Eisen als Brennstoff unterscheidet sich erheblich von anderen festen Brennstoffen wie Kohle oder Biomasse, so dass bisherige Ergebnisse oder Modellierungsansätze für diese kohlenstoffhaltigen Brennstoffe nicht direkt übertragen werden können. Bei der Verbrennung von Eisenpartikeln finden hauptsächlich heterogene Reaktionen statt und es werden normalerweise keine flüchtigen Bestandteile oder Oxidationsprodukte des Brennstoffs freigesetzt. Dies unterscheidet sich von der Verbrennung von Kohle oder Biomasse, bei der homogene Reaktionen in der Gasphase nach der Entgasung oder Verdampfung des Brennstoffs vorliegen.
Das Ziel dieses Teilprojekts ist die Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Verbrennung. Wenn Eisenpartikel turbulenten Strömungsbedingungen ausgesetzt sind, können sich Cluster bilden, was die Zündung und Verbrennung der Partikel beeinflusst. Es werden direkte numerische Simulationen (DNS) von homogener isotroper Turbulenz (HIT) durchgeführt, bei denen alle Turbulenzskalen aufgelöst werden, während die reagierenden Eisenpartikel durch die Strömung transportiert werden. Dieses Setup ermöglicht eine präzise Kontrolle von Größen wie der Stokes-Zahl der Partikel und der Reynolds-Zahl der Strömung, um die grundlegenden Partikel-Gas Wechselwirkungen zu untersuchen. In diesem Rahmen werden Submodelle für die einzelnen Partikel verwendet, wodurch der Rechenaufwand durch die Modellierung der Grenzschicht und der Reaktionsrate der Eisenpartikel reduziert wird. Dank dieses Ansatzes können Simulationen mit Millionen von Partikeln durchgeführt werden.
Das Projekt arbeitet eng mit den von C. Hasse (Numerische Untersuchung der laminaren und turbulenten Eisenstaub/Luft-Verbrennung) und O. Stein (Untersuchung der Eisenpartikelverbrennung in turbulenten Scherströmungen mittels DNS der Trägerphase) geleiteten Projekten zusammen.
Wissenschaftliche Fragestellungen:
- Wie clustern Eisenpartikel in homogener isotroper Turbulenz?
- Welchen Einfluss haben Partikelcluster auf die Partikelzündung und -verbrennung?
- Wie breitet sich die Flammenfront durch turbulente Partikel-Gas-Gemische aus?
