Koordinator: Dr. Klaus-Peter Geigle
Im EU Projekt FIRST (Fuel Injector Research for Sustainable Transport, FP7/n265848) wurde mittels laserbasierter Diagnostik ein umfassender Datensatz unter halbtechnischen Bedingungen erzeugt, der zu Validierungszwecken für Rußmodelle genutzt wird. Das Untersuchungsobjekt ist ein Doppeldrallbrenner, der bei erhöhtem Druck mit Ethylen als Brennstoff betrieben wird. Dieser Datensatz enthält Informationen zum Strömungsfeld, zur Temperatur und Rußverteilung sowie zur Verteilung von OH und Polyzyklischen Aromaten (PAK) für verschiedene Brennereinstellungen.
Zur Simulation der Rußbildung wurde ein für CFD-Simulationen sehr komplexes PAK- und Rußmodell entwickelt. Darin werden die Rußvorläufer (PAKs) und der Ruß in Größenklassen unterteilt, für welche Transportgleichungen zu lösen sind. Effekte wie Acetylen-Anlagerung, Agglomeration und Oxidation werden berücksichtigt. Das Modell wurde so entwickelt, dass es sowohl bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen (fett, mager, vorgemischt, nicht vorgemischt, hoher, atmosphärischer Druck) als auch bei unterschiedlichen Brennstoffen gute Ergebnisse erbringt; es gibt also keine testfallabhängige Parameteranpassung. Als Herausforderung für Simulationen des Doppeldrallbrenners stellt sich die Rezirkulation von heißem Abgas mit teilweise unverbrannten Komponenten dar, sowie die Einbeziehung zusätzlicher Oxidationsluft, die stromab der primären Verbrennungszone eingedüst wird.
Von besonderem Wert zum Verständnis der Rußbildung ist die simultane Bestimmung verschiedener Kenngrößen, um Korrelationen zu bilden. Mittels einer derartigen Kombination konnte gezeigt werden, dass OH und Ruß nicht koexistieren; Rußfilamente belegen die Regionen, die OH-frei sind (Abbildung 1). Die entsprechenden gerechneten Verteilungen, in der Abbildung rechts, stimmen mit den experimentellen gut überein.
Weitere interessante Aufschlüsse ergeben sich aus der Gegenüberstellung der Rußvorläufer PAK mit dem Endprodukt Ruß (siehe Abbildung 2). Die Rußverteilung ändert sich bei Zugabe von Oxidationsluft grundsätzlich; der Testfall ohne Oxidationsluft (links) zeigt weit verteilte Rußfilamente (gelb-orange dargestellt), bei Zugabe von Oxidationsluft (rechts dargestellt) finden sich dagegen nur sehr kompakte Rußfetzen nahe von PAK-Wolken (blau-grün).