Detailed and Reduced Kinetic Mechanisms in Low-Emission Combustion Processes

Autor(en): Honnet, Sylvie Aachen, 11. Oktober 2007 Seiten: 148 Auflage: 1 Sprache: EN ISBN-10: 386727391X ISBN-13: 9783867273916 Zugeordnete Fachbereiche: Ingenieurwissenschaften Kategorie: Dissertation Bezugsmöglichkeiten Print Version 23,00 € 19,55 € In den Warenkorb eBook (2809.9 kB) 23,00 € In den Warenkorb

Kurzbeschreibung

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Anwendung des Representative Interactive Flamelet (RIF) Modells mit detaillierter und reduzierter Kinetik zur Beschreibung von Verbrennungsprozessen mit niedrigen Schadstoffemissionen. Chemische kinetische Reaktionsmechanismen werden entwickelt. Hinsichtlich der Anwendung dieser Mechanismen in der numerischen Simulation von Verbrennungsprozessen wird insbesondere die Beschreibung der Stickoxidbildung berücksichtigt.

Nach einer Einführung in die Thematik stellt Kapitel 2 die Erhaltungsgleichungen, die Beschreibung der turbulenten Strömungs- und Mischungsfelder vor. Das Flamelet Modell und das RIF-Konzept werden beschrieben: die chemische Reaktionskinetik wird von der Strömungsdynamik isoliert betrachtet. Es wird durch die Annahme der Existenz einer sehr dünnen Flammenschicht ermöglicht, in der die chemischen Prozesse ablaufen. Diese auch in turbulenten Strömungen als laminar betrachtete Flammenschicht wird Flamelet
genannt. Die Berechnung der Zündung, Wärmefreisetzung und Stickstoffbildung mit detaillierter Kinetik wird dadurch ermöglicht.

In Kapitel 3 wird ein Modell zur Berechnung dreidimensionaler Verbrennungsvorgänge vorgestellt. Es basiert auf dem Flamelet Modell. Zur Berücksichtigung der Stickoxid-Bildung ist die Betrachtung der Verbrennung als instationärer Prozess von besonderer Bedeutung. Dies wird durch die Verwendung instationärer Flamelets ermöglicht. Die Flamelets werden interaktiv mit dem Strömungslöser jeweils repräsentativ für einen
bestimmten Weg von Partikeln durch die Brennkammer berechnet. Der statistische
Weg der Fluid-Partikel durch die Brennkammer wird mit Euler'schen
Transportgleichungen beschrieben.

In Kapitel 4 werden chemische Reaktionsmechanismen erstellt und durch Vergleich mit experimentellen Ergebnissen validiert. Besonders Augenmerk wird auf den Methan-Mechanismus mit Berücksichtigung der Stickoxid-Bildung gelegt. Dieser Mechanismus wird anhand Stationnaritätsannahmen reduziert. Zusätzlich werden ein Pyrolyse- und Abbrand-Modell vorgestellt, die bei der Simulation der Kohleverbrennung in Kapitel 5 angewendet werden.

In Kapitel 5 werden Simulationsergebnisse für zwei unterschiedlichen Konfigurationen mit experimentellen Daten verglichen. Bei der MILD-Brennkammer wird die Stickoxid-Bildung unter Anwendung der in Kapitel 4 vorgestellten detaillierten und reduzierten Kinetik untersucht. Das Eulerian Particle Flamelet Modell wird ergänzt und bei der Simulation der Gasphase während der Kohleverbrennung angewendet. Auf Basis der Ergebnisse wird gezeigt, dass das mit detaillierter und reduzierter Kinetik gekoppelte Flamelet Modell in der Lage ist, Verbrennungsprozesse mit niedrigen Schadstoffemissionen zu modellieren.

Description

The aim of this work is the application of the Representative Interactive Flamelet (RIF) model with detailed and reduced kinetics to describe the combustion processes with low-emission. Chemical kinetic reaction mechanisms are developed. Regarding the application of these mechanisms in the numerical simulation of combustion processes, the description of the formation of nitrous oxide is particularly taken into account.

After the introduction in the topic, chapter 2 presents the conservation equations and the description of the turbulent flow and mixing field. The flamelet model and the RIF-concept are described: the chemical reaction kinetics is separately considered from the flow dynamics. This is possible due to the assumption of the existence of a very thin flame layer, in which the chemical processes take place. This flame layer, also considered as laminar in turbulent flows, is called flamelet. The calculation of the ignition, heat release and formation of nitrogen oxide with detailed kinetics is then possible.

In chapter 3, a model for the calculation of three-dimensional combustion processes is presented. It is based on the flamelet model. To describe the formation of nitrous oxide, the consideration of the combustion as an unsteady process is very important. This is possible thanks to the use of unsteady flamelets. The flamelets are calculated interactive with the flow solver, each representative for a pathway of particle through the combustion chamber. The statistical way of fluid particle through the combustion chamber is described by the eulerian transport equations.

In chapter 4, a chemical reaction mechanism is developed and validated with comparison with experimental results. Special attention is paid to the methane mechanism with consideration of nitrous oxide formation. This mechanism is reduced with steady-state assumptions. Furthermore, a pyrolysis and burnout model are presented, which are used for the simulation of the coal combustion in chapter 5.

In chapter 5, simulation results for two different configurations are compared to experimental data. In the MILD combustion chamber, the formation of nitrous oxide is investigated with the use of the detailed and reduced kinetics presented in chapter 4. The Eulerian Particle Flamelet model is completed and used for the simulation of the gaseous phase during the coal combustion. Based on the results, it is shown that the flamelet model, coupled with the detailed and the reduced kinetics, is able to model low-emission combustion processes.

Keywords

Kinetic Mechanisms, Comustion Processes.