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Entwicklung numerischer Methoden zur Anwendung von detaillierter Chemie in komplexen Verbrennungssystemen

Meier, Thorsten :
Entwicklung numerischer Methoden zur Anwendung von detaillierter Chemie in komplexen Verbrennungssystemen.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6038]
Technische Universität Darmstadt , Darmstadt
[Dissertation], (2016)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6038

Kurzbeschreibung (Abstract)

Bei der Auslegung von technischen Verbrennungsprozessen ist es hilfreich und notwendig, die Einzelheiten des Prozesses in ihren Grundlagen bzw. Grundzügen zu verstehen. Die Anwendung von Strömungssimulationen bietet neben den experimentellen Messungen eine weitere Möglichkeit, diese zu bewerten. Aufgrund der Komplexität von Verbrennungssystemen und den daraus resultierenden Anforderungen werden häufig vereinfachende Modelle zur Beschreibung verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden jedoch keine Modelle entwickelt, sondern numerische Methoden erweitert, um eine detaillierte Darstellung der Verbrennung mit Hilfe der Reaktionskinetik uneingeschränkt abzubilden. Diese Aufbereitung der Methodik bietet eine wichtige Grundlage um bspw. die oben erwähnten Verbrennungsmodelle hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und/oder Limitation bewerten zu können. Herausfordernd bei der Behandlung der detaillierten Reaktionskinetik sind vor allem numerische Aspekte. Diese ergeben sich aus der Steifigkeit des aufgestellten Differentialgleichungssystems. Um sämtliche Spezies adäquat auflösen zu können, muss eine feine räumliche wie auch zeitliche Diskretisierung vorgenommen werden. Daraus wiederum ergeben sich hohe numerische Kosten. Eine mögliche Strategie, dem entgegen zu wirken, ist die Verwendung eines semi-impliziten Verfahren wie es im Rahmen der vorliegenden Arbeit anhand der Rosenbrock-Methode skizziert wurde. Folgendes wurde in dieser Arbeit geleistet: Zunächst wurde die zugrunde liegende numerische Methodik hergeleitet und dargelegt. Dabei wurde der Fokus auf Zeitintegrationsverfahren gelegt. Für eine detaillierte Analyse verschiedener Methoden wurden zum einen ein generischer, mathematischer Fall betrachtet, zum anderen wurde ein fiktives chemisches System untersucht. Diese Vorarbeiten wurden für die Erarbeitung einer geeigneten Struktur zur Implementierung der Reaktionskinetik im CFD-Programmcode FASTEST3D verwendet. Hierfür wurde ein Verfahren vorgestellt, welches auf einer Subintegration der Reaktionskinetik beruht. Im Zuge einer sich anschließenden Verifikation wurden unterschiedliche Aspekte sowohl von Eigenschaften der abgebildeten Physik als auch der numerischen Charakteristika getestet. Ebenso konnte bei einem Vergleich von CHEMKIN-II mit Fastest die Leistungsfähigkeit des CDF-Codes bewertet werden. Des Weiteren wurde die Anwendung der Rosenbrock Methoden anhand von eindimensionalen Vormischflammen gezeigt. Es zeigte sich, dass diese Verfahren sowohl hinsichtlich der Genauigkeit als auch in Bezug auf die Rechenkosten den expliziten überlegen sind. Ein Vergleich zwischen dem Verbrennungsmodell Flamelet-Generated Manifold (FGM) und der detaillierten Chemie wurde ebenfalls angestellt. Auffällig ist der Unterschied zwischen FGM und DC der sich im chemischen Zustand in der Nähe einer kalten Wand ergab. Den Abschluss der Arbeit bilden konkrete Anwendungsfälle von Flammen. Hier wurde eine zweidimensionale Konfiguration einer Bunsen-Flamme gerechnet. Untersucht wurden Einflüsse der Gitterauflösung, die Berücksichtigung von Effekten nicht-adiabater Physik sowie Schadstoffbildung an kalten Wänden. Im Weiteren wurde die Wechselwirkung einer Flamme mit einem Wirbel untersucht. Bei der Simulation einer laminaren, draht-stabilisierten Vormischflamme wurde der Einfluss der Diffusionsbehandlung bewertet.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Meier, Thorsten
Titel: Entwicklung numerischer Methoden zur Anwendung von detaillierter Chemie in komplexen Verbrennungssystemen
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Bei der Auslegung von technischen Verbrennungsprozessen ist es hilfreich und notwendig, die Einzelheiten des Prozesses in ihren Grundlagen bzw. Grundzügen zu verstehen. Die Anwendung von Strömungssimulationen bietet neben den experimentellen Messungen eine weitere Möglichkeit, diese zu bewerten. Aufgrund der Komplexität von Verbrennungssystemen und den daraus resultierenden Anforderungen werden häufig vereinfachende Modelle zur Beschreibung verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden jedoch keine Modelle entwickelt, sondern numerische Methoden erweitert, um eine detaillierte Darstellung der Verbrennung mit Hilfe der Reaktionskinetik uneingeschränkt abzubilden. Diese Aufbereitung der Methodik bietet eine wichtige Grundlage um bspw. die oben erwähnten Verbrennungsmodelle hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und/oder Limitation bewerten zu können. Herausfordernd bei der Behandlung der detaillierten Reaktionskinetik sind vor allem numerische Aspekte. Diese ergeben sich aus der Steifigkeit des aufgestellten Differentialgleichungssystems. Um sämtliche Spezies adäquat auflösen zu können, muss eine feine räumliche wie auch zeitliche Diskretisierung vorgenommen werden. Daraus wiederum ergeben sich hohe numerische Kosten. Eine mögliche Strategie, dem entgegen zu wirken, ist die Verwendung eines semi-impliziten Verfahren wie es im Rahmen der vorliegenden Arbeit anhand der Rosenbrock-Methode skizziert wurde. Folgendes wurde in dieser Arbeit geleistet: Zunächst wurde die zugrunde liegende numerische Methodik hergeleitet und dargelegt. Dabei wurde der Fokus auf Zeitintegrationsverfahren gelegt. Für eine detaillierte Analyse verschiedener Methoden wurden zum einen ein generischer, mathematischer Fall betrachtet, zum anderen wurde ein fiktives chemisches System untersucht. Diese Vorarbeiten wurden für die Erarbeitung einer geeigneten Struktur zur Implementierung der Reaktionskinetik im CFD-Programmcode FASTEST3D verwendet. Hierfür wurde ein Verfahren vorgestellt, welches auf einer Subintegration der Reaktionskinetik beruht. Im Zuge einer sich anschließenden Verifikation wurden unterschiedliche Aspekte sowohl von Eigenschaften der abgebildeten Physik als auch der numerischen Charakteristika getestet. Ebenso konnte bei einem Vergleich von CHEMKIN-II mit Fastest die Leistungsfähigkeit des CDF-Codes bewertet werden. Des Weiteren wurde die Anwendung der Rosenbrock Methoden anhand von eindimensionalen Vormischflammen gezeigt. Es zeigte sich, dass diese Verfahren sowohl hinsichtlich der Genauigkeit als auch in Bezug auf die Rechenkosten den expliziten überlegen sind. Ein Vergleich zwischen dem Verbrennungsmodell Flamelet-Generated Manifold (FGM) und der detaillierten Chemie wurde ebenfalls angestellt. Auffällig ist der Unterschied zwischen FGM und DC der sich im chemischen Zustand in der Nähe einer kalten Wand ergab. Den Abschluss der Arbeit bilden konkrete Anwendungsfälle von Flammen. Hier wurde eine zweidimensionale Konfiguration einer Bunsen-Flamme gerechnet. Untersucht wurden Einflüsse der Gitterauflösung, die Berücksichtigung von Effekten nicht-adiabater Physik sowie Schadstoffbildung an kalten Wänden. Im Weiteren wurde die Wechselwirkung einer Flamme mit einem Wirbel untersucht. Bei der Simulation einer laminaren, draht-stabilisierten Vormischflamme wurde der Einfluss der Diffusionsbehandlung bewertet.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Energie- und Kraftwerkstechnik (EKT)
Hinterlegungsdatum: 09 Apr 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6038
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-60384
Gutachter / Prüfer: Janicka, Prof. Dr. Johannes ; Deutschmann, Prof. Dr. Olaf
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 14 Dezember 2016
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
When designing technical combustion processes, it is helpful and necessary to understand the details of the process in terms of its basic principles and features. Besides experimental determinations, the use of flow simulations provides another method of analyzing these. Due to the complexity of combustion systems and the requirements they entail, simplifying models are often used to describe the systems. For the purposes of this paper, however, no models were developed, but rather, numerical methods were expanded upon in order to provide an absolute detailed description of the combustion with the help of the reaction kinetics. This treatment of the methodology provides an important basis for the ability to evaluate, for example, the aforementioned combustion models with regard to their performance and / or limitation. The challenge in the treatment of the detailed reaction kinetics is posed foremost by the numerical aspects. These follow from the stiffness of the differential equation system. To ensure adequate dissolution of all species, a fine spatial and temporal discretization must be made. This, in turn, results in high numerical costs. One potential strategy to counteract this effect is the use of a semi-implicit method based on the Rosenbrock method as outlined in this paper. This research paper accomplished the following: First the underlying numerical methodology was derived and defined. In doing so, the focus was placed on time integration processes. For a detailed analysis of various methods, a generic, mathematical case was considered for one thing, and for another, a hypothetical chemical system was examined. This preliminary work was used to develop a suitable structure for the implementation of the reaction kinetics in the CFD program code FASTEST3D. For this purpose, a method was developed which is based on a sub-integration of the reaction kinetics. In the course of a subsequent verification, different aspects of both the properties of the depicted physics as well as the numerical characteristics were tested. Likewise, the performance of the CDF-code could be assessed in a comparison of CHEMKIN-II with Fastest. Furthermore, the use of the Rosenbrock methods was demonstrated using one-dimensional premixed flames. It was shown that these methods are superior to the explicit ones both in terms of accuracy and calculation costs. A comparison was also made between the combustion model Flamelet-Generated Manifold (FGM) and the detailed chemistry. Noticeable is the difference between FGM and DC exhibited in the chemical state near a cold wall. The dissertation is concluded with specific applications of flames, for which a two-dimensional configuration of a Bunsen flame was calculated. The influence of the lattice resolution, the allowance for the effects of non-adiabatic physics, and the formation of pollutants on cold walls was examined. In addition, the interaction of a flame with a vortex was studied. In the simulation of a laminar, wire-stabilized premixed flame, the impact of the diffusion treatment was analyzed.Englisch
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