Teilprojekt B06 Maas

Teilprojekt B06 Maas

Reduzierte kinetische Modelle für Verbrennungsprozesse in Wandnähe

Motivation

Die zuverlässige Modellierung von Verbrennungsprozessen in technischem Maßstab erfordert die Behandlung verschiedener Phänomene. Neben turbulenten Strömungsfeldern in komplexen Geometrien sind auch chemische Reaktionen und ihrer Wechselwirkung mit physikalischen Prozessen, insbesondere auch mit Wänden, von großer Bedeutung. Die der Verbrennung in Wandnähe zugrundeliegenden physikalischen Gleichungen sind in Form der Erhaltungsgleichungen für Masse, Masse der chemischen Spezies, Energie und Impuls seit langem bekannt.

Die direkte, vollständige numerische Lösung dieser Gleichungen zur Berechnung technischer Systeme verbietet sich jedoch aufgrund des immensen Rechenaufwandes. Daher muss hier auf eine vereinfachte, reduzierte Behandlung der Gleichungen zurückgegriffen werden. Die Aufgabe besteht somit darin, einen vernünftigen Kompromiss aus Genauigkeit und Vorhersagekraft, sowie akzeptablem Berechnungsaufwand zu finden.

Ziele

Ziel des Projektes ist es, reduzierte kinetische Modelle für Verbrennungsprozesse in Wandnähe zu entwickeln. Die Modelle sollen die komplexe Dynamik der chemischen Reaktionen unter motortypischen Bedingungen zuverlässig beschreiben können. Hierzu werden die detaillierten Reaktionsmechanismen für das Modellsystem anhand von mathematisch basierten und für wandnahe Verbrennung adaptierten Reduktionskonzepten analysiert und reduziert. Wichtig ist zudem die Einbindung eines effizienten Zugriffs anderer CFD Simulationsprogramme (z.B. LES) auf die reduzierten Modelle und die von ihnen bereitgestellten Informationen über die chemische Dynamik.

Methode

Als Grundlage werden Modellsysteme für die detaillierte chemische Kinetik der im Projekt vereinbarten Modellkraftstoffe definiert und im weiteren Verlauf erweitert und verfeinert. Die Basis für die weitere Entwicklung bildet das REDIM (Reaction-Diffusion Manifolds)-Verfahren. Dieses wurde für die wandferne Gasphase entwickelt, basiert aber auf physikalisch generischen Konzepten. Daher ist eine Erweiterung auf Prozesse in Wandnähe, bei denen Oberflächenprozesse (Wärmeübergang, heterogene Reaktionen) und auch Transportprozesse in den Reaktionsprozess eingreifen, möglich. Hierzu müssen neue Methoden erarbeitet werden, die es erlauben, Randbedingungen für heterogene Prozesse (Cauchy-Randbedingungen) vorzugeben. Die entsprechenden Reduktionskonzepte werden dann durch Vergleich mit detaillierten Berechnungen anhand der bereits vorhandenen Programmpakete INSFLA und FLAME2D validiert.

Eine zusätzliche Besonderheit stellen die tiefen Temperaturen in Wandnähe dar, welche die Komplexität deutlich erhöhen. Da eine globale Dimensionserhöhung zur Erfassung dieser Effekte den Rechen- und Speicheraufwand stark erhöht, soll hier untersucht werden, inwieweit eine lokale Dimensionserhöhung des reduzierten Modells möglich ist. Hierfür werden die lokal langsamsten Zeitskalen identifiziert und Anhand der Reduktionsverfahren ILDM (Intrinsic Low-Dimensional Manifolds) und GQL (Global Quasi-Linearization) durch eine lokale Approximation beschrieben. Zusätzlich wird die Effizienz des Lösungsverfahrens für die REDIM-Gleichung in durch semi-implizite Verfahren deutlich gesteigert.

Für die Implementierung der reduzierten Mechanismen in andere Simulationen sind effiziente Tabellierungsverfahren erforderlich. Insbesondere sind aufgrund der zu erwartenden hohen Dimension des reduzierten Modells adaptive Gitter für die Tabellierung einzusetzen. Die jeweiligen Such- und Interpolationsalgorithmen für den Tabellenzugriff werden dann über Schnittstellen verschiedenen Programmpaketen zugänglich gemacht.

Abbildung 1: Rechts: 2D REDIM Mannigfaltigkeit und Vergleichsergebnisse detaillierter Profile (Rot und Blau) im Zustandsraum. Links: Detaillierte Berechnung (1D) wandnormaler Temperaturprofile bei Verbrennung an einer kalten inerten Wand für verschiedene Stärken der Anströmung an die Wand (repräsentiert durch den Parameter G).
Abbildung 1: Rechts: 2D REDIM Mannigfaltigkeit und Vergleichsergebnisse detaillierter Profile (Rot und Blau) im Zustandsraum. Links: Detaillierte Berechnung (1D) wandnormaler Temperaturprofile bei Verbrennung an einer kalten inerten Wand für verschiedene Stärken der Anströmung an die Wand (repräsentiert durch den Parameter G).