Mehrphasenströmungen und Verbrennung

Flamelet-Modellierung turbulenter Sprayflammen

Der Modellierung der chemischen Reaktionen in turbulenten (Spray-)Flammen kommt besondere Bedeutung zu, da sie Voraussetzung für die Berechnung der Schadstoffbildung beispielsweise von Kohlenstoffoxyd und Russvorläufern ist.

Die Flamelet-Modellierung stellt eine geeignete Methode dar, detaillierte chemische Reaktionen in komplexe Modelle einzubinden, da der turbulente Code lediglich die Vermischung und skalare Dissipationsgeschwindigkeit berücksichtigen muss. Die detaillierten chemischen Reaktionen werden dann durch Einbindung detaillierter Flammenstruktur-Bibliotheken modelliert.

Hierzu ist erforderlich, die laminaren Flammenstrukturen vorauszuberechnen. Im Falle turbulenter Sprayflammen ist zusätzlich die Verdampfung zu berücksichtigen sowie der Einfluss der Verdampfung auf die Energiegleichung. Vielfach werden reine Gasflammen in turbulente Flammencodes eingebunden, was eine zu grobe Vereinfachung darstellt. Abbildung 1 zeigt links die berechnete Flammenstruktur mit einer Gasflammen-Bibliothek und rechts eine Struktur, die mit einer Sprayflammen-Bibliothek berechnet wurde. In Gebieten, in denen Verdampfung und chemische Reaktionen simultan ablaufen, ist die Berücksichtigung laminarer Sprayflammen-Strukturen unabdingbar.

Abbildung 2 und 3 zeigen Konturplots des Acetylens sowie des Formaldehyds, das mit Hilfe laminarer Spray-Flamelets berechnet wurde, für eine turbulente Ethanol/Luft bzw. eine Methanol/Luft Sprayflamme.