Numerische Modellierung der turbulenten Funkenzündung von Otto-Ersatzbrennstoffen unter mageren Bedingungen bei hoher Temperatur und hohem Druck

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Maas
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387641749

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das wissenschaftliche Ziel dieses Forschungsvorhabens war die numerische Modellierung turbulenter Funkenzündungen von Otto-Ersatzbrennstoffen. Der Schwerpunkt lag auf mageren Bedingungen bei hohem Druck und hoher Temperatur, die für die Fremdzündung in Ottomotoren relevant sind, und auf Funkenenergien nahe der minimalen Zündenergie (MIE) bei nahezu homogener isotroper Turbulenz. Dem Projekt lag ein hierarchisches Modellierungskonzept zugrunde. Die Zündung und die frühe Flammenausbreitung von Referenzbrennstoffen (primary reference fuels, PRF) wurden numerisch untersucht. Es wurden Simulationen durchgeführt, um die Abhängigkeit der Mindestzündenergie (MIE) von verschiedenen Parametern wie Zündquellengröße, Zündquellengeometrie und Gemischzusammensetzung (Äquivalenzverhältnis und Oktanzahl) zu untersuchen. Für den Zündprozess wurde eine reduzierte Chemie erzeugt, um den Rechenaufwand zu reduzieren. Die reduzierte Chemie wurde zur Modellierung turbulenter Zündprozesse eingesetzt. Das Reaction-Diffusion Manifolds (REDIMs)-Modell, das den Einfluss der Transportprozesse (z. B. Konvektion, Diffusion) auf die chemische Kinetik berücksichtigt, wurde verwendet, um die Dimension des Systems aus Spezieserhaltungsgleichungen zu reduzieren und damit den Rechenaufwand. Das REDIM-Modell wurde dann auf turbulente Prozesse angewendet. Die Kopplung mit turbulenten Prozessen basierte auf einem Projektionsverfahren. Die Kopplungsstrategie wurde getestet, und es wurde festgestellt, dass mit der richtigen Kopplungsstrategie für reduzierte Chemie und turbulenten Mischungsmodellen die turbulente Verlöschung und Zündung gut erfasst werden können. In den Simulationen wurden für PRFs drei qualitativ unterschiedliche Szenarien nach der Zündung beobachtet: I) Zündversagen. II) Flammenkernbildung und Flammenlöschung. III) Flammenkernbildung und selbsterhaltende Flammenausbreitung. Als Ursache für das Verlöschen der Flammen wurde die starke Diffusion und Wärmeleitung für gekrümmte Flammen mit kleinem Flammenradius identifiziert. Eine nichtlineare Abhängigkeit der Mindestzündenergie von der Oktanzahl wurde gefunden und analysiert. Die aus dem Projekt resultierenden Erkenntnisse helfen, die Gründe für verzögerte Verbrennung, Fehlzündungen und unvollständig verbrennende Zyklen zu verstehen, die häufig bei mager betriebenen Otto-Motoren beobachtet werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Automatic Construction of REDIM Reduced Chemistry with a Detailed Transport and Its Application to CH4 Counterflow Flames. Energy & Fuels, 34(12), 16572-16584.
  Yu, Chunkan; Li, Xing; Wu, Chunwei; Neagos, Alexander & Maas, Ulrich
  
• REDIM reduced chemistry for the simulation of counterflow diffusion flames with oscillating strain rates. Combustion Theory and Modelling, 24(4), 682-704.
  Yu, Chunkan; Minuzzi, Felipe & Maas, Ulrich
  
• Validation of an Eulerian Stochastic Fields Solver Coupled with Reaction–Diffusion Manifolds on LES of Methane/Air Non-premixed Flames. Flow, Turbulence and Combustion, 107(2), 441-477.
  Breda, Paola; Yu, Chunkan; Maas, Ulrich & Pfitzner, Michael
  
• A novel model for incorporation of differential diffusion effects in PDF simulations of non-premixed turbulent flames based on reaction-diffusion manifolds (REDIM). Physics of Fluids, 33(2).
  Yu, Chunkan; Breda, Paola; Minuzzi, Felipe; Pfitzner, Michael & Maas, Ulrich
  
• Coupling of mixing models with manifold based simplified chemistry in PDF modeling of turbulent reacting flows. Proceedings of the Combustion Institute, 38(2), 2645-2653.
  Yu, Chunkan; Breda, Paola; Pfitzner, Michael & Maas, Ulrich
  
• Experimental and numerical investigations on extinction strain rates in non-premixed counterflow methane and propane flames in an oxygen reduced environment. Fuel, 298, 120781.
  Eckart, Sven; Yu, Chunkan; Maas, Ulrich & Krause, Hartmut
  
• Implementation of the Scalar Dissipation Rate in the REDIM Concept and its Validation for the Piloted Non-Premixed Turbulent Jet Flames. Eurasian Chemico-Technological Journal, 23(3), 169.
  Yu, C. & Maas, U.
  
• Numerical studies on minimum ignition energies in methane/air and iso-octane/air mixtures (2021), Proceedings of the 13th Symposium International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions.
  Wu, Chunwei; Schießl, Robert & Maas, Ulrich
  
• Numerical studies on minimum ignition energies in methane/air and iso-octane/air mixtures. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 72, 104557.
  Wu, Chunwei; Schießl, Robert & Maas, Ulrich
  
• Numerical study on spark ignition of laminar lean premixed methane-air flames in counterflow configuration. Combustion Science and Technology, 195(9), 2085-2109.
  Yu, Chunkan; Markus, Detlev; Schießl, Robert & Maas, Ulrich
  
• Reaction-Diffusion Manifolds (REDIM) Method for Ignition by Hot Gas and Spark Ignition Processes in Counterflow Flame Configurations. Combustion Science and Technology, 195(10), 2400-2422.
  Yu, Chunkan & Maas, Ulrich
  
• Reaction-Diffusion Manifolds including differential diffusion applied to methane/air combustion in strong extinction regimes. Combustion Theory and Modelling, 26(3), 451-481.
  Breda, Paola; Yu, Chunkan; Maas, Ulrich & Pfitzner, Michael
  
• Numerical and experimental studies on minimum ignition energies in primary reference fuel/air mixtures. Proceedings of the Combustion Institute, 39(2), 1987-1996.
  Wu, Chunwei; Chen, Yi-Rong; Schießl, Robert; Shy, Shenqyang (Steven) & Maas, Ulrich