Vorhersage von Zündungen in brennbaren Gasen ausgelöst durch Kontaktöffnungs-Entladungen mit dynamischen elektrischen Quellen

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Berger; Dr.-Ing. Carsten Uber; Dr. Dirk Uhrlandt, seit 1/2023
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411446115

Das vorhergehende Projekt strebte einen multiphysikalischen Ansatz für Kontaktöffnungsentladungen mit Konstant-Stromquellen in H2-Luft-Gemischen an. Es wurde ein anwendungsorientiertes Modell für die Vorhersage einer thermochemischen Zündung für diese Referenzsituation (30 V, 60 mA) für den Explosionsschutz entwickelt. Mit experimentellen und modelltechnischen Untersuchungen wurde ein Verständnis für die zugrundeliegenden Phänomene entwickelt. Die Ergebnisse sind auf dem Gebiet des Explosionsschutzes einzigartig. Es zeigte sich im Unterschied zu Funkenentladungen mit einer Mindestzündenergie als Zündkriterium, dass bei den hier untersuchten Kontaktöffnungsentladungen eine gewisse Leistungsdichte für eine bestimmte Dauer (ca. 200 µs) für eine Zündung erforderlich ist. Darum werden in dem neuen Projekt die Untersuchungen auf dynamische elektrische Quellen und das daraus resultierende dynamische Verhalten der Entladung einschließlich dem zündrelevanten heißen Gaskern ausgeweitet. Die systematische Untersuchung kann durch Variation der zugeführten Leistung erfolgen und wird mit trapezförmiger und mit linearer Quellencharakteristik sowie unter Einbeziehung ausgewählter elektrischer Kreisparameter realisiert. Dies sind typische Quellen in der Praxis. Für die Anpassung des anwendungsorientierten Modells für dynamische Quellencharakteristiken ist eine Analyse und Simulation der Wirkung dieses Verhaltens notwendig. Das 1D-Stoß-Strahlungsmodel (CRM) wird von einem einstufigen zu einem mehrstufigen System angeregter Zustände erweitert und Cadmium als Anteil in einem H2-Luft-Gemisch betrachtet. Berechnungen für ein nicht-thermisches Plasma liefern thermophysikalische Daten als Eingabedaten für ein 2D-Wärmeleitungsmodell. Dieses Modell wird auch auf bewegliche Elektroden und dynamische Ströme erweitert, um final das anwendungsorientierte Modell zu verifizieren. Die Zuverlässigkeit der Modelle soll darüber hinaus durch eine Variation der Materialparameter verbessert werden, indem Zink als Kathodenmaterial eingesetzt wird. Die Messmethode wird durch eine neue zuverlässigere Kontaktvorrichtung mit Antrieben außerhalb der Explosionskammer und durch einen vorteilhafteren optischen Zugang für eine bessere Schlierenbild-Messung optimiert. Das Ziel des Projekts ist die Anpassung des bestehenden anwendungsorientierten Modells an das dynamische Verhalten der Entladung einschließlich der erwähnten Modelloptimierungen sowie die Einbeziehung ausgewählter elektrischer Kreisparameter.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Steffen Franke, bis 12/2022