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 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 vereinfachten Modelle entwickelt werden.

Abb. 1: Diagramm zur Erstellung eines global reduzierten Mechanismus

Der momentane Schwerpunkt der 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 sehr gut validierten thermo-chemischen Daten
• einer hierarchischen Molekül- und Reaktionsstruktur
• und einer kontinuierlichen Adaptierung, Validierung und Optimierung der reaktionskinetischen Beschreibung der Eigenschaften der verschiedenen Kohlenwasserstoffe.

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

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

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

• Rechnungen zu 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