Untersuchung der Dynamik von wasserstoffreichen Flammen, Entwicklung neuer Methoden zur Validierung von Mechanismen der chemischen Kinetik und zur Modellreduktion

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Viatcheslav Bykov
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Energieverfahrenstechnik ; Mathematik ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382408926

Heutzutage basiert nicht nur die Entwicklung praktischer Geräte, welche die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen nutzen, sondern auch die theoretische Forschung im Bereich der Verbrennungs- und Explosionsphysik, auf der numerischen Behandlung mathematischer Modelle, die die detaillierte Kinetik der Oxidationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen anwenden. Derzeit gibt es eine Reihe kinetischer Mechanismen, die speziell für die Beschreibung der Hochtemperaur-Verbrennungsprozesse von Kohlenwasserstoffen entwickelt wurden. Diese können hunderte bis tausende Elementarschritte mit jeweils eigenen Reaktionskonstanten enthalten.Direkte und indirekte experimentelle Messungen dieser Reaktionskonstanten sind jedoch nur sehr eingeschränkt möglich. Dadurch ist die Entwicklung eines genauen und zuverlässigen mathematischen Modells der Verbrennungswellenausbreitung weiterhin eine herausfordernde Aufgabe und jede zusätzliche Methode zur Verifizierung und Validierung der chemischen Mechanismen ist von großem Wert.Im vorgeschlagenen Projekt empfehlen die Autoren die Entwicklung einer Methode zur Validierung und Verifizierung der Wasserstoff-Verbrennungsmechanismen. Gerade wegen ihrer Anwendungen in Energiespeichertechnologien, vor allem in Bezug auf die Reduzierung von CO2 Emissionen, bleibt die Wasserstoffverbrennung ein aktuelles Thema. Besonders wichtig sind Sicherheitsaspekte, deren Bewertung zuverlässige Mechanismen zur Beschreibung Explosionsprozesse, erfordert. Zudem stellt die Wasserstoffoxidation den gemeinsamen Teilmechanismus aller bekannter detaillierter Mechanismen für die Oxidation Kohlenwasserstoffe dar.Gleichzeitig ist die numerische Behandlung von Verbrennungsprozessen in technisch relevanten Geometrien und Strömungsbedingungen auf Grund der hohen Dimensionalität und großer Unterschiede zwischen den charakteristischen Längen- und Zeitskalen praktisch noch nicht umsetzbar. Die Dimensionalität und Steifigkeit des Systems erschwert die numerische Behandlung erheblich und führt zu sehr hohen Anforderungen an Rechenleistung und Speicherplatz. Aus diesem Grund stellt die Entwicklung reduzierter kinetischer Mechanismen ein weiteres Hauptthema des vorgeschlagenen Projekts dar.Die vorgeschlagene Methodik wird auf der Untersuchung der dynamischen Charakteristiken nichtlinearer Verbrennungswellen basieren, die in komplexen Verbrennungssystemen und auf niedrigdimensionalen Mannigfaltigkeiten, die im Zustandsraum des reagierenden Systems entwickelt wurden, entstehen. Die erfolgreiche Umsetzung des Projekts wird neue Möglichkeiten der Verifizierung chemischer Mechanismen eröffnen, sowie die Verbrennungstheorie und Anwendungen, auch im Bereich der industriellen Verwendung, deutlich verbessern. Die Methoden zur automatische Reduktion kinetischer Mechanismen werden eine zentrale Rolle in numerischen Berechnungen zur Kontrolle und Optimierung von Verbrennungsprozessen von Kohlenwasserstoffen in komplexen Geometrien und Strömungsbedingungen spielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Ulrich Maas
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr. Vladimir Gubernov