweichungen hinsichtlich der CO-Vorhersage. Im Rahmen dieser Arbeit konnten diese auf unphysikalische Modellannahme hinsichtlich der auftretenden Enthalpiegradienten zurückgeführt werden. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass bereits eine grobe Abschätzung der realen Enthalpiegradienten, wie sie im Kontext des Reaction-diffusion-manifold (REDIM)-Modells vorgenommen wird, zu einer deutlichen Verbesserung der CO-Vorhersage führt. Das in dieser Arbeit neu entwickelte Chemiereduktionsmodell basiert auf dem Tabellierte-Chemie-Ansatz, bei welchem die chemischen Zustände, die in einer verlöschenden Flamme auftreten, vorgerechnet und in einer Tabelle abgelegt werden. Im Gegensatz zum FGM- und REDIM-Modell wird der CO-Massenbruch als zusätzliche Kontrollvariable eingeführt. Diese ermöglicht die Berücksichtigung von Enthalpiegradienten. Es zeigte sich, dass das neue Modell eine höhere Vorhersagegenauigkeit gegenüber dem FGM- und dem REDIM-Modell aufweist. In einer weiteren Analyse konnte die Verbesserung auf die zusätzliche Kontrollvariable zurückgeführt werden, welche die Abbildung weiterer physikalischer Effekte erlaubt.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Ganter, Sebastian
Title: Verbrennung in Wandnähe: Numerische Analyse von Phänomenen und Modellentwicklung
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation, der Analyse und der Modellierung wandnaher Verbrennung mithilfe des CFD-codes FASTEST. Ein Ziel hierbei war die Analyse der dominierenden Prozesse, die sich in Wandnähe abspielen, auf Basis von Detaillierten-Chemie-Simulationen mit besonderem Fokus auf Kohlenmonoxid (CO). Weiterhin sollten bestehende Chemiereduktionsmodelle analysiert und bewertet werden. Zuletzt sollte eine neue mehrdimensionale Chemietabelle entwickelt werden, um eine verbesserte Vorhersage der CO-Konzentration im Bereich der Flamme-Wand-Interaktion zu erzielen. Die Untersuchungen der Flamme-Wand-Interaktion sowie die Bewertung der Chemiereduktionsmodelle wurden hierbei an der laminaren Sidewall-quenching (SWQ)-Konfiguration vorgenommen, bei welcher ein Ast einer V-Flamme in Kontakt mit einer wassergekühlten Wand kommt. Eine zentrale Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass die unerwartet hohen CO-Konzentrationen, welche in der experimentellen Literatur beschrieben wurden, auf Diffusionsflüsse zurückzuführen sind. Während das Flamelet-generated-manifold (FGM)-Modell in der Lage ist, die globale Flammenstruktur der SWQ-Konfiguration abzubilden, zeigten sich große Abweichungen hinsichtlich der CO-Vorhersage. Im Rahmen dieser Arbeit konnten diese auf unphysikalische Modellannahme hinsichtlich der auftretenden Enthalpiegradienten zurückgeführt werden. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass bereits eine grobe Abschätzung der realen Enthalpiegradienten, wie sie im Kontext des Reaction-diffusion-manifold (REDIM)-Modells vorgenommen wird, zu einer deutlichen Verbesserung der CO-Vorhersage führt. Das in dieser Arbeit neu entwickelte Chemiereduktionsmodell basiert auf dem Tabellierte-Chemie-Ansatz, bei welchem die chemischen Zustände, die in einer verlöschenden Flamme auftreten, vorgerechnet und in einer Tabelle abgelegt werden. Im Gegensatz zum FGM- und REDIM-Modell wird der CO-Massenbruch als zusätzliche Kontrollvariable eingeführt. Diese ermöglicht die Berücksichtigung von Enthalpiegradienten. Es zeigte sich, dass das neue Modell eine höhere Vorhersagegenauigkeit gegenüber dem FGM- und dem REDIM-Modell aufweist. In einer weiteren Analyse konnte die Verbesserung auf die zusätzliche Kontrollvariable zurückgeführt werden, welche die Abbildung weiterer physikalischer Effekte erlaubt.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 02 Jun 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8729
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-87294
Referees: Janicka, Prof. Dr. Johannes and Schäfer, Prof. Dr. Michael
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 16 April 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
The intention of this work is the numerical simulation, the analysis and modeling of near wall combustion by means of the CFD-code FASTEST. One objective is the analysis of the dominating processes that occur near the wall with the help of detailed chemistry simulations with the focus on carbon monoxide (CO) concentrations. Furthermore established chemistry reduction approaches are analyzed and evaluated. Another objective is to develop a new multi-dimensional chemistry table in order to improve the prediction quality in regard of the CO-distribution in the flame-wall interaction zone. The investigation of the flame-wall interaction as well as the assessment of chemistry reduction approaches are done using the laminar sidewall quenching (SWQ) configuration, at which one branch of a V-flame comes in contact with a water-cooled wall. A central finding of the work is that the unexpected high CO concentrations near the wall, that were described in literature, result from diffusion fluxes. While the flamelet-generated-manifold (FGM) model can reproduce the global flame structure, significant deviations occur regarding the prediction of CO. An analysis revealed that nonphysical model assumption regarding enthalpy gradients were responsible for the deviations. A further analysis showed that rough estimations of the real enthalpy gradients, as are used in the context of the reaction-diffusion-manifold (REDIM) model, already lead to significantly better CO prediction results. The new reduced chemistry model, that is developed in this work, is based on chemistry tabulation. Thereby the chemical states that occur in a quenched flame are pre-calculated and mapped on controlling variables. In comparison to the FGM and the REDIM model the CO mass fraction is used as an additional controlling variable. This enabled to account for enthalpy gradients. As a result the new model provided a higher prediction accuracy regarding CO compared to the REDIM and the FGM model. A further analysis confirmed that the improvement was due to the feedback enabled by the additional controlling variable, which captures additional physical effects.English
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