Forschungsgebiete am ITT

Die Forschungsaktivität am ITT umfasst viele Aspekte von Verbrennungsvorgängen, sowohl im Bereich der angewandten Grundlagenforschung als auch für technische Verbrennungssysteme.

Aspekte wie Ressourcenschonung, zunehmende Verschärfung der Gesetzgebung bezüglich Schadstoffminimierung bei Verbrennungsprozesse, und ökonomische Kriterien bilden die Motivationen für die Forschungsaktivitäten des ITT um die meist übervereinfachten Modellannahmen für viele kinetisch kontrollierte Teilaspekte, wie z.B. Schadstoffbildung oder Turbulenz-Chemie Wechselwirkung, zu verbessern. Hierzu werden anhand von Detailexperimenten Submodelle entwickelt, die dann in technischen Anwendungen realistischere Vorhersagen (z.B. durch numerische Simulationen) erlauben.

Verbrennungsprozesse sind reaktive Strömungen, die durch ein komplexes Wechselspiel von Strömung, chemischer Reaktion und molekularem Transport gekennzeichnet sind. Sie lassen sich durch Lösung der zugrundeliegenden Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls, Energie und Speziesmassen (partielles Differentialgleichungssystem) numerisch modellieren. Die Modellierung technischer Verbrennungssysteme wird durch die Tatsache erschwert, dass sich die charakteristischen Zeit-, Längen- und Geschwindigkeitsskalen um mehrere Größenordnungen unterscheiden (Zeitskalen chemischer Reaktionen im Nanosekunden bis Sekunden-Bereich, Dicke von Flammenfronten kleiner als 1mm, Systemabmessungen u. U. mehrere Meter, usw.). Eine direkte numerische Simulation technischer Systeme unter Auflösung der kleinsten Skalen ist deshalb selbst mit den schnellsten vorhandenen Großrechnern nicht möglich. Deshalb werden hierarchische Modellierungsansätze verwendet, bei denen Ergebnisse der Simulation von Detailsystemen (z. B. von Wirbeln, die mit Flammenfronten wechselwirken) gezielt zur Entwicklung von Modellen zur Simulation technischer Systeme eingesetzt werden. Die Arbeiten am ITT umfassen deshalb die ganze Breite numerischer Simulation von Detailsimulationen bis zur Modellierung technischer Verbrennungssysteme.

Projektion der Trajektorien der chemischen Reaktion bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen und ihre Relaxation auf die intrinsische niedrig-dimensionale Mannigfaltigkeit, die einen Attraktor für die chemische Kinetik darstellt. Die Dimension des ursprünglichen Systems ist 90, dargestellt ist eine Projektion in den dreidimensionalen Raum der Konzentrationen von CO2, H2O und H2.

Nach einer sehr kurzen Relaxationszeit lässt sich die gesamte Dynamik durch zwei Variablen (Bewegung entlang der Fläche) beschreiben (Blasenbrey & Maas, 28th Symposium (International) on Combustion, zur Veröffentlichung angenommen (2000)).

Chemie der Verbrennung:

Die chemische Kinetik von Verbrennungsprozessen umfasst mehrere hundert chemische Spezies, die z. T. in mehreren tausend Elementarreaktionen reagieren. Insbesondere für eine zuverlässige Beschreibung kinetisch kontrollierter Prozesse, wie Schadstoffbildung, Zünd- und Löschprozesse ist eine genaue Kenntnis der zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen von Bedeutung. Am ITT werden deshalb detaillierte kinetische Modelle für Verbrennungsprozesse entwickelt. Eine direkte Verwendung dieser komplexen Mechanismen bei der Simulation technischer Verbrennungsprozesse ist jedoch wegen des enormen rechnerischen Aufwandes nicht möglich (für jede chemische Spezies muss eine eigene Erhaltungsgleichung gelöst werden). Deshalb werden die detaillierten Mechanismen basierend auf einem mathematischen Verfahren (Methode der intrinsischen niedrigdimensionalen Mannigfaltigkeiten, ILDM) so vereinfacht, dass sich die Kinetik in Abhängigkeit von einer kleinen Anzahl sogenannter Reaktionsfortschrittsvariablen beschreiben lässt. Nach einer Projektion auf die niedrigdimensionalen Mannigfaltigkeiten ergibt sich eine enorme Reduktion der Dimension des Systems von Erhaltungsgleichungen.

Zündprozesse:

Zündprozesse besitzen eine große Bedeutung in technischen Verbrennungssystemen. Beispiele sind Selbstzündungen im Endgas von Ottomotoren (Motorklopfen) oder in Kraftstoffsprays in Dieselmotoren, Funkenzündungen in Ottomotoren. Auch in der Sicherheitstechnik ist ein Verständnis von Zündgrenzen oder Mindestzündenergien von großer Relevanz. Bei Zündprozessen handelt es sich um transiente orts- und zeitabhängige Prozesse, die eine große Herausforderung an die Effizienz der numerischen Modellierungsverfahren stellen. Im Falle der Funkenzündung müssen zudem neben den Erhaltungsgleichungen für die reaktive Strömung zusätzliche Gleichungen für das elektromagnetische Feld gelöst werden.

Heterogene Verbrennungsprozesse:

Viele Verbrennungsprozesse laufen unter heterogenen Bedingungen ab. Beispiele sind der Koksabbrand bei der Kohlestaubverbrennung oder katalytische Verbrennungsprozesse, bei denen heterogene chemische Reaktionen an Katalysatoroberflächen zu berücksichtigen sind. Diese heterogenen Reaktionsprozesse umfassen, ebenso wie die Gasphasenkinetik, eine sehr große Anzahl von Elementarreaktionen. Auch hier werden deshalb reduzierte Reaktionsmechanismen entwickelt, die die heterogene Kinetik in Abhängigkeit von wenigen Reaktionsfortschrittsvariablen beschreiben und damit eine Simulation technischer Systeme ermöglichen.

Verbrennung von Tropfen und Sprays:

Die Verbrennung flüssiger Brennstoffe besitzt große praktische Bedeutung (z.B. im Dieselmotor, bei Ölfeuerungen oder in Raketentriebwerken). Die mathematische Modellierung wird zum einen dadurch erschwert, dass die Grenzflächen zwischen den einzelnen Phasen freie Ränder darstellen, zum anderen aber auch dadurch, dass in typischen Sprays die flüssige Phase dispers mit unterschiedlichen Tropfengrößen vorliegt, weshalb eine statistische Beschreibung des Sprays notwendig ist. Die Entwicklung statistischer Modelle für solche Mehrphasenprozesse ist ein weiterer Forschungsschwerpunkt am ITT.

Direkte numerische Simulation der Wechselwirkung eines turbulenten Strömungsfeldes mit einer Wasserstoff-Diffusionsflamme

links: Temperaturfeld, rechts: Projektion des Zustandsraumes in die Hyperebene der Massenbrüche von N2, H2O und H (Maas & Thévenin, 27th Symposium (International) on Combustion,The Combustion Institute, Pittsburgh, PA (1998)).

Direkte Numerische Simulation turbulenter Verbrennungsprozesse:

Üblicherweise werden technische Verbrennungssysteme unter Verwendung statistischer Turbulenzmodelle simuliert. Die Modelle bedürfen jedoch noch zahlreicher Verbesserungen. Deshalb werden am ITT direkte numerische Simulationen durchgeführt, bei denen turbulente Verbrennungsprozesse ohne Modellannahmen berechnet werden. Wegen des hohen rechnerischen Aufwandes sind solche Simulationen nur für sehr kleine räumliche Gebiete (typischerweise ccm) möglich. Durch Korrelationsanalysen lassen sich jedoch wertvolle Informationen zur Verbesserung der Modelle für die Turbulenz-Chemie Wechselwirkung erhalten.

Mathematische Modellierung technischer Verbrennungsprozesse:

Basierend auf den im Rahmen der Detailuntersuchungen (chemische Kinetik, Mehrphasenprozesse, direkte numerische Simulationen) gewonnenen Ergebnissen werden Simulationen technischer Verbrennungssysteme durchgeführt. Um eine zuverlässige Beschreibung der Kopplung zwischen chemischer Reaktion und turbulentem Strömungsfeld zu ermöglichen, werden statistische Modelle in Verbindung mit reduzierten Reaktionsmechanismen eingesetzt.

Bei dieser Methode wird das Reaktionssystem durch die gebundene Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion von Geschwindigkeit und Skalaren beschrieben, für die sich eine Transportgleichung herleiten lässt. Da in diese Transportgleichung (partielle Differentialgleichung) Geschwindigkeit, Energie, und Speziesmassen als unabhängige Variablen eingehen, ist eine effiziente Lösung nur mittels Monte-Carlo-Verfahren möglich.

Gebundene Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion bei der Reaktion von Synthesegas in einem turbulenten Reaktor (Bender, Blasenbrey & Maas, 28th Symposium (International) on Combustion, zur Veröffentlichung angenommen (2000)).

Die einzelnen Forschungsthemen und Dissertationen beschäftigen sich im Besonderen mit den folgenden Themen: