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A local algebraic simulation model was developed, to determine the characteristic length scales for dispersed phases. This model includes the Ishii- Zuber drag model, the lift, the wall lubrication force and the turbulent dispersion force as well. It is based on the Algebraic Interface Area Density (AIAD) model from the Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR), which provides the morphology detection and the free surface drag model. The developed model is in agreement with the current state of knowledge based on an examination of the theory and of state of science models for interface momentum transfer.
This new simulation model was tested on three different experiments. Two experiments can be found in the literature, the Fabre 1987 and the Hewitt 1987 experiment. And the third simulation is based on a steam drum experiment. This steam drum experiment is designed with ERK Eckrohrkessel GmbH internals and was developed to examine the droplet mass flow out of the turbulent separation stage.
The implementation of all models and tests was performed using Ansys CFX. The first analysis was carried out to reproduce a wavy stratified flow to examine the effects of different simulation model set-ups according to the velocity and kinetic energy profiles, as well as the pressure drop gradient and the water level measured by Fabre 1987. The second analysis was a proof on concept for reproducing the vertical flow pattern by an experiment from Hewitt 1987. The third simulation analysed the water distribution in the steam drum and feeding pipes system as well as the droplet carryover into the gas phase in the turbulent separation region of the drum.
These simulations have shown, that the accuracy of the particle distribution model in interaction with the drag and non-drag forces is able to reproduce horizontal and vertical flow patterns. Higher deviations are recognised for the liquid volume fraction close above the interface. Generally, simulations can now be performed to optimise industrial steam drum designs.
Development of a hierarchically detailed chemical reaction mechanism from C₃ to C₅ hydrocarbons
(2022)
The oxidation of fuel molecules can be described by using a reaction mechanism, a tool that combines thermodynamic and transport properties with reaction rates to predict the behavior and sub-products at different temperatures, pressures and equivalence ratios. A detailed reaction mechanism helps to understand the fuel-specific pollutant formation process. The aim of this doctoral thesis is to generate a hierarchically-detailed chemical reaction mechanism from C3 to C5 hydrocarbons that can be used to understand the reaction decomposition pathways for different fuels at high temperature regime, e.g. propene, propane, butane isomers, butene isomers and pentene isomers. A new nomenclature based in the IUPAC rules, has been developed and implemented as part of this work. The naming follows the order of priority for choosing a principal characteristic group. These naming rules and some examples are explained here. As starting point for this investigation, the chemical model presented in Schenk et al. (2013) has been used. Thermodynamic data for sensitive species from C3 chemistry were revised and updated. Updates in reaction rates for n-butane (C4H10) and iso-butane (C4H10-Me2) are shown. The chemistry of the butene (C4H8) isomers have been revised and a correction taking into account the H-atom allyl abstraction is implemented. Laminar flame speeds and ignition delay times for the different isomers are presented and discussed together with experiments in similar conditions for burner-stabilized flame for the three butene and butane isomers.
The high-temperature chemistry for branched and linear C5H10 species is implemented in the model. 2-Methyl-2-butene (C5H10-D2Me2) is the most interesting isomer because 9 of its 10 C-H atoms are in allylic position and it is compared to n-Pentane as an example of a linear molecule. The validation of a burner-stabilized flame, ignition delay time, and laminar flame speed experiments for these fuels are presented and discussed. The compilation strategy was used and it aims to continuously increase the number and type of targets for mechanism validation.
In recent years, biodiesel is an alternative fuel to petroleum diesel that is renewable and creates less harmful emissions than conventional diesel. Biodiesel blends – usually B20 or below, have been the most commonly used biodiesel blends. In current study, the kinetic mechanism of n-decane/α-methylnaphthalene (AMN)/methyl-decanoate (MD) blend is developed and validated as the surrogate for biodiesel/diesel blends. The IDEA reference fuel (70% n-decane/30% AMN by liquid volume) was formulated in the past as a two-component diesel surrogate fuel. A comprehensive and compact oxidation model for the IDEA reference fuel is developed. One important fuel-fuel interaction pathway via reaction pathway of A2CH2 + HO2 is observed and detailed discussed. The IDEA blends are validated by comprehensive target experiments for n-decane, AMN, and the AMN/n-decane blends. Ignition delay times, flame speeds, and species composition in jet stirred reactor and counter flow flames are successfully simulated for a broad range of temperatures (500-2000 K) and pressures (1-50 bar). The simulations of the IDEA blend with current mod-el show acceptable agreement when compared with different experiments of ignition delay times for diesel fuels as well as flame speed experiments. With a chain of ten carbon atoms and a methyl-ester group attached, MD is considered as a one-component surrogate fuel for biodiesel. A comprehensive and compact kinetic model for MD is developed. The mechanism is critically tested by comparison of model predictions with experimental data over a wide temperature (500 to 1500 K) and pressure (1 to 20 bar) range and for different fuel/oxidizer ratios. The good maintenance of chemical information during the reduction has been confirmed by simulation results, as well as the sensitivity and flow analyses performed using the detailed and the skeletal model. The MD model is compared with available experimental ignition delay times of biodiesel fuels. The good agreement between the simulations and the experiments proves that this model is a reliable kinetic model for simulations, either used by itself or in combination with IDEA blend. To improve the mechanism analysis, this thesis introduces a new three-stage reactive flow analysis. The final skeletal n-decane/AMN/MD blend with skeletal base mechanism includes 295 species and 3500 reactions by using the CGR approach. Based on the above validations and comparisons, current blend is considered as one surrogate for biodiesel/diesel blends that is suitable for improving kinetic understanding and for application in engine simulations.
In der vorliegenden Arbeit werden die Modellierung und die numerische Simulation von Strömung, Wärme- und Stofftransport zur Abbildung eines Trocknungsprozesses von Braunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht behandelt. Hierbei wird das Euler-Euler Two Fluid Model zugrunde gelegt und die Beschreibung des Fließverhaltens der Feststoffphase mittels der Kinetic Theory of Granular Flow realisiert. Ausgehend von einem Überblick zum aktuellen Stand der Forschung wird der Bedarf nach einer geeigneten Konfiguration von Modellparametern und Submodellen hinsichtlich der Strömungsmodellierung sowie nach der Implementierung eines Trocknungsmodells abgeleitet und als Zielsetzung formuliert.
Experimentelle Voruntersuchungen an einer Wirbelschichtanlage im Labormaßstab schaffen die Datenbasis für die spätere Validierung des Modells. Dabei erfolgt zunächst eine Betrachtung einzelner Zustandspunkte von diskontinuierlichen Trocknungsprozessen, um die darin auftretenden, strömungstechnischen Veränderungen zu quantifizieren. Zur Bewertung werden die makroskopischen Eigenschaften sowie Charakteristiken meso- und mikroskaliger Strömungstrukturen herangezogen, die sich aus der Analyse von Druckfluktuationen ergeben. Des Weiteren werden die Trocknungsverläufe mehrerer Chargen für verschiedene Betriebsparameter aufgezeichnet.
In einem ersten Untersuchungsschwerpunkt werden ausschließlich strömungsmechanische Aspekte fokussiert. Auf Basis umfangreicher Sensitivitätsanalysen zu den Einflüssen der rheologisch relevanten Parameter, der Impulsaustauschfunktion einschließlich der Partikelsphärizität und der Randbedingungen für Behälterwand und Gaseinlass, sowie durch Vergleiche mit den experimentellen Daten wird eine Parameterkonfiguration des Strömungsmodells vorgeschlagen. Die damit erzielten Ergebnisse sind insgesamt zufriedenstellend und geben die beobachteten Veränderungen im Trocknungsprozess korrekt wieder. Ursachen für bestehende Abweichungen zum Experiment werden diskutiert.
Im zweiten Untersuchungsschwerpunkt wird der gesamte Trocknungsprozess betrachtet. Hierzu werden Wärme- und Stofftransportmechanismen innerhalb des Modells berücksichtigt, wobei die eigens implementierte Trocknungskinetik auf Ebene der Partikel ansetzt. Die Einflüsse der Sphärizität und zwei verschiedener Formulierungen zur Berechnung der Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten werden untersucht. Für den favorisierten Parametersatz werden die Simulationen mit einem expliziten Vorwärtsverfahren gekoppelt, wodurch die Trocknungsverläufe auf makroskopischer Zeitskale approximiert und somit mit den experimentellen Daten verglichen werden können. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Gesamtmodell die Trocknungsverläufe bei niedrigen bis mäßigen Leerrohrgeschwindigkeiten zuverlässig abbilden kann. Auftretende Diskrepanzen werden diskutiert und weiterer Entwicklungsbedarf abgeleitet.
In this thesis, a detailed chemical kinetic mechanism is developed to predict the oxidation of ammonia. The main aim is to cover the most important features of ammonia combustion - laminar flame speed, auto-ignition timing, emission formation, speciation in different reactors, and subsequently to study fuel/NOₓ interaction. Each elementary reaction in the mechanism is carefully reviewed based on several published literature, both experimental and theoretical rate parameters are selected accordingly. A wide range of published experimental data in multi-setup experiments are selected - in freely propagating and burner stabilized premixed flames and in shock tubes and jet-stirred and flow, reactor to assess the performance of the developed mechanism. The reaction mechanism also considers the formation of nitrogen oxides and the reduction of nitrogen oxides depending on the conditions of the surrounding gas phase. The experimental data from the literature are interpreted with the help of the kinetic model developed in this thesis.
In der vorliegenden Arbeit wird die Kondensation von Wasserdampf im horizontalen Rohr bei Drücken bis 10 bar im Hinblick auf das Wärmeübertragungsverhalten und die entstehenden Druckdifferenzen untersucht. Um hierfür eine entsprechende Ausgangsbasis zu schaffen, werden im ersten Teil der Arbeit die bereits veröffentlichten experimentellen Untersuchungen zum Thema zusammengefasst und diskutiert. Anschließend werden die vorhandenen theoretischen Grundlagen der Hydrodynamik von Zweiphasenströmungen sowie zum Wärmeübertragungsverhalten dargelegt. Dabei wird jeweils auf die bestehenden Schwierigkeiten bei der physikalischen Beschreibung der Phänomene und damit einhergehenden Unsicherheiten bei der Berechnung von Zielgrößen aufmerksam gemacht. Zur Berechnung des Reibungsdruckverlustes werden die Modelle von Friedel und Lockhart/Martinelli und zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten die Modelle von Thome, Shah, Cavallini, Numrich/Müller, Dobson/Chato sowie Huhn gegenübergestellt.
Der eigentliche Schwerpunkt der Arbeit liegt daran anschließend bei der experimentellen Bestimmung der beiden Zielgrößen - spezifischer Druckverlust und Wärmeübergangskoeffizient - bei absoluten Sattdampfdrücken zwischen 4…10 bar und Eintrittsgeschwindigkeiten bis 21,5 m/s. Die Entwicklung und die Errichtung der hierzu erforderlichen Versuchsapparatur erfolgten im Rahmen dieser Arbeit. Mit acht geometrisch identischen Doppelrohrwärmeübertragern (Innendurchmesser Kondensationsrohr: 20,5 mm) lassen sich die benötigten lokalen Temperaturinformationen in Abhängigkeit des Kondensationsfortschrittes generieren, indem unter Konstanthalten der Ein- bzw. Austrittsbedingungen (Sattdampfdruck und -massenstrom, Kühlwassertemperatur und -durchsatz) die Anzahl durchströmter Wärmeübertrager variiert wird. Mit in Summe 63 Versuchspunkten bei drei Druckstufen und jeweils fünf Eintrittsgeschwindigkeiten werden 15 Wärmeübergangs- und Druckverlustverläufe als Funktion des Kondensatanteils bzw. der Rohrlängskoordinate ermittelt. Der Vergleich der experimentellen Befunde mit den vorgestellten und bekannten Theorien zeigt zum Teil starke Abweichungen und nicht wiedergegebene Abhängigkeiten. Die mittleren relativen Abweichungen zwischen experimentellen und von den bestehenden Modellvorstellungen berechneten Wärmeübergangskoeffizienten liegen zwischen 16…42 %.
Ausgehend von den experimentellen Befunden dieser Arbeit werden Berechnungsgleichungen für den lokalen Wärmeübergangskoeffizienten sowie den spezifischen Druckverlust entwickelt. Der darüber hinaus durchgeführte Abgleich mit experimentellen Befunden aus der Literatur führt dazu, dass ein breiterer Parameterbereich erfasst wird, als der in dieser Arbeit experimentell untersuchte. Die entwickelten Berechnungsmodelle ermöglichen eine deutlich bessere Vorhersage von Wärmeübergang und Druckverlust als die bestehenden Modellvorstellungen. Aufgrund der komplexen Phänomenologie des Kondensationsprozesses im horizontalen Rohr bleibt eine Extrapolation dennoch mit Risiken verbunden. Die empfohlene Vorgehensweise zur Weiterentwicklung des Wissensstandes auf diesem Gebiet wird im Ausblick der Arbeit gegeben.
Sophisticated engine knock modeling supports the optimization of the thermal efficiency of spark ignition engines. For this purpose the presented work introduces the resonance theory (Bradley and co-workers, 2002) for three-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and for the zero-dimensional Spark Ignition Stochastic Reactor Model (SI-SRM) simulations. Hereby, the auto-ignition in the unburnt gases is investigated directly instead of the resulting pressure fluctuations. Based on the detonation diagram auto-ignition events can be classified to be in acceptable deflagration regime or possibly turn to a harmful developing detonation.
Combustion is modeled using detailed chemistry and formulations for turbulent flame propagation. The use of detailed chemistry caters for the prediction of physical and chemical properties, such as the octane rating, C:H:O-ratio or dilution. For both models, the laminar flame speed is retrieved from surrogate specific look-up tables compiled using the reaction mechanism for Ethanol containing Toluene Reference Fuels by Seidel (2017). In the fresh gas zone, the scheme is used for auto-ignition prediction. For this purpose, the G-equation coupled with a Well-Stirred-Reactor model is applied in RANS. In analogy, in the SI-SRM the combustion is modeled using a two zone model with stochastic mixing between the particles.
RANS is used to develop the knock classification methodology and to analyze in detail location, size and shape of the auto-ignition kernels. RANS estimates the ensemble average of the process and therefore cannot reproduce a developing detonation. Hence, Large Eddy Simulation (LES) is used to verify the methodology. Studies using wide ranges of surrogates with different octane rating and cycle-to-cycle variations are carried out using the computationally efficient SI-SRM. Cyclic variations are predicted based on stochastic mixing, stochastic heat transfer to the wall, varying exhaust gas recirculation composition and imposed probability density functions for the inflammation time and the scaling of the mixing time retrieved from RANS.
The methodology is verified for spark timing and octane rating. It is shown that the surrogate formulation has an important impact on knock prediction.
RANS is suitable to predict the mean strength of auto-ignition in the unburnt gas if the thermodynamic and chemical state of the ignition kernel is analyzed instead of the pressure gradients. The probability of the transition to knocking combustion can be determined. Good agreement between RANS and SI-SRM are obtained. The combination of both tools gives insights of local effects using RANS and the distribution of auto-ignition in the whole pressure range of an operating point using SI-SRM with reasonable computationally cost for development purposes.
This thesis is a combined work of understanding the high temperature oxidation chemistry of cycloalkanes viz. methylcyclohexane based on previously developed cyclohexane and extending it to generate the larger n-propylcyclohexane chemical kinetic mechanism. The detailed kinetic reaction mechanism model for the oxidation of 1-hexene previously developed has been added to account for the ring opening of cyclohexane forming 1-hexene. As an update to the publication, preference of allylic H-abstractions from 1-hexene has been taken into account and retro-ene reaction producing propene has been added. The complete model is composed of 329 species and 2065 reactions with 3796 reversible elementary reactions. Further, these models have been validated against different experiments such as shock tubes, jet stirred reactors and laminar flames to cover full range of temperatures, pressures and equivalence ratios making the models comprehensive and was found to be adequate to satisfactorily reproduce the experimental data. The allylic radicals (C₆H₁₁-D1R3) preferred abstractions from 1-hexene improves the C₆H₁₁ profiles in the 1-hexene model. But it also influences the otherwise isomerization path of C₆H1₁₁-D1R6 to CYC₆H₁₁ (Cyclohexyl radical) which would further form cyclohexene (CYC₆H₁₀). It is observed that CYC₆H₁₀ profiles in 1-hexene flames and cyclohexane speciation are over-predicted. The major decomposition pathway of the cycloalkanes is through H-abstractions on the ring. The path which leads towards ring opening to form olefin is observed for cyclohexane and methylcyclohexane but is very low. The fulvene pathway influence on benzene profiles of 1-hexene is obvious but do not seem to affect the cycloalkanes. This infers there are other benzene formation pathways in cycloalkanes. Some possible pathways would be the dehydrogenation of dienes and dehydrogenation of cyclo-olefins.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Berechnungsmodell zur thermisch-geometrischen Dimensionierung eines kontinuierlich arbeitenden Druck-Wirbelschicht-Verdampfungs-Trockners mit Tauchheizflächen für polydisperse Braunkohle erstellt. Zunächst wurde auf Basis experimenteller Ergebnisse eine strukturell optimierte Grundgleichung zur Beschreibung des zeitlichen Feuchteverlaufes entwickelt. Dabei wurden die Besonderheiten des Trocknungsgutes (z.B. die Polydispersität und die Ausbildung einer Gleichgewichtsfeuchte) berücksichtigt. Mit Hilfe der für den Trockner aufgestellten Energiebilanzen wurde ein Modell zur Beschreibung des zeitlichen Verdampfungstrocknungsverlaufes entwickelt. Dabei wurde auch der Einfluss des Druckes in den Subgleichungen und Stoffwertberechnungen berücksichtigt. (Der Überdruck ist einer der Hauptunterschiede der DDWT zu zahlreichen anderen Trocknungsverfahren). Weiterführend wurde unter Anwendung der Gleichungen zur Beschreibung der wirbelschicht-bedingten asymmetrischen Verweilzeitverteilung ein Gesamtmodell – das Trockner-Auslegungs-Modell (TRAM) – entwickelt und die Modellarchitektur detailliert beschrieben.
This thesis summarizes the author’s developments of combustion models and multi-objective optimization methods for gasoline and diesel engines. The combustion models belong to the family of zero-dimensional stochastic reactor models introduced in the 1990s to improve the prediction of emissions with detailed chemistry in partially stirred reactors.
The first part introduces the fundamentals of the physical and chemical models describing the combustion process. As a novelty, k−ε turbulence models were implemented in the stochastic reactor model to predict the turbulent time and length scales in gasoline and diesel engines. This development allowed an improvement of the models for convective heat transfer, fuel evaporation, gas exchange across the valves, turbulent flame propagation and crevice flow, which depend on the turbulent time and length scales.
In the second part, the multi-objective optimization platform for automatic training of the stochastic reactor model is presented. The optimization method considers multiple operating points to find a set of model parameters that predict performance and emissions over the entire engine map. The Non-domination Sorting Genetic Algorithm II is combined with the stochastic reactor model and response surface models to find the best Pareto front. Multi-criteria decision making is used to select the best designs from the Pareto front.
Finally, the third part of this thesis deals with the validation of the stochastic reactor model and the multi-objective optimization platform. For this purpose, experiments of two single-cylinder research engines with spark ignition, one passenger car engine with compression ignition and one heavy duty engine with compression ignition are used. For the spark ignition engines, a set of model parameters was found that predicts well the power and emissions over the whole engine map. The calculated turbulent kinetic energy, dissipation, and angular momentum follow the trends of the three-dimensional computational fluid dynamic simulations to a good approximation for various operating points. For the two compression ignition engines, the prediction of combustion progress and nitrogen oxide emissions are in good agreement with the experiments. Larger discrepancies were found for the prediction of carbon monoxide and unburned hydrocarbon. Optimization of the soot model parameters improves the prediction of soot mass for operating points throughout the engine map.
