In den letzten Jahrzehnten hat die numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics) zunehmende Bedeutung auf dem Gebiet der Verbrennungsvorgänge von nicht-vorgemischten Flammen, zu denen die Pool-/Tankflammen zählen, erlangt. Durch Lösung der Erhaltungsgleichungen für Impuls, Energie und Speziesmassen an mehreren Millionen diskreten Punkten eines Berechnungsgitters, das die Geometrie des modellierten Systems wiedergibt, können u. a. transiente und zeitlich-gemittelte Größen wie z. B. Flammentemperaturen, Flammengasdichten, Strömungsgeschwindigkeiten und Spezieskonzentrationen an jedem Ort in einer Flamme vorhergesagt werden. Durch Kombination von CFD Simulationen und Messergebnissen der holographischen real-time Interferomtrie unter Berücksichtigung der gaschromatographischen Messung stabiler Spezies (Moleküle), können CFD Submodelle verifiziert und validiert werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine Large-Eddy-Simulation (LES) einer Hexan Tankflamme mit einem Durchmesser von 50 mm durchgeführt. Für einen kritischen Vergleich der CFD Simulation mit Experimenten werden radiale und axiale Temperatur-, Spezieskonzentrations-, Brechzahl- und Dichteprofile sowie Profile der Interferenzstreifenordnung herangezogen. Mit einer neuartigen Methode konnten erstmals Interferogramme mit der CFD Simulation vorhergesagt werden, die direkt mit den experimentellen Interferogrammen verglichen werden können. Die Ergebnisse von CFD Simulation und Experiment zeigen durchweg eine gute Übereinstimmung, so dass eine Verifizierung der verwendeten CFD Submodelle erfolgt. Für einen ausreichend genauen Vergleich zwischen Simulation und Experiment bezüglich Interferogrammen musste ein digitales Auswertungsverfahren der experimentell ermittelten Interferogramme entwickelt werden. Hiermit lassen sich die CFD-vorhergesagten radialen Profile der Interferenzstreifenordnung mit den gemessenen Profilen direkt vergleichen. Für die Vorhersage von Interferogrammen und für die Ermittlung von Flammentemperaturen aus den experimentellen Interferogrammen sind insbesondere die Spezieskonzentrationen im Flammengasgemisch von großer Bedeutung. Daher wurde der Konzentrationseinfluss der einzelnen Spezies auf die Flammentemperaturen untersucht. Hierzu werden unterschiedliche Annahmen der Spezieszusammensetzung getroffen und deren Einfluss auf die Ermittlung der Flammentemperaturen diskutiert.
Autorentext
Dr. Markus Gawlowski wurde am 1980 in Heidelberg geboren. Nach Abschluss des Abiturs und Grundwehrdiensts studierte er von 2000 bis 2005 Verfahrenstechnik (mit Schwerpunkt Prozess- und Anlagentechnik) an der Hochschule Mannheim. Im Rahmen des Studiums absolvierte er u. a. einen 8-monatigen Auslandsaufenthalt bei der Firma Huntsman Corp. in den USA. Nach Abschluss der Diplomarbeit mit dem Titel "Modellierung großskaliger offener Verbrennung flüssiger Brennstoffe mit der numerischen Strömungssimulation" am Institut für Prozess- und Strömungssimulation wechselte er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an die Universität Duisburg-Essen. Von 2005 bis 2009 promovierte er am Lehrstuhl für Technische Chemie I von Herrn Prof. Dr. Axel Schönbucher auf dem Gebiet der numerischen Simulationen von reaktiven Strömungen. Dr. Markus Gawlowski war als Mitautor an insgesamt 7 Publikationen in referierten Fachzeitschriften beteiligt und war Vortragender an den renommierten SANDIA National Laboratories, USA sowie an der University of Utah, USA. Seit November 2009 ist er als Referent Technisches Projektmanagement bei der K+S Aktiengesellschaft in Kassel angestellt.
Klappentext
In den letzten Jahrzehnten hat die numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics) zunehmende Bedeutung auf dem Gebiet der Verbrennungsvorgänge von nicht-vorgemischten Flammen, zu denen die Pool-/Tankflammen zählen, erlangt. Durch Lösung der Erhaltungsgleichungen für Impuls, Energie und Speziesmassen an mehreren Millionen diskreten Punkten eines Berechnungsgitters, das die Geometrie des modellierten Systems wiedergibt, können u. a. transiente und zeitlich-gemittelte Größen wie z. B. Flammentemperaturen, Flammengasdichten, Strömungsgeschwindigkeiten und Spezieskonzentrationen an jedem Ort in einer Flamme vorhergesagt werden. Durch Kombination von CFD Simulationen und Messergebnissen der holographischen real-time Interferomtrie unter Berücksichtigung der gaschromatographischen Messung stabiler Spezies (Moleküle), können CFD Submodelle verifiziert und validiert werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine Large-Eddy-Simulation (LES) einer Hexan Tankflamme mit einem Durchmesser von 50 mm durchgeführt. Für einen kritischen Vergleich der CFD Simulation mit Experimenten werden radiale und axiale Temperatur-, Spezieskonzentrations-, Brechzahl- und Dichteprofile sowie Profile der Interferenzstreifenordnung herangezogen. Mit einer neuartigen Methode konnten erstmals Interferogramme mit der CFD Simulation vorhergesagt werden, die direkt mit den experimentellen Interferogrammen verglichen werden können. Die Ergebnisse von CFD Simulation und Experiment zeigen durchweg eine gute Übereinstimmung, so dass eine Verifizierung der verwendeten CFD Submodelle erfolgt. Für einen ausreichend genauen Vergleich zwischen Simulation und Experiment bezüglich Interferogrammen musste ein digitales Auswertungsverfahren der experimentell ermittelten Interferogramme entwickelt werden. Hiermit lassen sich die CFD-vorhergesagten radialen Profile der Interferenzstreifenordnung mit den gemessenen Profilen direkt vergleichen. Für die Vorhersage von Interferogrammen und für die Ermittlung von Flammentemperaturen aus den experimentellen Interferogrammen sind insbesondere die Spezieskonzentrationen im Flammengasgemisch von großer Bedeutung. Daher wurde der Konzentrationseinfluss der einzelnen Spezies auf die Flammentemperaturen untersucht. Hierzu werden unterschiedliche Annahmen der Spezieszusammensetzung getroffen und deren Einfluss auf die Ermittlung der Flammentemperaturen diskutiert.
Zusammenfassung
In den letzten Jahrzehnten hat die numerische Stromungssimulation (Computational Fluid Dynamics) zunehmende Bedeutung auf dem Gebiet der Verbrennungsvorgange von nicht-vorgemischten Flammen, zu denen die Pool-/Tankflammen zahlen, erlangt. Durch Losung der Erhaltungsgleichungen fur Impuls, Energie und Speziesmassen an mehreren Millionen diskreten Punkten eines Berechnungsgitters, das die Geometrie des modellierten Systems wiedergibt, konnen u. a. transiente und zeitlich-gemittelte Groen wie z. B. Flammentemperaturen, Flammengasdichten, Stromungsgeschwindigkeiten und Spezieskonzentrationen an jedem Ort in einer Flamme vorhergesagt werden. Durch Kombination von CFD Simulationen und Messergebnissen der holographischen real-time Interferomtrie unter Berucksichtigung der gaschromatographischen Messung stabiler Spezies (Molekule), konnen CFD Submodelle verifiziert und validiert werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine Large-Eddy-Simulation (LES) einer Hexan Tankflamme mit einem Durchmesser von 50 mm durchgefhrt. Fr einen kritischen Vergleich der CFD Simulation mit Experimenten werden radiale und axiale Temperatur-, Spezieskonzentrations-, Brechzahl- und Dichteprofile sowie Profile der Interferenzstreifenordnung herangezogen. Mit einer neuartigen Methode konnten erstmals Interferogramme mit der CFD Simulation vorhergesagt werden, die direkt mit den experimentellen Interferogrammen verglichen werden knnen. Die Ergebnisse von CFD Simulation und Experiment zeigen durchweg eine gute bereinstimmung, so dass eine Verifizierung der verwendeten CFD Submodelle erfolgt. Fr einen ausreichend genauen Vergleich zwischen Simulation und Experiment bezglich Interferogrammen musste ein digitales Auswertungsverfahren der experimentell ermittelten Interferogramme entwickelt werden. Hiermit lassen sich die CFD-vorhergesagten radialen Profi…