Numerische Untersuchung der laminaren und turbulenten Eisenstaub/Luft-Verbrennung

Ziel dieses Projektes ist es, die Reaktions-Transport-Kopplung durch mathematische Modellierung und Simulation von laminaren und turbulenten Eisenstaubflammen besser zu verstehen.

Es gibt nur wenige Studien über die Oxidation (Verbrennung) von Eisenstaub/Luft-Gemischen und die Mikro- und Makrostrukturen solcher Flammen unter laminaren und turbulenten Bedingungen. Eisen als Brennstoff unterscheidet sich deutlich von anderen Festbrennstoffen wie Kohle oder Biomasse und daher können bisherige Ergebnisse oder Modellierungsansätze für diese kohlenstoffhaltigen Brennstoffe nicht direkt übertragen werden.

Bei der Eisenoxidation unter verbrennungsrelevanten Temperaturen finden nur heterogene Reaktionen statt und es werden keine flüchtigen Brennstoffbestandteile oder Oxidationsprodukte in die Gasphase abgegeben. Die Oxidationsprodukte sind weiterhin fest; die Masse des Partikels nimmt mit fortschreitender Oxidation zu. Als äußere Hülle kann sich eine poröse Schicht aus verschiedenen Eisenoxiden (FeO, Fe3O4, Fe2O3) bilden, die einen weiteren Transportwiderstand für die Diffusion von Sauerstoff zur inneren reaktiven Oberfläche darstellt. Dies führt zu einer völlig anderen Kopplung von Transportprozessen und Chemie, die bisher nur unzureichend verstanden ist. Dementsprechend ist die Struktur von Reaktionszonen in Eisenstaub/Luft-Flammen und deren Einfluss auf globale Verbrennungsparameter wie Abbrandgeschwindigkeit oder Stabilisierung unter verschiedenen Bedingungen (Strömung, Partikelanzahl, Partikelgröße, Gastemperatur, Sauerstoffgehalt) weitgehend wissenschaftliches Neuland.

Dieses Teilprojekt zielt auf ein verbessertes Verständnis der Reaktions-Transport-Kopplung durch mathematische Modellierung und Simulation von laminaren und turbulenten Eisenstaubflammen. Der Ansatz ist komplementär zu den Projekten von A. Scholtissek und B. Böhm, wo Experimente und Modellentwicklung zur Zündung und Oxidation einzelner Eisenpartikel durchgeführt werden. Enge Zusammenarbeit gibt es mit den experimentellen Projekten von A. Dreizler und D. Trimis zusammen, die Validierungsdaten für die Mikro- und Makrostruktur von laminaren und turbulenten Eisenstaub/Luft-Flammen liefern. Es profitiert auch von experimentellen Informationen wie den in-situ Informationen über die Oxidationszustände in Flammen (D. Geyer), Porositätsmessungen (B. Etzold), die Charakterisierung von Oxidationszuständen aus XRD und Mössbauer-Spektroskopie (U. Kramm).

Wissenschaftliche Herausforderungen:

  • Verständnis der Kopplung von Transport und Chemie in laminaren Eisenstaub/Luft-Flammen
  • Vorhersage der Mikro- und Makrostruktur von laminaren und turbulenten Eisenstaub/Luft-Flammen
  • Sensitivität der Mikro- und Makrostruktur von Eisenstaub/Luft-Flammen auf die Turbulenz, Partikelbeladung, Partikeldurchmesser, heterogene Kinetik und Gastemperatur
Schematische Darstellung der Wirkkette bei der Eisenstaub/Luft-Verbrennung. Die Übersichtsgrafik kann unten als PDF in Druckauflösung heruntergeladen werden.

Infografik

Wirkkette bei der Eisenstaub/Luft-Verbrennung als PDF in Druckauflösung:

https://doi.org/10.48328/tudatalib-540

LES einer verdrallten Eisenstaub/Luft-Flamme

Instationäre Simulation der gekoppelten Partikel- und Reaktionsprozesse in einer verdrallten Laborflamme. Das Video zeigt die Initialisierungsphase, in der Eisenpartikel zu einer einphasigen Methanflamme hinzugegeben werden. Eine deutliche Veränderung der Flammenstruktur ist erkennbar.

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