Experimentelle Untersuchung der thermochemischen Oxidation bei der Verbrennung von Eisenpartikeln unter laminaren und turbulenten Strömungsbedingungen

Ziel des Projektes ist, die Kopplung von Reaktions- und Transportprozessen bei der Verbrennung von Eisenstaub in Luft besser zu verstehen sowie Daten bereitzustellen, die für die mathematische Modellierung und später für die Validierung von numerischen Simulationen dringend benötigt werden.

Aufgrund seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften erfolgt die Verbrennung von Eisenstaub heterogen. So bleiben Eisen und seine Oxide während ihrer Oxidation in der dispersen Phase. Infolgedessen sind die Reaktionszonen nicht kontinuierlich verteilt wie in Gasflammen. Die Kopplung von Reaktions- und Transportprozessen, die zu einer Reaktionswelle führt, ist bisher nicht mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung untersucht worden. Dies gilt nicht nur für laminare Strömungsbedingungen, sondern mehr noch für turbulente Strömungsbedingungen.

Es besteht ein dringender Bedarf, die lokalen Eigenschaften der Reaktionszone zu beleuchten, um die Flammenausbreitung besser zu verstehen: Letztere beruht auf der Kopplung zwischen chemischen Reaktionen und Transport, dem Einfluss der Selbstzündung, dem Einfluss von Scherung und turbulenten Wirbeln, die den Transport von Enthalpie zwischen kontinuierlicher und dispergierter Phase fördern. Diese lokalen Phänomene, die typischerweise auf mikroskopischer Skala stattfinden, beeinflussen die globalen Flammeneigenschaften auf makroskopischer Skala. Diese Abhängigkeit ist noch nicht erforscht, aber ihr besseres Verständnis wird nicht nur zur Verbesserung der mathematischen Modelle für die Turbulenz-Chemie-Wechselwirkung in diesem komplexen zweiphasigen Verbrennungssystem benötigt, sondern auch für die Auslegung von Brennern für praktische Anwendungen wie z. B. in Kraftwerken.

In diesem Zusammenhang zielt das Projekt auf ein verbessertes Verständnis der Reaktions-Transport-Kopplung und auf die Bereitstellung von Daten, die dringend für die mathematische Modellierung und später für die Validierung von numerischen Simulationen benötigt werden. Der Forschungsansatz ist komplementär zu den Projekten von B. Böhm und D. Trimis. B. Böhm untersucht die Reaktions-Transport-Kopplung für einzelne Partikel und Partikelgruppen. D. Trimis konzentriert sich auf die Messung der laminaren und turbulenten Flammengeschwindigkeit von in Luft dispergierten Eisenpartikeln.

Wissenschaftliche Fragestellungen:

  • Wie wird eine laminare vorgemischte Eisenstaub/Luft-Flamme durch Äquivalenzverhältnis, Partikeldurchmesserverteilung, Strömungsgeschwindigkeit und Dehnungsgeschwindigkeit beeinflusst?
  • Wie wird eine vorgemischte laminare Flamme durch Reaktions-Transport-Kopplung stabilisiert?
  • Welchen Einfluss hat die Turbulenz auf die Mikro- und Makrostrukturen der Wärmefreisetzungszonen?
  • Wie wird die turbulente vorgemischte Eisenstaub/Luft-Flamme stabilisiert und welches sind die empfindlichsten Einflussparameter?

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