Dissertation CFD Simulation zur Vorhersage von Interferogrammen, Temperaturen und Spezieskonzentrationen in einer Hexanflamme - Markus Gawlowski - Technik - new ebooks

Deutsch   Seiten: 185   Erschienen: 2010

CFD Simulation zur Vorhersage von Interferogrammen, Temperaturen und Spezieskonzentrationen in einer Hexanflamme


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.

ISBN: 978-3-942109-17-8

Verlag: disserta Verlag

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• Markus Gawlowski - CFD Simulation zur Vorhersage von Interferogrammen, Temperaturen und Spezieskonzentrationen in einer Hexanflamme

	Zusammenfassung	IX
	Symbolverzeichnis	XVII
1	Einleitung und Aufgabenstellung	1
2	Grundlagen von Tankflammen	5
2.1	Grundlegende Flammentypen	5
2.2	Fluiddynamische Strukturen	7
2.3	Abbrandgeschwindigkeit und Massenabbrandrate	9
2.4	Flammenl¨ange und -kontur	13
2.5	Auftriebskr¨afte und Luft-Entrainment	16
2.6	Str¨omungsgeschwindigkeiten	18
2.7	Flammentemperaturen	20
2.7.1	Temperaturfelder in Flammen	20
2.7.2	Ermittlung von Flammentemperaturen	24
2.8	Spezieszusammensetzung der Flammengase	26
3	Holographische Interferometrie von Phasenobjekten	31
3.1	Real-time- und Doppelbelichtungsverfahren	31
3.2	Interferogramme	32
3.3	Abel Transformation	35
3.4	Gladstone-Dale-Gleichung	37
4	Experimentelles	41
4.1	Holographisches real-time Mach-Zehnder Interferometer	41
4.1.1	Mechanischer Aufbau	41
4.1.2	Optischer Aufbau mit neuartiger Abbildungsoptik	43
4.2	Gaschromatographische Untersuchungen	46
4.3	Thermoelement Messungen der Flammentemperaturen	47
4.4	Apparaturen zur Aufzeichnung und Digitalisierung von Interferogrammen	48
4.5	Labortank und Brennstoff	49
5 CFD	Simulation von Verbrennungsvorg¨angen	51
5.1	Erhaltungsgleichungen	51
5.1.1	Erhaltung der Gesamtmasse	51
5.1.2	Erhaltung der Speziesmassen	52
5.1.3	Erhaltung des Impulses	53
5.1.4	Erhaltung der Energie	54
5.2	Submodelle	56
5.2.1	Turbulenzmodelle	56
5.2.1.1	Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen (RANS)	58
5.2.1.2	Large-Eddy Simulation (LES)	61
5.2.1.3	Direkte numerische Simulation (DNS)	62
5.2.2	Verbrennungsmodelle	63
5.2.2.1	Eddy-Dissipations-Modell (EDM)	63
5.2.2.2	PDF-Transportmodell	65
5.2.2.3	FlameletModell	66
5.2.2.4	ILDMMethode	67
5.2.3	Konzept desMischungsbruchs	68
5.2.3.1	Transportgleichungen f¨ur den Mischungsbruch und die Varianz	71
5.2.3.2	Zusammenhang des Mischungsbruchs mit den Feldgr¨osen	72
5.2.3.3	Ber¨ucksichtigung der Turbulenz	73
5.2.3.4	Modellierung und L¨osungsprinzipien	74
5.3	Durchf¨uhrung der CFD Simulation	75
5.3.1	Geometrie- und Gittergenerierung	75
5.3.2	Anfangs- und Randbedingungen	79
5.3.3	Auswahl und Konfiguration der Submodelle	81
5.3.3.1	Turbulenzmodell	81
5.3.3.2	Verbrennungsmodell	82
5.3.4	Str¨omungsl¨oser (Solver)	82
6	Ergebnisse und Diskussion	85
6.1	Experimentelle Interferogramme der Hexanflamme	85
6.2	Simulation von Interferogrammen	87
6.3	Digitales Auswerteverfahren der Interferogramme	93
6.4	Vorhergesagte und gemessene Profile der Interferenzstreifenordnung	96
6.5	Vorhergesagte und gemessene Brechzahlprofile	98
6.6	Spezieskonzentrationsprofile	100
6.6.1	Vorhergesagte und gemessene radiale Spezieskonzentrationsprofile	100
6.6.2	Vorhergesagte und gemessene axiale Spezieskonzentrationsprofile	105
6.7	Profile der spezifischen Refraktion	108
6.7.1	Vorhergesagte und gemessene radiale Profile der spezifischen Refraktion	108
6.7.2	Vorhergesagte und gemessene axiale Profile der spezifischen Refraktion	111
6.8	Vorhergesagte und gemessene Dichteprofile	112
6.9	Vorhergesagte und gemessene Temperaturprofile	114
6.9.1	Fehleranalyse bei der Ermittlung von Flammentemperaturen aus Interferogrammen	119
6.9.2	Fehleranalyse bei der Ermittlung von Flammentemperaturen mit Thermoelementen	121
6.10	Einfluss der Spezieszusammensetzung auf die Flammentemperaturen	121
7	Folgerungen und Ausblick	127
	Literatur	131
	Anhang A	143
	Anhang B	147
	Publikationsliste	159
	Lebenslauf	163