Experimental and computational studies on combustion of surrogate and alternative fuel components at atmospheric and elevated pressures

Abstract

Mit dem Ziel den Wissensstand der Verbrennungswissenschaft und -technik zu erweitern, werden im Zuge dieser Dissertation experimentelle und rechnerische Untersuchungen ausgeführt. Der Fokus der Betrachtungen liegt auf der Verbrennung bei erhöhten Drücken und beinhaltet Messungen und numerische Berechnungen fundamentaler Grenzphänomene der Flammbarkeit und kritischer Bedingungen. Die Entwicklung sowohl der experimentellen als auch der computergestützten Methodologie werden zusammen mit der Erweiterung der Kapazitäten der experimentellen Anlage hierin protokolliert. Ergebnisse vorangehender und zusätzlicher Untersuchungen bei atmosphärischem Druck werden angeführt und diskutiert, um im Bedarfsfall die Betrachtungen im Hauptaugenmerk zu ergänzen und die entwickelten rechnerischen Methoden und Modelle auf ihre Zuverlässigkeit und Effizienz zu prüfen. Die experimentelle Anlage, welche während der Untersuchungen angewendet und für die Simulationen modelliert wird, ist der Gegenstrombrenner in verschiedenen Konfigurationen für gasförmige und flüssige Brennstoffe. Die Messungen wurden in UC San Diego's Verbrennungslabor unternommen, in welchem sowohl ein modulares Brennersystem für Experimente bei atmosphärischem Druck als auch die einzigartige High Pressure Combustion Experimental Facility (HPCEF) zur Untersuchung von Verbrennungsprozessen und Flammen bei erhöhten Drücken zur Verfügung stehen. Bei atmosphärischem Druck wurden Auslöschungs- und Selbstzündungsexperimente zur Ermittlung der Auslöschungsströmungsgeschwindigkeiten und Selbstentzündungstemperaturen bei gasförmigen, vorverdampft flüssigen und angestaut kondensierten Brennstoffen durchgeführt, während am HPCEF ausschließlich kondensiert flüssige Brennstoffe untersucht wurden, um deren Selbstentzündungstemperaturen unter variierenden Randbedingungen bei Drücken von 5 bar bis zu 25 bar zu bestimmen. Die während der Versuche untersuchten Brennstoffe sind die gasförmigen Alternativkraftstoffkomponenten Dimethyl Ether (DME) und Propan und die flüssigen Referenzkraftstoffe und Surrogatkomponenten n-Heptan, n-Decan, and n-Dodecan. Graphische Darstellungen der experimentellen Daten und numerischen Berechnungen, zusammen mit den vorherrschenden Randbedingungen, befinden sich in den jeweiligen Kapiteln, während die individuellen Datenpunkte der Messungen, inklusive ihrer dazugehörigen Standardfehler, zur Referenz in tabellarischer Form im Anhang angeführt sind. Für die Berechnungen und computergestützten Simulationen dieser Arbeit kam das open source Software Toolkit Cantera zum Einsatz. Während sein Löser, welcher in der Lage ist thermodynamische, chemische und transporttechnische Phänomene zu lösen, um Strömungsprobleme mit chemischen Reaktionen und Flammen zu simulieren, unverändert verwendet wurde, wurden die Basisimplementierung und das Modell der Gegenstromkonfiguration angepasst und signifikant erweitert, um den Anforderungen der Untersuchungen dieser Arbeit gerecht zu werden. Als Resultat entstand ein Python Modul namens "UCSDComLab", welches durch die Implementierung zahlreicher Objekte und Funktionen zur Modellierung, Simulation und Evaluierung der Experimente, die im Zuge dieser Dissertation durchgeführt wurden, eine Schnittstelle zu Cantera bietet, um die Berechnungen und nummerischen Prozesse zu erleichtern und zu beschleunigen. Für die Bereitstellung der benötigten physikalischen und reaktionskinetischen Parameter der auftretenden Stoffe, welche zur Simulation der Systeme und Prozesse notwendig sind, wurden verschiedene vollständige, vereinfachte und spezialisierte Versionen des San Diego und des PoliMi Mechanismus eingesetzt.

Experimental and computational investigations are carried out with the goal to expand the body of knowledge of combustion science and engineering. The dissertation's focus is set on combustion at elevated pressures and encompasses measurements and numerical calculations of fundamental limit phenomena and critical conditions. Development of the methodology and computational framework, as well as the expansion of capabilities of the experimental setup are documented herein. Results of preliminary and additional studies at atmospheric pressure are given and discussed to complement the key investigations where necessary, and to test the developed computational methods and models for their reliability and efficiency. The experimental device used for the investigations and modeled for the simulations is the counterflow burner in various configuration for gaseous and liquid fuels. The measurements were taken at UC San Diego's Combustion Laboratory where a modular burner for experiments at atmospheric pressure as well as the unique High Pressure Combustion Experimental Facility (HPCEF) for investigations of combustion processes and flames at elevated pressures are housed. At atmospheric pressure, extinction and autoignition experiments to measure extinction strain rates and autoignition temperatures of gaseous, prevaporized liquid and pools of condensed fuels were conducted, while at the HPCEF, exclusively condensed liquid fuels were studied to determine autoignition temperatures under varying boundary conditions at pressures from 5 bar up to 25 bar. The tested fuels for the investigations were the gaseous alternative fuel components dimethyl ether (DME) and propane, and the liquid primary reference fuel (PRF) and surrogate components n-heptane, n-decane, and n-dodecane. Graphical representations of the experimental data and numerical calculations including the imposed boundary conditions are given in the respective chapters, while the individual data points of the measurements together with their standard errors are given in tabulated form in the appendix for reference. For the computations and simulations of this thesis, the open source software toolkit Cantera was used. While its solver, capable of handling thermodynamic, chemical kinetic, and transport phenomena to numerically solve chemically reacting flow problems and simulate flames, was left unmodified, the basic implementation and model of the counterflow configuration was adapted and vastly expanded to fit the needs of the investigations presented in this thesis. Eventually, a Python module interfacing with Cantera named "UCSDComLab" was developed to facilitate and streamline the computations and numerical processes by implementing several objects and functions to model, simulate, and evaluate experiments conducted in the course of this dissertation. To provide the required property and reaction data for all the relevant species in the simulated systems and processes, various complete, reduced, and specialized versions of the San Diego and PoliMi Mechanisms were used.