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



Die Entwicklung von Modellbrennstoffen erfordert detaillierte chemische Reaktionsmodelle aller beteiligten Brennstoffmoleküle und aller deren Zwischen- und Endprodukte. Erst auf der Basis dieser detaillierten Mechanismen, die den gesamten Parameterbereich technischer Verbrennungssysteme abdecken, können die für den Einsatz in numerischen Berechnungsverfahren notwendigen vereinfachten Modelle entwickelt werden.

 Abb. 1: DLR Reaktionsdatenbank
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Der momentane Schwerpunkt der Arbeiten liegt in der Entwicklung einer detaillierten, chemisch kinetischen Reaktionsdatenbasis, die die Modellierung von Wärmefreisetzung und Schadstoffbildung in Gasturbinenbrennkammern hinreichend genau beschreibt. Diese Datenbasis, mit der die Oxidation der verschiedenen gasförmigen und flüssigen Brennstoffe beschrieben werden kann weist eine Struktur auf, Abb.1. Das Entwicklungsprinzip dieser Datenbank basiert auf der kontinuierlichen Adaptierung, Validierung und Optimierung der reaktionskinetischen Beschreibung der Eigenschaften der verschiedenen Kohlenwasserstoffe, Abb.2. Die aktuelle Reaktionsdatenbank des DLR beinhaltet  ein in sich stimmiges Reaktionsmodell mit  Submodellen für H2, CO, CH4, CH3OH, C2H4, C2H5OH, C2H6, C3H8, nC4H10, C7H8, cy-C6H12, cyC9H18, n-C7H16, i-C8H18, n-C10H22, i- C10H22, i-C11H24, n-C12H26 und n-C16H34. Zusätzliche Submodelle beschreiben die Bildung von NOX und PAH. Dieses Reaktionsmodell beschreibt die Wärmefreisetzung, Zündverzugszeit und Flammengeschwindigkeit sowie die PAH-Bildung (siehe Schadstoffbildung) für jeden einzelnen der oben genannten Kohlenwasserstoffe sowie für technische Brennstoffe (repräsentiert durch Modellbrennstoffe bestehend aus Mischungen der einzelnen Kohlenwasserstoffe).

 Abb. 2: Entwicklungsprinzip des Reaktionsmechanismus
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Für die Anwendung in der CFD-Modellierung zur Auslegung von Brennkammern ist eine effiziente Reduktion dieser detaillierten Reaktionsmechanismen zwingend notwendig, welche die Entwicklung entsprechender mathematischer Methoden zwingend erforderlich macht. Die Entwicklungsstrategie für diese reduzierten Reaktionsmechanismen ist in Abb.3 dargestellt.

Die entwickelte Programme RedMaster und QSSGlob reduzieren automatisch die detaillierten Reaktionsschemata zu skeletalen Mechanismen (RedMaster) und weiter zu global reduzierten (QSSGlob) Mechanismen, ohne deren Vorhersagefähigkeit wesentlich zu vermindern. Das Programm RedMaster bestimmt und eliminiert unwichtige Reaktionen und Spezies auf Grund von Informationen, die zu verschiedenen, wichtigen Zeitpunkten von verschiedenen Reaktionsprozessen für alle ausgewählten Modellierungsbedingungen gewonnen werden. Das Programm QSSGlob produziert global reduzierte Reaktionen anhand einer Analyse der Zeitskalen von Verbrennungsprozessen. Mit diesen Werkzeugen werden so komplexe chemisch-kinetische Abläufe während der Brennstoffoxidation und -pyrolyse einer vorhersagefähigen numerischen Simulation zugänglich gemacht.

 Abb. 3: Die Strategie für Auslegung der reduzierten Reaktionsmechanismen
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