CFD und verbrennungskinetische Simulation eines synthetisch hergestellten Bio-Kerosins und deren Validierung anhand eines 1-Zylinder-Verbrennungsreaktors

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Verbrennungscharakteristik, anhand der Energieumsetzung, des Druckanstieges und der Flammenausbreitung, eines synthetisch hergestellten Bio-Kerosins aus Eichenholz-Hackschnitzel und die Identifizierung eines chemischen Reaktionsmechanismus, welcher anhand einer CFD - Simulation diese am Prüfstand ermittelte Verbrennungskinetik abbildet. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit Grundlagenuntersuchungen des Verbrennungsverhaltens des Bio-Kerosins, wie auch unterschiedlicher konventioneller Kraftstoffe, anhand eines 1-Zylinder-Verbrennungsreaktors (Verbrennungsbombe) im Labor des Institutes für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, kurz IFA, an der TU-Wien. Die Ermittlung der charakteristischen Kennwerte, wie Druckverlauf, Massenumsatzpunkte und Flammenausbreitung erfolgte mittels einer Hochdruckindizierung und High-Speed Videotechnik am Verbrennungsreaktor. Neben dem synthetischen Bio-Kerosin wurden auch Kerosin, Benzin, AV-Gas, n-Heptan, Iso-Oktan und einige ausgewählte Kraftstoffmischungen von Benzin und Kerosin, wie Kerosin und Bio-Kerosin, untersucht. Die Initialparameter der Messungen waren eine Brennraumtemperatur von 215 °C und ein Beladedruck von 12 bar bei einer durch die eingebrachte Kraftstoffmenge definierte Luftzahl von 0,9; 1 und 1,1. Die ermittelten Ergebnisse geben den Einfluss der unterschiedlichen Kraftstoffzusammensetzungen, anhand deren Kohlenwasserstoffkomponenten, gut wieder. Des Weiteren zeigt sich, dass das untersuchte synthetische Kerosin nahezu ein identes Verbrennungsverhalten, bezüglich Brenndauer und Spitzendruck, im Vergleich zu konventionellem Kerosin aufweist. Die Prüfstandergebnisse bilden die Grundlage zur Validierung der nachfolgend durchgeführten CFD - Simulation, welche den zweiten Abschnitt dieser Arbeit darstellt. Dabei wurde der 1-Zylinder-Verbrennungsreaktor als Modell in die Simulationssoftware CONVERGETM von Convergent Science, Inc. implementiert. Die Visualisierung der Simulationsergebnisse erfolgte anhand der Postprocessingsoftware EnSight von CEI Inc.. Aufgrund des komplexen chemischen Aufbaues des Bio-Kerosins und der damit verbundenen langen Rechenzeiten, wurden anfänglich Simulationen mit Iso-Oktan durchgeführt. Diese dienten zum Aufbau des Rechengitters, sowie zum besseren Verständnis der Einflüsse der unterschiedlichen Netzparameter des Modelles und zur Reduktion der Rechenzeit bei gleichbleibender Ergebnisgüte. Für die Validierung der Simulationsergebnisse mit den Prüfstandergebnissen von Bio-Kerosin kam ein Kerosin-Reaktionsmechanismus mit einem Modellkraftstoff bestehend aus einer Dreikomponentenmischung aus n-Dekane, n-Propylcyclohexan und n-Propylbenzol zum Einsatz, welche eine gängige Komponentenzusammensetzung der Kerosin-Simulation darstellt. Dabei konnte eine gute Übereinstimmung der Simulation mit den Prüfstandsergebnissen erzielt werden. Folglich kann der verwendete Verbrennungsmechanismus in weiteren CFD-Simulationen zur Abbildung des synthetischen Bio-Kerosins herangezogen werden.

The aim of this thesis is to investigate the combustion characteristics of a synthetic bio-kerosene, produced of oak wood chips and identify a chemical reaction mechanism that illustrates the test bench outcomes in a computational fluid dynamics (CFD) environment. The first part of the thesis deals with fundamental studies on the combustion behavior of the bio-kerosene and different conventional fuels (kerosene, gasoline, avgas, n-heptane, iso-octane) in a 1-cylinder-combustion reactor (combustion bomb). Characteristic values, such as pressure, mass burned fraction and flame propagation have been determined by pressure indication and a high-speed-video camera. The initial parameters of the measurements have been a constant value of a combustion chamber temperature of 215 °C and a chamber pressure of 12 bar. Additionally the air/fuel ratio has been varied in tree steps: 0,9, 1 and 1,1. The test bench results show the influence of various hydrocarbon components of the fuels. Furthermore the investigated synthetic kerosene illustrates similar combustion characteristics as conventional kerosene, in term of maximum pressure and burning velocity. For the CFD simulation the 1-cylinder-combustion reactor was modeled with the software CONVERGETM from Convergent Science, Inc.. Furthermore, the visualization of the results has been realized with the post processing software EnSight from CEI Inc.. Due to the complex chemical structure of organic kerosene and the associated computation time, initially simulations with iso-octane were performed. These conduced to a better comprehension of modeling the computational grid. As a model fuel, a three-component mixture of n-dekan, n-propylxyclohexane and propylbenzene has been used to validate the simulation results, .which is a common blend of components to simulate kerosene. The simulation results showed a good agreement to the test bench outcomes. Therefore the used chemical reaction mechanism could be used for further CFD simulations to illustrate a synthetic bio-kerosene.