Tomographische optische Rußdiagnostik in instationären Flammen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Will
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448774825

Obwohl große Anstrengungen zur Elektrifizierung der Mobilität und zur Dekarbonisierung der Energiewandlung unternommen werden, wird die Verbrennung fossiler und anderer kohlenstoffbasierter Brennstoffe sowohl in China als auch in Deutschland noch viele Jahre ein wichtiger Sektor der Energiewandlung sein. In diesem Zusammenhang stellt die Reduzierung der Rußemissionen aus Verbrennungsprozessen sowohl hinsichtlich der gesundheitlichen Auswirkungen als auch hinsichtlich des erheblichen Beitrags zur globalen Erwärmung eine große Herausforderung dar.Trotz großer Fortschritte in der Modellierung gibt es noch Lücken im Verständnis der Rußbildung in turbulenten Verbrennungsprozessen, wie sie z.B. für Verbrennungsmotoren relevant sind. Eine der größten Herausforderungen auf dem Weg zu einem besseren Verständnis der Rußbildung ist die Notwendigkeit einer zeitlich hoch-aufgelösten Erfassung komplexer, fluktuierender Rußverteilungen. Dieses Projekt stellt sich dieser Herausforderung, indem es eine vier-dimensionale (3D räumlich und zeitlich aufgelöste) Bestimmung wesentlicher Rußparameter ermöglicht. Der kooperative Ansatz der Gruppen in Erlangen und Shanghai, deren Expertisen sich für dieses Projekt ideal ergänzen, bildet eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung dieser fortschrittlichen Diagnosemethode.Das letztendliche Ziel des beantragten Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer Methode, mit der wesentliche charakteristische Parameter von Ruß (Konzentration, Primärpartikelgröße, Temperatur) mit hoher zeitlicher Auflösung (kHz) in ihrer vollen drei-dimensionalen Struktur gemessen werden können. Zu diesem Zweck werden die Methoden der Zweifarb-Pyrometrie (2CP) und der zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz (TiRe-LII) mit volumetrischer Beleuchtung weiterentwickelt und mit fortschrittlichen tomographischen Rekonstruktions-verfahren kombiniert. Eine Besonderheit des Ansatzes ist die Realisierung eines Aufbaus mit minimiertem experimentellen Aufwand. Der Aufbau erlaubt die gleichzeitige Messung von 2CP und TiRe-LII mit insgesamt drei bzw. vier Hochgeschwindigkeitskameras, was durch den Einsatz speziell angepasster Faserbündel erreicht wird.Das Projekt nutzt zwischen Experiment und numerischer Simulation aufeinander abgestimmte Schritte. Ausgehend von einer Referenzflamme mit bekannten Eigenschaften, kann so die Methode schließlich auf eine transiente Diffusionsflamme angewendet werden.Für eine schnelle und effiziente Auswertung der großen Datenmengen werden sowohl die Auswertealgorithmen für LII als auch für die tomographische Rekonstruktion weiterentwickelt, einschließlich des Einsatzes eines Convolutional Neural Networks. Am Ende des Projektes werden ein Messsystem und Auswerteverfahren zur Verfügung stehen, mit denen für verschiedene Flammentypen Referenzdaten zum Verständnis der Rußbildung und Oxidation sowie zur Validierung numerischer Methoden gewonnen werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Weiwei Cai, Ph.D.