Zündprozesse in Stoßwellenrohren und der Einfluss von nichtidealen Effekten auf die Messung der Verbrennungschemie: Stoßwellenexperimente, Modellierung und Simulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Kempf; Professor Dr. Christof Schulz
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279056804

Stoßwellenrohre bieten eine ausgezeichnete Plattform für die Entwicklung chemischer Reaktionsmechanismen, da sie die isolierte Untersuchung von Hochtemperaturreaktionen ohne Beeinträchtigung durch Misch- und Transportprozesse ermöglichen. Bei Bedingungen, die für praktisch wichtige Niedertemperatur-Verbrennungsprozesse relevant sind, können mehrere inhärente Phänomene räumliche und zeitliche Inhomogenitäten hervorrufen, die zu früher lokaler Zündung führen und eine einfache Dateninterpretation verhindern. Zu solchen „nicht-idealen“ Prozessen gehören die Wechselwirkung der Stoßwelle mit Grenzschichten, verzögerte Membranöffnung, Stoßwellen-Bifurkation, frühe Wärmefreisetzung und heiße Partikel. Das Gesamtziel des Projekts ist, inhomogene Zündung im Hochdruck-Stoßwellenrohr zu untersuchen, um die bestgeeigneten experimentellen Konfigurationen zu bestimmen, die eine direkte oder modellgestützte Auswertung ermöglichen. Die Kombination von Experiment und Simulation wird auch dazu beitragen, solche Reaktionsbedingungen auszuschließen, bei denen eine Verkettung mehrerer Effekte eine Dateninterpretation unmöglich macht. In der ersten Projektperiode wurden nicht-ideale anlagenabhängige Effekte untersucht. Durch die Kombination experimenteller Daten verschiedener Stoßwellenrohre und die Unterstützung durch Simulation wurde ein Verständnis dieser Effekte erreicht und Korrelationen zwischen gemessenen Größen wie z.B. dem allmählichen Druckanstieg als Funktion der Versuchsbedingungen abgeleitet. Die zweite Phase geht nun einen wichtigen Schritt weiter und schließt chemieabhängige Effekte ausgewählter Brennstoffe mit hoher Vorzündungsneigung ein, die die Ungleichförmigkeit durch Rückkopplung zwischen Gasdynamik und Reaktionswärmeabgabe verstärken. Der Schwerpunkt liegt auf (1.) Experimente mit langen Messzeiten bei Brennstoffen mit variablen niedrigen Reaktivitäten (CH4, H2, C3H6), (2.) Unterdrückung nicht-idealer Effekte unter Verwendung eines neuen Stoßwellenrohrdesigns (eingeschränktes Reaktionsvolumen, CRV) und von Treibrohr-Einsätzen, (3.) Untersuchung von Reaktionen komplexer Brennstoffe (milde Zündung, negative Temperaturkoeffizienten, NTC) wie n-Heptan, die besonders empfindlich auf inhomogene Bedingungen reagieren.Diese Phänomene werden in einem Hochdruck-Stoßwellenrohr mit einer neu konstruierten CRV-Testsektion untersucht, die eine Zündung außerhalb des Beobachtungsvolumens unterdrückt. Die neue Testsektion ermöglicht erweiterte Zugänglichkeit für orts- und zeitaufgelöste Detektion von Druck, Temperatur und lokaler Zündung. Es werden 0D-, 2D- und 3D-Simulationen durchgeführt, um ein grundlegendes Verständnis der zugrunde liegenden Effekte zu erzielen. Die Zündung von Kraftstoffen mit ausgeprägtem NTC-Verhalten wird simuliert, indem die Änderung von Temperatur und Druck aufgrund von Grenzschichteffekten berücksichtigt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Mustapha Fikri; Dr.-Ing. Irenäus Wlokas