Rohemissionsmodellierung auf Basis detaillierter Chemie
Raw emissions modelling based on detailed chemistry
- Diese Dissertation befasst sich mit der numerischen Simulation von Verbrennung sowie Ruß- und NOx-Emissionen in Dieselmotoren.
Für die Rußsimulation wurde das detaillierte Rußmodell von Prof. Dr. F. Mauß angewandt, das auf einer Flamelet-Bibliothek basiert (engl. Flamelet Library of Sources – FLOS). Dabei wird die detaillierte Chemie a priori gelöst und tabelliert, wodurch eine Berücksichtigung von lokalen Chemie- und Turbulenzeffekten bei akzeptablen CPU-Rechenzeiten ermöglicht wird. Unter der berechtigten Annahme, dass die Rußchemie viel langsamer als die turbulenten Längenskalen im Strömungsfeld ist, können Rußreaktionsraten vorausberechnet und in der FLOS tabelliert werden. Des Weiteren wurde ein ähnlich gestaltetes NOx-Modell entwickelt, das auch auf einem Flamelet-Bibliotheksansatz basiert.
Eine große Herausforderung bei der Anwendung von Flamelet-Bibliotheksansätzen ist die Kopplung zum CFD-Code. Eines der Hauptziele dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode, mit der die Kopplung zum CFD-Code verbessert wird. DerDiese Dissertation befasst sich mit der numerischen Simulation von Verbrennung sowie Ruß- und NOx-Emissionen in Dieselmotoren.
Für die Rußsimulation wurde das detaillierte Rußmodell von Prof. Dr. F. Mauß angewandt, das auf einer Flamelet-Bibliothek basiert (engl. Flamelet Library of Sources – FLOS). Dabei wird die detaillierte Chemie a priori gelöst und tabelliert, wodurch eine Berücksichtigung von lokalen Chemie- und Turbulenzeffekten bei akzeptablen CPU-Rechenzeiten ermöglicht wird. Unter der berechtigten Annahme, dass die Rußchemie viel langsamer als die turbulenten Längenskalen im Strömungsfeld ist, können Rußreaktionsraten vorausberechnet und in der FLOS tabelliert werden. Des Weiteren wurde ein ähnlich gestaltetes NOx-Modell entwickelt, das auch auf einem Flamelet-Bibliotheksansatz basiert.
Eine große Herausforderung bei der Anwendung von Flamelet-Bibliotheksansätzen ist die Kopplung zum CFD-Code. Eines der Hauptziele dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode, mit der die Kopplung zum CFD-Code verbessert wird. Der vorgeschlagene Ansatz weist eine weitere Bibliothek auf, in der Temperaturprofile von stationären Flamelets tabelliert sind. Mithilfe dieser zusätzlichen Bibliothek kann das Flamelet ausgewählt werden, das genau den thermodynamischen Bedingungen und der Gemischzusammensetzung in der CFD-Zelle entspricht. Damit wird die Konsistenz zwischen FLOS und CFD-Code hinsichtlich Mischungs-bruch und Temperatur gewährleistet.
Weitere Optimierung der Kopplung zwischen FLOS und dem CFD-Code wurde durch die Berücksichtigung der lokalen Acetylenkonzentration erreicht. Das Rußmodell ist unabhängig von dem in der CFD-Software verwendeten Verbrennungsmodell. Somit werden die Verbrennungsvorgänge in der Gasphase vom Rußmodell nicht beeinflusst. Gleichzeitig wird das Rußmodell von der Gasphasenchemie nicht beeinflusst. Während der stationären Flamelet-Rechnungen ist die lokale Rußoberfläche, von der das Oberflächenwachstum direkt abhängt, nicht bekannt. Aus diesem Grund kann der Acetylenverbrauch durch Rußoberflächenwachstum in der FLOS nicht explizit berechnet werden. Deshalb wurde das Acetylen-Feedback eingeführt: eine Limitierung der Rußoberflächenwachstumsrate, die die lokale Acetylenkonzentration berücksichtigt.
Das FLOS-Modell und die neu entwickelten Ansätze wurden mit dem CFD-Code STAR-CD© gekoppelt. Das resultierende CFD-Paket wurde für dieselmotorische Verbrennungs- und Emissionssimulation eingesetzt. Der Schwerpunkt der numerischen Untersuchungen lag auf dem Einfluss der AGR-Rate und der Einspritzstrategie auf die Verbrennung und die dabei entstehenden Ruß- und NOx-Emissionen. In diesem Kontext wurde über die Qualität des CFD-Setups und der Verbrennungssimulation diskutiert, die für eine zuverlässige Rußsimulation erforderlich ist. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen und diagnostischen Daten verglichen und zeigen eine sehr gute Übereinstimmung für die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Betriebspunkte. Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial der verbrennungs-motorischen CFD-Simulation hinsichtlich Brennverfahrensoptimierung auf.…


- The subject of this PhD thesis is 3D numerical simulations of combustion, soot and NOx emission formation for a diesel engine.
For the soot simulation the detailed soot model by Prof. Dr. F. Mauss based on stationary flamelet library (Flamelet Library of Sources – FLOS) was applied. The model features pre-processing of the detailed chemistry, which allows considering local chemistry and turbulence effects at reasonable CPU costs. Under the assumption that soot chemistry is much slower than the turbulent length scales in the flow field, soot formation and oxidation rates can be stored in the soot library. Furthermore, a similarly constructed NOx model was developed, which was also based on the stationary flamelet library model.
A major challenge of such approaches is the coupling to the CFD code. One of the main objectives of this work is to present a new coupling approach aiming to tackle this challenge. The approach proposed is based on a library of stationary flamelet temperature profiles. By means of this library the correctThe subject of this PhD thesis is 3D numerical simulations of combustion, soot and NOx emission formation for a diesel engine.
For the soot simulation the detailed soot model by Prof. Dr. F. Mauss based on stationary flamelet library (Flamelet Library of Sources – FLOS) was applied. The model features pre-processing of the detailed chemistry, which allows considering local chemistry and turbulence effects at reasonable CPU costs. Under the assumption that soot chemistry is much slower than the turbulent length scales in the flow field, soot formation and oxidation rates can be stored in the soot library. Furthermore, a similarly constructed NOx model was developed, which was also based on the stationary flamelet library model.
A major challenge of such approaches is the coupling to the CFD code. One of the main objectives of this work is to present a new coupling approach aiming to tackle this challenge. The approach proposed is based on a library of stationary flamelet temperature profiles. By means of this library the correct flamelet can be selected based on the conditions in the computational cell. Thereby the new approach ensures the consistency between flamelet library and CFD code regarding mixture fraction and temperature.
A further optimization of the coupling between the FLOS model and the CFD code was achieved by considering the local concentration of acetylene. The FLOS soot model is independent on the combustion model used in the CFD software. Hence, the gas phase combustion is not influenced by the soot model and the soot model is not influenced by the gas phase chemistry. As the soot surface available for surface growth is unknown at the time when the FLOS is build, the consumption of acetylene is not included in the build of the library. Hence, a new approach – the acetylene feedback – was introduced to limit the soot surface growth rate, if the acetylene concentration becomes low.
The FLOS model featuring the new approaches described above was coupled with the CFD code STAR-CD© and applied for emissions simulation in a diesel engine. The emphasis of the investigations is put on the effect of EGR rate and injection strategy on combustion as well as soot and NOx emissions. In this context a discussion is offered over the required quality of CFD setup and combustion simulation for obtaining reliable soot simulation results. The simulation results were compared to experimental and diagnostic data showing a very good agreement for the operating points investigated. This shows the potential of a predictive CFD package including soot and NOx model for improving the combustion chamber design and the operating strategy with respect to lower emissions.…


| Author: | Galin Nakov |
|---|---|
| URN: | urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34668 |
| Referee / Advisor: | Fabian Mauß |
| Document Type: | Doctoral thesis |
| Language: | German |
| Year of Completion: | 2014 |
| Date of final exam: | 2014/06/04 |
| Release Date: | 2015/05/05 |
| Tag: | Bibliothek; Diesel; Flamelet; NOx; Ruß CFD; Engine; Library; Simulation; Soot |
| GND Keyword: | Dieselmotor; Rußemission; Stickstoffemission |
| Institutes: | Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Thermodynamik / Thermische Verfahrenstechnik |
| Institution name at the time of publication: | Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Thermodynamik / Thermische Verfahrenstechnik |
| Licence (German): | Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht. |



