Chemische Reaktionsmechanismen zur numerischen Simulation des Verbrennungsverhaltens vieler Brennstoffe, wie z.B. von Prozessgasen aus Kohle- und Biomassevergasung oder von Erdgas unterschiedlicher Qualität, sind derzeit nur unzureichend verfügbar, geht es um die Optimierung des in der Brennkammer ablaufenden Verbrennungsprozesses, insbesondere für Fragestellungen zu Flammenstabilität, Zündbereich und Verlöschgrenzen. Vor allem für höhere Brennkammer- oder Zylinderdrücke (Gasturbinen bzw. Motoren) existieren oft überhaupt keine validierten Reaktionsmechanismen. Deshalb muss die Validierung solcher Reaktionsmodelle sowohl in Hinblick auf die Wärmefreisetzung durch Messung der Flammengeschwindigkeit und des Selbstzündverhaltens, als auch durch chemische Analyse der wesentlichen Komponenten, die am Reaktionsablauf beteiligt sind, durchgeführt werden. Übergeordnetes Ziel unserer Aktivitäten ist die Entwicklung und Verbesserung chemisch-kinetischer Reaktionsmodelle zur rechnerischen Simulation des Verbrennungsablaufs bei stationärer und instationärer Verbrennung (z. B. in der Gasturbinenbrennkammer oder im Motor).
Die Messung laminarer Flammengeschwindigkeiten wird an einer Hochdruck-Brenner-Apparatur für Drücke bis 30 bar durchgeführt. Zündverzugszeiten bis zu ca. 25 msec können in einem Hochdruck-Stosswellenrohr gemessen werden. Ein Einzelpuls-Stosswellenrohr mit entsprechender Probeaufnahmetechnik, das als idealer Hochtemperatur-und Hochdruckreaktor betrachtet werden kann, liefert die notwendigen experimentellen Daten zur Analyse des Reaktionsmechanismus im gewünschten Temperatur-, Druck- und Mischungsbereich.
Die experimentell abgesicherten Reaktionsmechanismen können für komplexe Brennstoffe, wie z. B. Kerosin oder Diesel, bis zu tausend Einzelreaktionen umfassen und sind daher nicht geeignet für die Modellierung des in der Brennkammer, im Motor oder in einer Betriebsanlage ablaufenden Gesamtprozesses. Durch Einsatz unterschiedlicher Reduktionsstrategien können für einen definierten Einsatzbereich (Druck, Temperatur, Mischung) stark reduzierte Reaktionsmodelle, die im Extremfall nur einige wenige Spezies und wenige globale Reaktionen umfassen, erstellt werden.
Reale Brennstoffe
Bisher wurden verschiedene umfangreiche Reaktionsmechanismen für die Brennstoffe Methan, Erdgas, n-Heptan, n-Dekan, cyclo-Hexan, sowie ein Kerosinmodellbrennstoff, der aus einer Mischung von n-Dekan, cyclo-Hexan und Toluol besteht, auf ihre Eignung zur Beschreibung der Wärmefreisetzung anhand des Vergleichs mit gemessenen laminaren Flammengeschwindigkeiten für verschiedene Äquivalenzverhältnisse untersucht.
Für Methanflammen ergeben die Modellrechnungen mit einem Standardmechanismus gute Übereinstimmung mit den Messwerten im Druckbereich bis 100 bar für Luftzahlen von 1,0 bis 1,4 und Vorwärmtemperaturen bis 573 K.
Ein n-Dekan-Mechanismus (von CNRS Orleans) reproduzierte gemessene laminare Flammengeschwindigkeiten von Kerosin-Luft-Flammen zufriedenstellend.
Eine Analyse der Reaktionspfade gibt Aufklärung über den Einfluss der chemischen Sub-Modelle.