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Inhalt des Projektbereichs A

Elementare Prozesse bei der instationären Verbrennung

 

Die Gemischbildung und Verbrennung in (direkteinspritzenden) Verbrennungsmotoren erfolgt grundsätzlich instationär. Die Verbrennungsprozesse in Gasturbinen und technischen Verbrennungseinrichtungen werden vielfach durch instationäre Phänomene bestimmt. Instationäre Phänomene sind auch Ursache wesentlicher technischer Probleme für fortschrittliche Verbrennungskonzepte. Die längerfristige Zielstellung dieses Sonderfor-schungsbereichs ist die Entwicklung eines grundlegenden Verständnisses von Verbrennung, chemischen Reaktionen, Stoff- und Wärmeübertragung sowie deren Kopplung in instationären Geschwindigkeits-, Temperatur- und Druckfeldern in ein-oder mehrphasigen Strömungen.

Die Verbrennung in instationären Geschwindigkeits-, Temperatur- und Druckfeldern in ein- oder mehrphasigen Strömungen beruht auf der komplexen Wechselwirkung einer Reihe von einzelnen Prozessen. Zum Entwickeln eines grundlegenden Verständnisses von instationärer Verbrennung werden im Projektbereich A einzelne, elementare Prozesse isoliert untersucht.

Solche elementaren Prozesse sind Effekte von „Nichtgleichgewichtskinetik“, elementar-kinetische Prozesse bei der Zündung von Kohlenwasserstoffen, Kopplung von instationärer Flammenausbreitung und Schadstoffbildung, Strahlausbreitungs- und Zündvorgänge an nichtstationären Brennstoffstrahlen und instationärer Wärmeübergang beim Auftreffen von Brennstoffstrahlen auf Wände. Die Teilprojekte zur Untersuchung dieser elementaren Prozesse in Projektbereich A sind in den vier Themenfeldern des Sonderforschungsbereichs

         1. Chemische Reaktionen in instationären Mischungs- und Druckfeldern,

         2. Instationäre Einspritzstrahlen und Verbrennung.

         3. Instationäre Filmströmung und Grenzschichten,

         4. Zünden, Löschen, instationäre Flammenausbreitung,  Thermoakustik gruppiert.

Projekt A1 beschäftigt sich mit Nichtgleichgewichtsreaktionskinetik, welche beim Zünden von homogenen Gemischen in einem weiten Druck- und Temperaturbereich eine wichtige Rolle spielt. Die Untersuchungen werden als Beispiel zunächst an Alkoxyl-Radikalen (CnH2n+1O) vorgenommen, die als Zwischenprodukte bei Zündungs-und Verbrennungsprozessen auftreten und deshalb eine Schlüsselrolle bei diesen Prozessen einnehmen. Die Eigenschaften von Alkoxy-Radikalen hängen wesentlich von ihrer Bildungsgeschichte ab. Alkoxy-Radikale, die durch verschiedene Prozesse ent-standen sind, wie z. B. durch Alkyl + Aldehyd, H + Alkohol oder O + Alkyl, unterscheiden sich  deutlich in ihrem Energieinhalt und somit auch in ihrer Reaktivität. Für die Reaktionen der Alkoxyradikale spielt die Konkurrenz zwischen intermolekularer stoßinduzierter Energieübertragung und intramolekularen chemischen Prozessen eine Rolle. Dies führt je nach Vorgeschichte zu einer komplizierten Druckabhängigkeit der relativen Produktsausbeuten. Nur ein grundlegendes Verständnis der miteinander konkurrierenden Prozesse kann zu einem kinetischen Modell führen, das für die Modellierung instationärer Verbrennung benötigt wird.

Reaktionskinetische Untersuchungen dienen auch im Projekt A2 einem besseren Verständnis von Zündverhalten und Selbstzündung großer Kohlenwasserstoffe. Bei Zündvorgängen entstehen durch die Pyrolyse des Brennstoffs kleine Radikale, deren Reaktionen neben den relativ gut bekannten Reaktionen des H2/O2Systems das Zündverhalten mitbestimmen. Bildung und Abbau ringförmiger, ungesättigter und im besonderen aromatischer Kohlenwasserstoffe sind jedoch nicht gut verstanden, weshalb diese Untersuchungen im Zentrum dieses Projektes stehen. Dabei gilt es, für bestimmte Modellsysteme, wie z. B. Naphthalin und Benzol (inkl. Derivate), mit verschiedenen Untersuchungsmethoden das Produktspektrum im Hinblick auf die Temperatur- und Druckabhängigkeit zu charakterisieren.

Aufbauend auf die reaktionskinetischen Untersuchungen in homogenen Mischungen (A1, A2) wird die Wechselwirkung chemischer Reaktionen mit der Mischung in inhomogenen Gemischen innerhalb der Projekte A3 und A4 untersucht.

In Projekt A3 wird die Selbstzündung in instationären Freistrahlen untersucht. Da die Selbstzündung in Freistrahlen sowohl von der Mischung als auch von der Reaktionskinetik gesteuert wird, werden in diesem Projekt die beiden Prozesse entkoppelt betrachtet (inerter Freistrahl und reaktiver Freistrahl). Für die experimentellen Untersuchungen sollen zwei weitgehend identische Apparaturen aufgebaut werden, bei denen durch eine Düse zeitlich kontrolliert ein Strahl aus Inertgas bzw. Brennstoff in ein vorgeheiztes Oxidationsmittel eingedüst wird. Hierbei werden Turbulenz, Form und Geschwindigkeit des Brennstoffstrahls variiert. Die Untersuchungen in der ersten Phase beschränken sich auf gasförmige aliphatische Brennstoffe. In einer späteren Phase soll auch aromatische Brennstoffe untersucht werden. In einem weiteren Teil des Projekts wird aus den experimentellen Ergebnissen mit Modellen für die Zündverzugszeit abgeschätzt, wo die Zündung des Freistrahls einsetzt. Schließlich werden Modellierungsansätze entwickelt, die eine Beschreibung der Mischung und Zündung erlauben. Hierbei werden Transportgleichungen für die zeitliche Evolution der gebundenen PDF's von Geschwindigkeit und Skalaren verwendet. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt liefern wichtige Information zum Verständnis der Zündung in direkteinspritzenden Motoren, die Gegenstand der Teilprojekte B2, C3, C4 ist.

Bei der Flammenausbreitung in inhomogenen Gemischen treten lokal fette und magere Bereiche auf, so daß die NO-Bildung sowohl von dem thermischen als auch von dem prompten Bildungsmechanismus dominiert werden kann. Der Einfluß einer solchen Ladungsschichtung in Verbindung mit dem breiten Druckbereich auf den Verbrennungsprozeß und insbesondere auf die NO-Schadstoffbildung ist nicht ausreichend verstanden. Dies liegt  darin begründet, daß zum einen der Mechanismus der prompten NO-Bildung und die Geschwindigkeitskonstanten der zugrundeliegenden Elementarreaktionen nicht ausreichend genau bekannt sind. Zum anderen beruhen die Abschätzungen der Reaktionswege auf einfachen Modellierungsannahmen, die die tatsächlichen Prozesse in Systemen mit Ladungsschichtung nur bedingt beschreiben können. In Teilprojekt A4 , das sich mit der Entstehung von Prompt NO bei modernen Verbrennungsmotoren (Direkteinspritzung) unter Bedingungen der Ladungsschichtung befasst, soll deswegen die NO-Bildung über die CH-Radikale im wichtigen Temperaturbereich von 1000 bis 2000 K untersucht werden. Die experimentellen Arbeiten umfassen sowohl Stoßwellenrohrversuche als auch Messungen von NO- und CH- Konzentrationen in Flammen mit Ladungsschichtung Diese Untersuchungen werden im Hinblich auf DI-Motoren unternommen, da direkte Messungen an DI-Motoren nicht vorgenommen werden. Abschließend soll anhand der Modellierung gezeigt werden, welche Reaktionsschritte wichtig bei der Bildung des prompt-NO sind und deswegen weiterführend untersucht werden sollten.

Der Einfluss von zeitabhängigen Störungen des Mischungsfeldes auf Vormischflammen wird in Teilprojekt A5 experimentell und theoretisch durch hierarchisch aufeinander aufbauende Modelle untersucht. Die Störungen sollen die Flamme in einem so gewählten Frequenzbereich beeinflussen, dass deren Verhalten nicht durch eine quasistationäre Abfolge beschrieben werden kann. Durch die Zeitabhängigkeit des Problems werden Zwischenprodukte der Verbrennungsreaktion Bedingungen ausgesetzt, die im stationären Fall nicht vorzufinden sind. Die daraus entstehenden Konsequenzen für die Topologie und Detailstruktur der Flamme sind Gegenstand der Untersuchungenin A5.

Um die turbulente Mischung zu erfassen, ist es notwendig den Dissipationsprozess der Turbulenz genau genug zu beschreiben. Deswegen soll im beantragten SFB innerhalb des A-Projektbereichs verstärkt mit LES die Turbulenzstruktur des Strömungsfeldes beschrieben werden. Innerhalb des Projektes A6 wird dies für Drallströmungen, wie sie in pilotierten Vormischflammen auftreten, unternommen. Dabei interessiert insbesondere der Entstehungsmechanismus von kohärenten großskaligen Wirbeln, die für die Entstehung von Verbrennungsinstabilitäten von Bedeutung sind. Mit der in Projekt A6 zu entwickelnden Simulationsmethode sollen die experimentellen Ergebnisse von Projekt C1, das die Untersuchung zur Schwingungsneigung pilotierter Vormischflammen zum Gegenstand hat, interpretiert werden.

Darüber hinaus wird die Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Reaktionskinetik in Projekt A9 anhand der instationären Flammenausbreitung in einem Kanal experimentell

erfasst. Die experimentellen Untersuchungen erstrecken sich über die Erfassung der turbulenten Brenngeschwindigkeit, die als Input für die Projekte C1 dient, und über die Ermittlung der Topologie der Flamme zu verschiedenen Zeitpunkten mit optischen Messmethoden. Diese Untersuchungen, dienen als Grundlage für die spätere Modellierung der instationären Flammenausbreitung mit der Simulationsmethode, die in A6 entwickelt wird.

Das Problem der instationären Grenzschichten wird in A7 behandelt. In Projekt A7 soll anhand experimenteller und theoretischer Untersuchungen das Schwingungsverhalten der Rauchgassäule in einer gedämpften Brennkammer vom Helmholtz-Resonator-Typ untersucht werden. Ziel ist hierbei, die Vorausberechnung des im wesentlichen grenzschichtbedingten Dämpfungsmaßes in Abhängigkeit der Temperatur mit Hilfe von LES zu bewerkstelligen. Das durch LES ermittelte Dämpfungsmaß kann dann in ein Gesamtmodell der Gassäulenschwingung integriert werden und durch ein regelungstechnisches Stabilitätskriterium zur Vorhersage von Verbrennungsinstabilitäten herangezogen werden.

Die Teilprojekte des Projektbereichs A sind untereinander, über die Themenfelder sowie mit den anderen Projektbereichen verzahnt: Die Teilprojekte A1, A2 und A4 beschäftigen sich mit der Kinetik und den Mechanismen von Zündungs- und Verbrennungsprozessen unter transienten Druck-Temperatur und Konzentrationsverhältnissen. Teilprojekte, die kinetische Daten für die Modellierung von Verbrennungsvorgängen benötigen, profitieren von diesen Teilprojekten (A3, Projektbereich B: B5). Die Messungen von Zünd- und Verbrennungsprozessen oder der Schadstoffbildung (A3, B1, C3, C4) liefert Validierungsfälle für A1, A2 und A4. Die gleiche Wechselwirkung zwischen Experiment und Modellierung bzw. numerischer Simulation besteht zwischen den Teilprojekten A6, A7 und C1, in denen jeweils bestimmte, zu periodischen Instabilitäten neigende Strömungskonfigurationen mit LES numerisch simuliert werden. Für die Spray-Bildung, Wechselwirkung Sprühstrahl-Wand, Spray-Verdampfung, Wärmeübertragung unter transienten Bedingungen ist mit den Teilprojekten B4, und C3 ein analoger Zusammenhang gegeben. Die Untersuchungen zur instationären Wärmeübertragung liefern Daten, die zur Modellentwicklung in den anderen Projekten notwendig sind. Instationäre Flammenausbreitung, Einfluß der Verbrennung auf die Strömungsturbulenz, Teilprojekte A9, liefert wichtige Ergebnisse für die Teilprojekte C1, und trägt wesentlich für die Modellbildung zur Beschreibung instationärer Verbrennung bei.