Zündung in turbulenten Mischungen mit großen Lewis-Zahlen

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Hasse
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411275182

Die Fremdzündung in vorgemischten Gemischen wird erheblich von der Flammenstreckung (strömungsbedingte Streckung und Krümmung) beeinflusst. Experimente haben gezeigt, dass Turbulenz die Mindestzündenergie (minimum ignition energy – MIE) für Gemische mit großen Lewis-Zahlen herabsetzen kann, was zu dem Phänomen der turbulence facilitated ignition (TFI) führt. Diese unerwartete experimentelle Beobachtung war der Ausgangspunkt für die erste Förderperiode (FP1), die sich auf die numerische Analyse von Streckungseffekten und die Modellierung der erleichterten Zündung (facilitated ignition) konzentrierte. Die Projektziele wurden erreicht, und unsere Analysen unterstreichen die Bedeutung der präferenziellen Diffusion, krümmungsinduzierter Transporteffekte und des Wärmeverlusts an kalten Elektroden. Darüber hinaus wurde ein neues Flamelet-Modell entwickelt, das die Zündung und die anschließende Zündkernentwicklung (ignition kernel evolution - IKE) in Wasserstoff-Luft-Gemischen vorhersagen kann. Das Modell wurde umfassend validiert und anschließend erweitert, um Streckungseffekte einzubeziehen. Nach unserem Kenntnisstand haben wir die ersten Simulationen veröffentlicht, die eine erleichterte Zündung zeigen. Konvektive Effekte transportieren den Zündkern von den Elektroden weg und minimieren sowohl die Flammendehnung als auch die Wärmeverluste, wodurch die Zündung erleichtert wird. Die Analyse zeigt im Vergleich zu den TFI-Experimenten konsistente Tendenzen und Grenzbedingungen für zündfördernde Effekte. Es bestehen jedoch weiterhin Diskrepanzen zwischen Experimenten und Simulationen, insbesondere die Wechselwirkung von Turbulenz und Wärmeverlusten an kalten Elektroden ist eine offene wissenschaftliche Fragestellung. Dies bildet die Grundlage und die Motivation für die zweite Förderperiode (FP2). Im FP2 soll diese wissenschaftliche Lücke durch die Durchführung und Analyse turbulenter direkter numerischer Simulationen (DNS) von IKE mit Wärmeverlusten schließen. Eine umfassende DNS-Datenbank wird durch Parametervariationen auf der Grundlage der Ergebnisse von FP1 erstellt. Der Fokus wird auf DME-Luft-Gemischen mit ausgeprägter Niedertemperaturchemie und zweistufigen Zündeigenschaften in FP2 erweitert, zusätzlich zu brennstoffreichen H2-Luft-Gemischen (FP1 und 2). Auf der Grundlage der Vorarbeiten ist zu erwarten, dass Streckungseffekte während IKE von DME-Luft-Gemischen zu einer komplexen Interaktion von kalten, warmen und heißen Flammen führen. Die Erkenntnisse aus der DNS werden für die Flamelet-Modellierung genutzt. Das Modell aus FP1 wird für turbulente IKE in H2-Luft- und DME-Luft-Gemischen erweitert und validiert. Zusammengefasst zielt FP2 auf ein detailliertes Verständnis von IKE in turbulenten Mischungen mit Wärmeverlusten und die Entwicklung fortgeschrittener Flamelet-Modelle ab. Sowohl die Erkenntnisse als auch die Modelle sind entscheidend für die Entwicklung der nächsten Generation von Verbrennungssystemen für erneuerbare Brennstoffe.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen