Citation:
Voglsam, S. (2012). Globale Verbrennungsmechanismen zur Simulation von Selbstzündung von Benzin und Kerosin für den Einsatz in CFD-Simulationen [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/160359
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Publication Type:
Thesis - Dissertation
en
Hochschulschrift - Dissertation
de
Language:
German
-
Organisational Unit:
-
Date (published):
2012
-
Number of Pages:
227
-
Keywords:
Verbrennung; Simulation; Reaktionskinetik; Benzin; Kerosin; Globaler Reaktionsmechanismus
de
Abstract:
Für die Kombination von Strömungs-Simulationen (CFD...Computational Fluid Dynamics) und Verbrennungsprozessen ist es notwendig, auf vereinfachte Verbrennungsmodelle zurückzugreifen, um wirtschaftliche Rechenzeiten zu erzielen. In dieser Arbeit soll ein globales Modell zur Berechnung von Zündung, welches auf unterschiedliche Kraftstoffe anwendbar ist, entwickelt werden. Die eingesetzten Referenzkraftstoffe sollen jeweils aus einem schnell zündenden, langkettigen und einem langsamer zündenden, verzweigten oder zyklischen Kohlenwasserstoff bestehen. Der Fokus bei der Modellierung liegt dabei auf möglichst genauer Berechnung der Zündung und adäquater Wiedergabe der wichtigsten Abgas-Spezien.
Für unterschiedliche Kraftstoffe sind in der Literatur eine gewisse Anzahl an Verbrennungs-mechanismen vorhanden. Aus diesen unterschiedlichen Modellen wurden bereits eine Reihe von vereinfachten, globalen Reaktionsschemen entwickelt. Der gesamte Zündungsprozess wird üblicherweise in einen Hoch-, einen Nieder- und einen Mitteltemperaturbereich unterteilt. Je nach Zündtemperatur laufen die Reaktionen eines dieser Zündungspfade ab. Im Falle des zu entwickelnden Modells wurden für die Hochtemperaturzündung zwei und für den Nieder- und Mitteltemperaturbereich fünf globale Reaktionen eingesetzt. Eine weitere Reaktion dient zur Berücksichtigung der Oxidation des während der Zündung entstehenden CO.
Im Falle eines verzweigten beziehungsweise zyklischen Kohlenwasserstoffs stellt sich die Zündung etwas komplexer dar, es stehen mehrere unterschiedliche Reaktionspfade je nach entstehenden Zwischenprodukten zur Verfügung. In einem globalen Modell ist es allerdings nicht möglich, all diese Pfade und Spezien zu berücksichtigen, dies würde zu einer unbrauchbar hohen Anzahl an Reaktionen führen. Nichts desto trotz ist es bei der Iso-Oktan (verzweigter Kohlenwasserstoff) Zündung möglich, das Verhalten mit den zuvor genannten Reaktionen abzubilden, natürlich müssen dabei Abweichungen hingenommen werden. Im Falle eines zyklischen Kohlenwasserstoffes ist dies kaum noch möglich, weiters liegt die Schwierigkeit vor, dass deren Zündung weniger gut bekannt ist und somit nur schwer modelliert werden kann. Wiederum soll auch bei der Zündung von 1,2,4-Trimethylbenzol ein stark vereinfachtes Schema, bestehend aus zwei Reaktionen angewendet werden.
Die zuvor genannten vereinfachten Modelle können die Zündungsprozesse der unterschiedlichen Kohlenwasserstoffe sinnvoll wiedergeben, allerdings kommt es bei Mischungen von mehreren Kohlenwasserstoffen zu deutlichen Abweichungen gegenüber experimenteller Werte. Dies liegt an der fehlenden Interaktion zwischen den Spezien bei einem globalen Modell. Im Falle von detaillierten Mechanismen gibt es eine Vielzahl von Zwischenprodukten, welche untereinander interagieren und somit die korrekte Zündung von Mischungen aus Kohlenwasserstoffen wiedergeben. Bei einem globalen Modell muss dieses Verhalten durch eine oder gegebenenfalls mehrere konstruierte Interaktionsreaktionen dargestellt werden.
Für die korrekte Berechnung des Zündungs- und Verbrennungsprozesses, besonders für die Abgaszusammensetzung ist eine weitere Reaktion notwendig. Ohne diese Reaktion werden die Wasserkonzentration und auch die Abgastemperatur durch das Simulationsmodell deutlich überschätzt, was durch das Fehlen der Wasserstoffchemie erklärt werden kann. Das Nichtberücksichtigen der Wasserstoffchemie reduziert einerseits die Anzahl an Reaktionen erheblich, andererseits führt es zu den zuvor genannten Abweichungen. Aus diesem Grund wurde die Wassergas-Shift-Reaktion zur Berechnung der Wasserkonzentration und somit auch der Temperatur in das mathematische Modell integriert. Diese ist in der Lage, das Verhalten nach der Zündung gut wiederzugeben, kann aber die gesamte Wasserstoffchemie , welche vor allem vor der Zündung von Bedeutung ist, nicht vollständig ersetzen.
Die Anwendung des zuvor genannten Reaktionsschemas für unterschiedliche Kraftstoffe geschieht durch Einsetzen von dessen Spezien in das Modell und durch Anpassen der kinetischen Parameter an experimentelle Zündungsdaten. Das Schema wurde auf diesem Weg für Iso-Oktan, N-Heptan und N-Dekan und in vereinfachter Form auch für 1,2,4-Trimethylbenzol angewendet. Aus diesen Modellen konnten in weiterer Folge Mechanismen für Benzin und Kerosin erstellt werden.
Die so erhaltenen Modelle wurden anhand von experimentellen Zündverzugszeiten für unterschiedliche Bedingungen validiert. Weitere Berechnungen wurden mit Simulationsergebnissen, welche mit detaillierten Mechanismen gewonnen wurden, verglichen und so verifiziert. Im Falle von fehlenden Experimenten ist dies der einzige Weg, um die Ergebnisse des globalen Modells zu bestätigen, wobei der erste Weg der Validierung, falls möglich, zu bevorzugen ist. Der Fokus lag auf Überprüfung der Zündverzugszeiten und der Konzentration der wichtigsten Abgasspezien sowie der Temperatur. Mehr Validierung wurde anhand von Simulationen von unterschiedlichen Reaktoren bei variierenden Bedingungen durchgeführt.
Die generelle Leistung der entwickelten Modelle war zufriedenstellend, somit kann geschlussfolgert werden, dass beide Mechanismen in der Lage sind, Zündung und Verbrennung auf zuverlässige Art und Weise zu berechnen.
Für unterschiedliche Kraftstoffe sind in der Literatur eine gewisse Anzahl an Verbrennungs-mechanismen vorhanden. Aus diesen unterschiedlichen Modellen wurden bereits eine Reihe von vereinfachten, globalen Reaktionsschemen entwickelt. Der gesamte Zündungsprozess wird üblicherweise in einen Hoch-, einen Nieder- und einen Mitteltemperaturbereich unterteilt. Je nach Zündtemperatur laufen die Reaktionen eines dieser Zündungspfade ab. Im Falle des zu entwickelnden Modells wurden für die Hochtemperaturzündung zwei und für den Nieder- und Mitteltemperaturbereich fünf globale Reaktionen eingesetzt. Eine weitere Reaktion dient zur Berücksichtigung der Oxidation des während der Zündung entstehenden CO.
Im Falle eines verzweigten beziehungsweise zyklischen Kohlenwasserstoffs stellt sich die Zündung etwas komplexer dar, es stehen mehrere unterschiedliche Reaktionspfade je nach entstehenden Zwischenprodukten zur Verfügung. In einem globalen Modell ist es allerdings nicht möglich, all diese Pfade und Spezien zu berücksichtigen, dies würde zu einer unbrauchbar hohen Anzahl an Reaktionen führen. Nichts desto trotz ist es bei der Iso-Oktan (verzweigter Kohlenwasserstoff) Zündung möglich, das Verhalten mit den zuvor genannten Reaktionen abzubilden, natürlich müssen dabei Abweichungen hingenommen werden. Im Falle eines zyklischen Kohlenwasserstoffes ist dies kaum noch möglich, weiters liegt die Schwierigkeit vor, dass deren Zündung weniger gut bekannt ist und somit nur schwer modelliert werden kann. Wiederum soll auch bei der Zündung von 1,2,4-Trimethylbenzol ein stark vereinfachtes Schema, bestehend aus zwei Reaktionen angewendet werden.
Die zuvor genannten vereinfachten Modelle können die Zündungsprozesse der unterschiedlichen Kohlenwasserstoffe sinnvoll wiedergeben, allerdings kommt es bei Mischungen von mehreren Kohlenwasserstoffen zu deutlichen Abweichungen gegenüber experimenteller Werte. Dies liegt an der fehlenden Interaktion zwischen den Spezien bei einem globalen Modell. Im Falle von detaillierten Mechanismen gibt es eine Vielzahl von Zwischenprodukten, welche untereinander interagieren und somit die korrekte Zündung von Mischungen aus Kohlenwasserstoffen wiedergeben. Bei einem globalen Modell muss dieses Verhalten durch eine oder gegebenenfalls mehrere konstruierte Interaktionsreaktionen dargestellt werden.
Für die korrekte Berechnung des Zündungs- und Verbrennungsprozesses, besonders für die Abgaszusammensetzung ist eine weitere Reaktion notwendig. Ohne diese Reaktion werden die Wasserkonzentration und auch die Abgastemperatur durch das Simulationsmodell deutlich überschätzt, was durch das Fehlen der Wasserstoffchemie erklärt werden kann. Das Nichtberücksichtigen der Wasserstoffchemie reduziert einerseits die Anzahl an Reaktionen erheblich, andererseits führt es zu den zuvor genannten Abweichungen. Aus diesem Grund wurde die Wassergas-Shift-Reaktion zur Berechnung der Wasserkonzentration und somit auch der Temperatur in das mathematische Modell integriert. Diese ist in der Lage, das Verhalten nach der Zündung gut wiederzugeben, kann aber die gesamte Wasserstoffchemie , welche vor allem vor der Zündung von Bedeutung ist, nicht vollständig ersetzen.
Die Anwendung des zuvor genannten Reaktionsschemas für unterschiedliche Kraftstoffe geschieht durch Einsetzen von dessen Spezien in das Modell und durch Anpassen der kinetischen Parameter an experimentelle Zündungsdaten. Das Schema wurde auf diesem Weg für Iso-Oktan, N-Heptan und N-Dekan und in vereinfachter Form auch für 1,2,4-Trimethylbenzol angewendet. Aus diesen Modellen konnten in weiterer Folge Mechanismen für Benzin und Kerosin erstellt werden.
Die so erhaltenen Modelle wurden anhand von experimentellen Zündverzugszeiten für unterschiedliche Bedingungen validiert. Weitere Berechnungen wurden mit Simulationsergebnissen, welche mit detaillierten Mechanismen gewonnen wurden, verglichen und so verifiziert. Im Falle von fehlenden Experimenten ist dies der einzige Weg, um die Ergebnisse des globalen Modells zu bestätigen, wobei der erste Weg der Validierung, falls möglich, zu bevorzugen ist. Der Fokus lag auf Überprüfung der Zündverzugszeiten und der Konzentration der wichtigsten Abgasspezien sowie der Temperatur. Mehr Validierung wurde anhand von Simulationen von unterschiedlichen Reaktoren bei variierenden Bedingungen durchgeführt.
Die generelle Leistung der entwickelten Modelle war zufriedenstellend, somit kann geschlussfolgert werden, dass beide Mechanismen in der Lage sind, Zündung und Verbrennung auf zuverlässige Art und Weise zu berechnen.
For CFD-simulations (CFD...Computational Fluid Dynamics) simplified chemical kinetic models are necessary to reduce simulation times. In this work a global model for the ignition processes of surrogates for different fuels consisting of more than seven carbon molecules is developed. The investigated surrogates are mixtures of a fast igniting long-chain hydrocarbon and a slow igniting branched or cyclic hydrocarbon. Whereby the main focus is on calculation of self ignition processes and calculation of a few major species.
For typical surrogates different combustion mechanisms are available in literature. Based on this simplified models were developed, whereby the whole ignition process is divided in a high-, intermediate- and low temperature region. For the different temperature regimes the ignition process takes alternative reaction paths. For simulation of the high-temperature path, two reactions were inserted in the actual model, for the low and the NTC-pathway (NTC...Negative Temperature Coefficient) five reactions are necessary and one more reaction drives the final oxidation of the generated CO.
For the branched or the cyclic hydrocarbons the ignition behaviour is much more difficult and more different pathways and intermediate species may occur. Including all these different species into a global ignition model is not advisable; this would cause a high number of reactions. In the case of the iso-octane ignition, it is possible to obtain the ignition delay by the same model as for a long-chain hydrocarbon; however some deviations have to be accepted. In case of an other surrogate (like 1,2,4-Trimethylbenzene) this scheme is no longer sufficient and different intermediate species have to be considered.
Again the idea is to generate a global kinetic model to reproduce the ignition delay times, however representing all different paths of the ignition process in detail is not possible.
Simulating the ignition delay of the single surrogate species by using a global scheme is possible, but for mixtures of two or even more components some kind of interaction between different hydrocarbons is necessary. In case of more detailed combustion mechanisms the interaction is done by reactions between intermediate species. In case of a global reaction set these intermediates are missing at all, or even the reactions between these species are not included. To solve this problem and to establish influence of one surrogate component to the other, one or even more special designed interaction reactions have to be integrated.
One more reaction is needed for correct prediction of the water-content and the off-gas temperature. The overestimation of the water content results from neglecting the hydrogen chemistry, what on one hand reduces the amount of chemical equations significantly, on the other hand generates wrong off-gas compositions. Therefore a water gas-shift reaction is inserted, which is able to reproduce the off-gas composition and the temperature in an accurate way, however it is not possible to replace the whole hydrogen chemistry by one equation.
Application of the general pathway for different fuels is possible by inserting the correct types of species for each fuel and by optimizing the Arrhenius parameters and in some cases the reaction orders for each fuel component. This procedure was done for iso-octan, N-Heptane, n-decane and in a simplified way even for 1,2,4-Trimethylbenzene. Out of these sub-models, global combustion mechanisms for gasoline and kerosene were developed.
The investigated global combustion mechanisms were validated by comparing simulated ignition delay times with literature data. Another way of validation is verifying simulation results with a more detailed combustion mechanism. In some cases this is the only possible way of validation because just very few experimental data are available; of course using experimental data for verifying is always the preferable way. The focus of the validation is the prediction of ignition delay times and the simulation of temperature and main species during the combustion process. More validation has been carried out by simulating different reactors at varying conditions. The overall performance of the investigated models is good, therefore it can be said that both mechanisms (gasoline and kerosene) are able to simulation ignition and combustion in a reliable way.
For typical surrogates different combustion mechanisms are available in literature. Based on this simplified models were developed, whereby the whole ignition process is divided in a high-, intermediate- and low temperature region. For the different temperature regimes the ignition process takes alternative reaction paths. For simulation of the high-temperature path, two reactions were inserted in the actual model, for the low and the NTC-pathway (NTC...Negative Temperature Coefficient) five reactions are necessary and one more reaction drives the final oxidation of the generated CO.
For the branched or the cyclic hydrocarbons the ignition behaviour is much more difficult and more different pathways and intermediate species may occur. Including all these different species into a global ignition model is not advisable; this would cause a high number of reactions. In the case of the iso-octane ignition, it is possible to obtain the ignition delay by the same model as for a long-chain hydrocarbon; however some deviations have to be accepted. In case of an other surrogate (like 1,2,4-Trimethylbenzene) this scheme is no longer sufficient and different intermediate species have to be considered.
Again the idea is to generate a global kinetic model to reproduce the ignition delay times, however representing all different paths of the ignition process in detail is not possible.
Simulating the ignition delay of the single surrogate species by using a global scheme is possible, but for mixtures of two or even more components some kind of interaction between different hydrocarbons is necessary. In case of more detailed combustion mechanisms the interaction is done by reactions between intermediate species. In case of a global reaction set these intermediates are missing at all, or even the reactions between these species are not included. To solve this problem and to establish influence of one surrogate component to the other, one or even more special designed interaction reactions have to be integrated.
One more reaction is needed for correct prediction of the water-content and the off-gas temperature. The overestimation of the water content results from neglecting the hydrogen chemistry, what on one hand reduces the amount of chemical equations significantly, on the other hand generates wrong off-gas compositions. Therefore a water gas-shift reaction is inserted, which is able to reproduce the off-gas composition and the temperature in an accurate way, however it is not possible to replace the whole hydrogen chemistry by one equation.
Application of the general pathway for different fuels is possible by inserting the correct types of species for each fuel and by optimizing the Arrhenius parameters and in some cases the reaction orders for each fuel component. This procedure was done for iso-octan, N-Heptane, n-decane and in a simplified way even for 1,2,4-Trimethylbenzene. Out of these sub-models, global combustion mechanisms for gasoline and kerosene were developed.
The investigated global combustion mechanisms were validated by comparing simulated ignition delay times with literature data. Another way of validation is verifying simulation results with a more detailed combustion mechanism. In some cases this is the only possible way of validation because just very few experimental data are available; of course using experimental data for verifying is always the preferable way. The focus of the validation is the prediction of ignition delay times and the simulation of temperature and main species during the combustion process. More validation has been carried out by simulating different reactors at varying conditions. The overall performance of the investigated models is good, therefore it can be said that both mechanisms (gasoline and kerosene) are able to simulation ignition and combustion in a reliable way.
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Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zsfassung in engl. Sprache
Zsfassung in engl. Sprache
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