Modellierung differenzieller Diffusion mit dünnbesetzten Partikelmethoden

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kronenburg
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439610422

Die Diffusion ist einer der wesentlichen Prozesse, die auf molekularer Ebene die Stoffzusammensetzung und somit auch die Dynamik eines Verbrennungsprozesses bestimmen. Aufgrund unterschiedlicher Molekülgröße diffundieren Stoffe mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (differenzielle Diffusion), was – im Gegensatz zu gleichen Diffusionsgeschwindigkeiten - zu einer Dekorrelation einzelner Stoffgrößen und somit zu veränderten Zündeigenschaften, Flammenstrukturen und Flammendynamik führen kann. Dennoch werden bei der Modellierung turbulenter Verbrennung fast ausschließlich gleiche Diffusionskoeffizienten angenommen (Lei=1 Annahme). Dies geschieht in der Annahme, dass turbulentes Mischen der differenziellen Diffusion entgegenwirkt und den Mischungsvorgang dominiert. Umgekehrt führt dies aber auch dazu, dass bei einer Abweichung der Simulationsergebnisse von Messdaten häufig die differenzielle Diffusion als „Schuldige“ identifiziert wird: dies bleibt eine rein hypothetisch Annahme, da ein Nachweis aufgrund fehlender, überzeugender Modelle nicht geführt werden kann.Gerade vor dem Hintergrund einer kohlenstoffreduzierten oder sogar kohlenstofffreien Verbrennung ist das Thema einmal mehr höchst aktuell. Nicht nur die Wasserstoffanreicherung fossiler Brennstoffe, wie bspw. die Einspeisung von Wasserstoff in das Erdgasnetz, sondern auch alternative Konzepte - hier seien stickstoffbasierte Energieträger () erwähnt - nutzen Wasserstoff als den eigentlichen Energieträger. Und es ist gerade der Wasserstoff, der aufgrund seiner kleinen Molekülgröße zu Effekten der differenziellen Diffusion verstärkt beiträgt. Eine genaue Modellierung der unterschiedlichen Transporteigenschaften scheint also unerlässlich, ist aber für turbulente Flammen nicht trivial, da turbulentes Mischen die molekulare Diffusion überlagert. Im hier beantragten Projekt sollen nun Modelle für die differentielle Diffusion im Kontext einer „dünnbesetzten“ partikelbasierten Monte-Carlo (PDF) Methode entwickelt werden. Jedes Monte Carlo Partikel repräsentiert eine instantane, lokale Lösung eines Fluidelements und erlaubt es, die Historie des Fluidelements vollständig abzubilden. So soll es möglich sein, den lokal variierenden Einfluss der turbulenten und molekularen Diffusion und einen möglichen „integralen“ (sich über die Zeit aufsummierenden) Charakter der jeweiligen Einflüsse zu berücksichtigen. Die Modelle sollen mit Hilfe direkter numerischer Simulationen (DNS) einfacher statistisch null- und ein-dimensionaler, nichtreagierender und reagierender Strömungen entwickelt werden. Die anfänglich 0-dimensionale Betrachtung erlaubt eine Trennung der Modellierung der verschiedenen Terme, die in den Erhaltungsgleichungen der Stoffzusammensetzung die differenzielle Diffusion beschreiben. In einem abschließenden Schritt sollen die Modelle anhand eines Vergleichs der Simulationen mit Messdaten, die für reale turbulente Laborflammen zur Verfügung stehen, validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen