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Entwicklung und Reduktion von Reaktionsmechanismen: Aufbau eines hierarchisch, strukturierten Reaktionsmodells auf der Basis von Sub-Mechanismen für die Modellierung von Verbrennungsvorgängen



Sowohl die Entwicklung von Modellbrennstoffen als auch von PAK- oder Rußbildungsmodellen erfordern detaillierte chemische Reaktionsmodelle aller beteiligten Brennstoffe und deren Reaktionsprodukte. Erst auf der Basis dieser detaillierten Mechanismen, die den gesamten Parameterbereich technischer Verbrennungssysteme abdecken, können die für den Einsatz in numerischen Berechnungsverfahren notwendigen reduzierten Modelle entwickelt werden.

 Abb. 1: Diagramm zur Erstellung eines global reduzierten Mechanismus
zum Bild Abb. 1: Diagramm zur Erstellung eines global reduzierten Mechanismus

Der momentane Schwerpunkt unserer Arbeiten liegt in der Entwicklung von chemisch kinetischen Reaktionsmechanismen, die die Modellierung von Wärmefreisetzung und Schadstoffbildung in Gasturbinenbrennkammern beschreiben. Das Entwicklungsprinzip dieser Mechanismen ist in Abb.1 zu sehen. Das in sich stimmige Reaktionsmodell mit den Submodellen von H2, CO, CH4, CH3OH, C2H4, C2H5OH, C7H8, cy-C6H12, n-C7H16, i-C8H18 and n-C10H22 basiert auf:

  • Der Verwendung von nur sehr gut validierten thermo-chemischen Daten
  • einer hierarchischen Molekül- und Reaktionsstruktur
  • und einer fortlaufender Adaptierung, Validierung und Optimierung der kinetischen Eigenschaften der verschiedenen Kohlenwasserstoffe.

Das entwickelte Reaktionsmodell beschreibt die Wärmefreisetzung, Zündverzugzeit und Flammengeschwindigkeit sowie die PAK-Bildung (siehe Rußbildung) für jeden einzelnen der oben genannten Kohlenwasserstoffe so wie für deren Mischungen, Abb. 2 und 3.

 Abb. 2: Zündverzugszeit von n-C<sub>7</sub>H<sub>16</sub>-Luft ; Φ=1,0
zum Bild Abb. 2: Zündverzugszeit von n-C7H16-Luft ; Φ=1,0
 Abb. 3: Laminare Flammengeschwindigkeiten von Methan mit Luft und Sauerstoff-Helium-Gemisch bei Raumtemperatur und einem Druck von 10 bar
zum Bild Abb. 3: Laminare Flammengeschwindigkeiten von Methan mit Luft und Sauerstoff-Helium-Gemisch bei Raumtemperatur und einem Druck von 10 bar

Das Programm RedMaster wurde entwickelt um große Reaktionsschemen automatisch zu Skeletal-Mechanismen zu reduzieren, ohne ihre Vorhersagefähigkeit zu vermindern.

Das Programm RedMaster eliminiert jene Spezies und Reaktionen, die für alle zu modellierenden Randbedingungen übereinstimmend als unwichtig identifiziert wurden. Dieses Programm ist in der Lage selbständig:

zum Bild
  • CHEMKIN Rechnungen für Zündverzugszeiten für eine Sammlung von Anfangsbedingungen automatisch zu starten
  • die notwendigen Arten der Sensitivitätsanalysen auszuwählen und die entsprechenden Sentitivitätskoeffizienten zu berechenen
  • automatisch alle notwendigen Zeitpunkte für eine derartige Sensitivitätsanalyse zu bestimmen
  • die unwichtigen Reaktionen und Spezies aller gemeinsam ausgewerteten Zeitpunkte auszuwählen
  • Informationen über alle unwichtigen Reaktionen und Spezies für alle ausgewählten Modellierungsbedingungen zu sammeln
  • Reaktionen und Spezies des Modells, die bei allen simulierten Bedingungen als unwichtig identifiziert wurden, zu eliminieren
  • nach der Eliminierung einen direkt verwendbaren reduzierten Mechanismus zu erstellen




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