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. Stattdessen sind die bei der Verbrennung gebildeten Eisenoxide weiterhin fest, was zu einer mit fortschreitender Oxidation zunehmenden Masse führt. Es bildet sich eine poröse Schicht. Diese Schicht stellt eine äußere Hülle aus verschiedenen Eisenoxiden (FeO, Fe2O3, Fe3O4) dar. Diese mehrschichtige poröse Struktur, die im Eisenkreislauf wiederholt auf- und abgebaut wird, führt zu einer Veränderung der Partikelgröße und Form. Die Bedeutung der Porosität und Veränderungen der Partikelgröße und Partikelform für die Transportprozesse in der Partikelgrenzschicht sind bisher nur unzureichend verstanden.
Dieses Teilprojekt zielt darauf ab, die Bedeutung von Volumen- und Formänderungen und des Vorhandenseins poröser Schichten auf den Transportprozess innerhalb der Grenzschicht einzelner Eisenpartikel zu entschlüsseln. Dazu werden das Eisenpartikel selbst und die Gasphase in seiner unmittelbaren Umgebung mit Hilfe einer Immersed Boundary Methode vollständig aufgelöst. Die laminare Strömung um einzelne Partikel unterschiedlicher Größe, Form und Porosität wird simuliert, um die Auswirkungen dieser Variationen auf die Korrelationen des Impuls-, Wärme- und Stofftransports abzuleiten, die in die großmaßstäblichen Simulationen laminarer und turbulenter Eisenstaubflammen einfließen.
Das Projekt ist komplementär zu dem von A. Scholtissek geleiteten Projekt (Reaktions-Transport-Kopplung einzelner Mikropartikel auf Eisenbasis). Es arbeitet eng mit den von C. Hasse (numerische Untersuchung der Eisenstaub/Luft-Verbrennung) und O. Stein (Partikelzündung und -verbrennung in turbulenter Strömung) geleiteten Projekten zusammen. Darüber hinaus besteht eine Zusammenarbeit mit dem Projekt von H. Nirschl (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Eisenpartikeln und ihren Oxiden.
Wissenschaftliche Herausforderungen:
1. Implementierung einer Immersed Boundary Methode in OpenFOAM, die es erlaubt, Transporteigenschaften über Partikelgrenzschichten zu untersuchen und zu extrahieren
2. Bewertung des Einflusses von Partikelvolumenänderungen und Formänderungen auf die Grenzschichttransporteigenschaften von reagierenden Eisenpartikeln
3. Evaluierung des Einflusses der Partikelporosität auf die Grenzschichttransporteigenschaften
