CFD Modellierung von Verbrennung und Strahlungswärmeübergang in stationären Flammen

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1 14. DVV Kolloquium Kleinindustrielle Feuerungsanlagen: Aktueller Stand und Zukünftige Herausforderungen CFD Modellierung von Verbrennung und Strahlungswärmeübergang in stationären Flammen R. Tatschl,, P. Priesching,, A. Raulot M. Baburic,, N. Duic

2 Überblick CFD Platform Nicht-vorgemischte Verbrennung Laminar Flamelet Model Flamelet Profile PDF Tabelle Ergebnisse Sandia Pilot Jet Flame D Strahlung Discrete Transfer Radiation Method (DTRM) Weighted Sum of Grey Gases Model (WSGGM) Verifizierung IJmuiden Forschungsbrenner Simulation

3 FIRE / SWIFT Computational Fluid Dynamics Programm Strömungslöser Reynolds averaged Navier-Stokes Gleichungen Turbulenzmodellierung - k-ε,, k-ζ-f, k HTM, RSM, LES Kompressibel / inkompressibel Diskretisierungschemata höherer Ordnung MPI Parallelisierung Unstrukturierte Gitter Modellierung reaktiver Mehrphasensysteme Euler/Lagrange und Euler/Euler Mehrphasenmodellierung Allgemeiner Speziestransport / Thermochemie und Property DB Homogene Gasphasenreaktionen (CHEMKIN Inputdaten Interface) Heterogene Oberflächenreaktionen Modelle für vorgemischte und nicht-vorgemischte Verbrennung DTRM Strahlungsmodell...

4 Spezies / Temperatur 2 Yi χ Y ρ ρ & ω = τ 2 Z i 0 2 i Flamelet - Gleichungen c c Y ρ ρ ρ ρ + ω = 2 Nspec Nspec T χ T χ T p χ pi i T 1 qr 2 hi i τ 2 Z 2cp Z Z i 1 2 cp Z Z c & = p i= 1 cp 0 Anbindung an CFD Code - Presumed Beta-PDF { ( ) } 1 2 erfc Z { ρd 2 ( ) } 1t erfc Z st exp 2 2 Z% ρv% χ = χ( Z ) = kz % χ Z% + st = exp 2 2 ( ρ ) ( ) t x x x ( ) ( ) 2 2 ρz ρvk Z k k k scalar dissipation rate % 2 Z Z% Z% + = ρdt + 2ρDt ρχ% t xk x k x k xk xk

5 Flamelet Temperatur

6 Flamelet CH 4 Massenbruch

7 Flamelet CO Massenbruch

8 Flamelet H 2 O Massenbruch

9 Flamelet PDF Tabelle Temperatur

10 Flamelet Sandia Pilot Jet D

11 Flamelet Sandia Pilot Jet D Mischungsbruch Temperatur O 2 Massenbruch OH Massenbruch

12 Flamelet Sandia Pilot Jet D Mischungsbruch Einfluss Turbulenzmodell Temperatur

13 DTRM Theorie Änderung der Strahlungsintensität entlang des Einzelstrahls i 4 σ Tg 1 = i (1 ε ) + ε π,, n+ n Strahlungsintensität an einem Oberflächenelement i, 4 qout qin σtw = = (1 εw) + εw π 14243π π reflected part directly emitted part Änderung der Strahlungsintensität in einem Kontrollvolumen S = ( i i ) A cosθ Ω S,, j, i n+ 1 n j j, i j, i = S j, tot j, i i

14 DTRM WSGGM Gesamtemissivität der Gas/Russ Mischung auf Basis des WSGGM I + 1 ( ap i + BTc) s ( T, xi) =, i( T)(1 e ) i= 1 ε α ε I = 3 Anzahl number beteiligter of grey Gase gases; B = Wichtungsfaktoren J α ε, i( ) = ε, i, j j= 1 T b T j 1 Absorptionskoeffizient ln(1 ε ( T, x i )) a = s

15 DTRM Verifikation (Zylinder) Wärmestrom über Wandabstand (dimensionslos) für unterschiedliche optische Dichten (18 Strahlen)

16 DTRM Brenner Simulation

17 DTRM Brenner Simulation Brenner

18 DTRM Brenner Simulation

19 DTRM Brenner Simulation Brennstoff Zusammensetzung Kohlenstoff Wasserstoff Schwefel Heizwert kj/kg Einlass Sekundärluft 1849 kg/h Primärluft (Drall) 434 kg/h Temperatur Sekundärluft 47 C Temperatur Primärluft 26 C Brennstoff Massenstrom 155 kg/h Brennstoff Temperatur 116 C

20 DTRM Brenner Simulation Geschwindigkeit Temperatur

21 DTRM Brenner Simulation

22 DTRM Brenner Simulation Temperaturfeld ohne Strahlungsmodell

23 DTRM Brenner Simulation Temperaturfeld

24 DTRM Brenner Simulation

25 DTRM Brenner Simulation

26 Zusammenfassung FIRE/SWIFT CFD Platform Offene Schnittstellen zum einfachen Modelleinbau Laminar Flamelet Modell Gute Übereinstimmung von Messung und Rechnung für Sandia Pilot Jet Flame D DTRM Verifizierung an idealisierten Testbeispielen zeigt gute Übereinstimmung von Rechnung und Messung Erfolgreiche Validierung an Forschungsbrenner Ausblick Methodikentwicklung / Validierung für reale Applikationen

27 14. DVV Kolloquium Kleinindustrielle Feuerungsanlagen: Aktueller Stand und Zukünftige Herausforderungen CFD Modellierung von Verbrennung und Strahlungswärmeübergang in stationären Flammen R. Tatschl,, P. Priesching,, A. Raulot M. Baburic,, N. Duic

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