Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Verbrennung in radial durchströmten porösen inerten Medien

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Verbrennung in radial durchströmten porösen inerten Medien (PIM). Die stattfindende Vormischverbrennung nutzt das hohe Potential magerer Vormischflammen zur Minderung der Schadstoffemissionen bei gleichzeitiger Verhinderung der mit dieser Art der Verbrennungsführung zusammenhängenden technischen Schwierigkeiten, wie Flammenstabilität und Flammenrückschlag sowie thermoakustische Instabilitäten und Selbstzündung.
In Rahmen dieser Arbeit wurden systematische experimentelle Untersuchungen in einer ringförmigen Brennergeometrie durchgeführt, die den Einfluss charakteristischer Betriebsbedingungen wie Gemischzusammensetzung (Luft-zu-Brennstoff-Verhältnis) und thermischen Leistungen auf Flammendicke und Brenngeschwindigkeit erfassen. ... mehrEs wurden Erkenntnisse über den Verlauf und die Stabilität der Verbrennung in PIM gewonnen, die nicht nur zum besseren Verständnis der Verbrennungsprozesse in einer radial durchströmten Porenbrennergeometrie beitragen, sondern auch zur Validierung und Verbesserung der numerischen Modelle führen können.
Hierzu wurde eine dreidimensionale Simulation der Strömung und Verbrennung in PIM auf Porenebene durchgeführt (3D DPLS Direct Pore Level Simulation). Die Ergebnisse der numerischen Simulation wurden mit den experimentellen Daten und Literaturwerten verglichen. Der Vergleich der Temperaturverläufe und der Vergleich der Brenngeschwindigkeit hat gezeigt, dass die hier angewandten Methoden für die dreidimensionale numerische Simulation in der Lage sind, die Verbrennungsvorgänge in PIM wiederzugeben. Um die Dreidimensionalität der Flammenfront während der Verbrennung in PIM zu betrachten, wurden zusätzlich zu den gemittelten Werten lokale Gas-Stromlinien der Strömung in PIM aus der Rechnung extrahiert und ausgewertet. Der Verlauf der Geschwindigkeit und die Temperatur entlang dieser Stromlinien zeigte, dass das Vorhandensein des Feststoffs eine lokale Beschleunigung der Strömung in PIM bzw. ein Abbremsen in der Nähe von festen Wänden bewirkt. Dies resultiert in beträchtlich hohen räumlichen Geschwindigkeits- und Temperaturschwankungen, insbesondere im Bereich der makroskopischen Flammenfront direkt nach der Zündung, wenn die Strömung aufgrund der Dichteabnahme beschleunigt und der maximale Geschwindigkeitsgradient erreicht wird. Bei den gängigen 1D-Modellen für diese Art der Verbrennung ist es nicht möglich, solche 3D-Phänomene wiederzugeben. Der Grund dafür ist, dass 1D-Modelle makroskopische bzw. effektive Transportkoeffizienten verwenden. Für einfache Ingenieuranwendungen, wie z. B. Auslegung von Brennern, ist es zweckmäßig, eindimensionale Berechnungsmethoden zu verwenden, da diese zeitsparender und ressourcenschonender sind. Daher wurden die Ergebnisse der numerischen Simulation in dieser Arbeit analysiert, um Phänomene wie räumliche Schwankungen der Temperatur und Geschwindigkeit für die 1D-Modellierung zugänglich zu machen. Unter Verwendung der Boussinesq-Hypothese konnte durch Einbeziehung des axialen Dispersionskoeffizienten, der lokalen Geschwindigkeit und des Temperaturgradienten, der eine Ähnlichkeit zu den räumlichen Temperaturschwankungen aufweist, eine algebraische Beziehung für die räumlichen Temperaturschwankungen abgeleitet werden. Mit Hilfe dieser algebraischen Beziehung können in volumengemittelten 1D-Methoden die für die Verbrennung wichtigen Größen im Bereich der makroskopischen Flammenfront besser vorhergesagt werden.

This dissertation investigates the combustion process in radial flow porous inert media (PIM). The ongoing premixed combustion makes use of the high potential of lean premixed flames for reducing the emissions of pollutant species while preventing technical problems due to this kind of combustion regime, such as flame stability, flame flashback, thermoacoustic instabilities and auto-ignition.
A part of this study were systematic experimental investigations in a ring-shaped burner geometry in order to determine the impact of characteristic operating conditions, such as the mixture ratio (air to fuel ratio) and the flow rate on the flame thickness and burner flame velocity. ... mehrThe results on the combustion process and combustion stability in PIM can not only enhance our understanding of combustion processes in a radial flow porous burner geometry, but can also be used for the validation and improvement of numerical models.
As the experimental access, optically as well as with probes, is inherently limited due to the solid structure, numerical examination of the reacting flow field is done via 3D direct solution of the momentum, energy and species balance equations without further modelling assumption for the solution of the flow field (3D DPLS Direct Pore Level Simulation). For the calculation, a real porous structure obtained from computer tomography is used. The results of the DPLS are compared with experimental data of the radial flow porous burner and also with literature data. The comparison between DPLS and experimental data shows good agreement with respect to temperatures and burning velocities. The DPLS results showed that the flame structure is substantially affected by the topology of the PIM at the pore level. The flame is anchored at solid struts and spans downstream in regions with higher velocity. Thus the detailed flame structure is corrugated and discontinuous, although it does not change along time. Therefore, considerable lateral variations of parameters such as temperatures, velocity and concentrations are present along the space. These spatial fluctuations, especially in the region of the macroscopic flame front, represents the three-dimensionality of the flame inside the PIM and need to be considered by the 1D calculations while calculating species and conversion rate. The limited capability of the 1D-model to quantitatively predict the temperature profile and burning velocity is due to the fact that the 1D-model does not consider the spatial temperature distribution along the cross sectional area while calculating the species conversion rates. A possible way to improve the 1D-model to overcome the above-mentioned limitation has been identified by taking into account the spatial fluctuations of temperature and mass fractions along the cross sectional area by means of the use of presumed probability density functions.