Ontwikkeling en toepassing van nieuwe simulatie- en lasermeettechnieken voor verbrandingsprocessen (EWT.4012)

Het ontwikkelen van nieuwe adequate reken- en meetmethoden voor hete reagerende stromingen is van groot belang voor het stimuleren van verdere technische ontwikkelingen op diverse gebieden, zoals de verbranding in huishoudelijke toestellen, industriële procesinstallaties, gasturbines en motoren. Dit staat onder andere in verband met het doel om verbrandingsprocessen efficiëpnter te maken en de hoeveelheid geproduceerde schadelijke producten, zoals CO, C_xH_y, NO_x, SO_x en roet, te verminderen. Dit project heeft tot doel deze meet- en rekenmethoden verder te ontwikkelen en toe te passen op diverse verbrandingsprocessen. Het project bestaat uit een rekentechnisch deel en een meettechnisch deel. Het rekentechnisch deel wordt uitgevoerd aan de Technische Universiteit Eindhoven (TUE) bij de faculteiten Werktuigbouw en Wiskunde en het meettechnisch deel bij de faculteit Natuurkunde van de Katholieke Universiteit Nijmegen (KUN).

1. Rekentechnisch deel: Gereduceerde Reactiemodellen voor de Simulatie van Verbranding en Emissies (TUE). Doel van dit deelproject is de ontwikkeling en toepassing van nieuwe gereduceerde reactiemodellen voor een snelle en nauwkeurige voorspelling van de verbranding en de emissies van laminaire en turbulente reagerende stromingen.
2. Meettechnisch deel: Lasertechnieken voor Kwantitatieve Metingen in Verbrandingsprocessen (KUN). Doel van dit deelproject is de ontwikkeling van nieuwe lasermeetmethoden voor absolute temperatuur- en concentratiemetingen in vlammen om verbrandingsprocessen kwantitatief te kunnen bestuderen en numerieke modellen te kunnen valideren.

De numerieke simulatie van verbrandingsprocessen vereist kennis van (numerieke) stromingsleer en chemische kinetiek. Kenmerkend voor veel verbrandingsprocessen is het voorkomen van grote gradinten in de variabelen en de grote hoeveelheid chemische componenten. In een laminaire vlam bijvoorbeeld, varieert de temperatuur zeer snel in de verbrandingszone terwijl de temperatuur nagenoeg constant is buiten deze zone. Verder vinden in een vlam tientallen chemische reacties plaats tussen even zo vele chemische componenten. Juist het voorspellen van emissies van schadelijke stoffen vereist een complexe modellering met vele componenten. Deze kenmerken stellen hoge eisen aan de numerieke methoden. In de numerieke simulatie van verbrandingsprocessen kunnen we ruwweg onderscheid maken tussen discretisatie van de behoudswetten voor reagerende gasstromingen en iteratieve oplosmethoden voor de resulterende gediscretiseerde vergelijkingen. Aan de TUE is een nieuw discretisatieschema ontwikkeld voor laminaire vlammen dat nauwkeurig en robuust is. Dit houdt in dat het schema nauwkeurig is voor zowel diffusie gedomineerde als convectie gedomineerde stromingen. Het grote aantal chemische stoffen in een verbrandingsproces maakt het onmogelijk numerieke simulaties uit te voeren voor complexe geometrieën. Met behulp van de recent ontwikkelde mathematische reductietechniek kan men echter het aantal chemische componenten voor de beschrijving van een verbrandingsproces aanzienlijk terugbrengen.

Het onderzoek aan de KUN richt zich op de ontwikkeling en toepassing van laserdetectie technieken voor de bepalingen van moleculaire dichtheden en temperatuurverdelingen in gasvlammen. Doel van het onderzoek is het verkrijgen van inzichten in de fysische en chemische processen bij verbranding. Met behulp van gepulste UV lasers en gevoelige CCD camera's wordt de toepasbaarheid van verschillende lichtverstrooiingsmechanismen (laser-geïnduceerde fluorescentie (LIF), Raman verstrooiing, Rayleigh verstrooiing) voor het nauwkeurig bepalen van temperaturen en dichtheden onderzocht.

Samen leveren de numerieke modellen en de lasermeettechnieken nauwkeurige hulpmiddelen op, waarmee verbrandingssystemen kunnen worden ontworpen en geoptimaliseerd. De gereedschappen zullen worden toegepast in de lopende onderzoeken bij TUE en KUN naar de emissies en stabiliteit van keramische stralingsbranders, de atmosferische strippenbrander en koepelgaasbrander, geperforeerde branderdekken en aan de NO_x-emissie en roetvorming in dieselmotoren. De gereduceerde mechanismen worden ook toegepaste op de modellering van turbulente verbranding in gasturbines door de UT en de modellering van turbulente vlammen in ovens en fornuizen bij o.a. de TUD. De nieuwe reken- en meetmethoden worden zodanig ontwikkeld dat ze op relatief eenvoudige wijze kunnen worden gecombineerd met bestaande CFD codes (zoals FLOW3D) en bestaande laseropstellingen.

1. Rekentechnisch deel:

Gereduceerde Reactiemodellen voor de Simulatie van Verbranding en Emissies

Sinds 1991 werken de faculteiten Werktuigbouwkunde en Wiskunde van de TUE aan de ontwikkeling en toepassing van reductiemethoden op laminaire vlammodellering. Op dit moment wordt een nieuwe reductiemethode, de zogenaamde Flame-Generated Low-Dimensional Manifold (FGLDM) methode ontwikkeld. Hiermee zijn berekeningen uitgevoerd aan 2D Bunsen-achtige methaanvlammen, die zijn vergeleken met gedetailleerde-chemie berekeningen. De rekentijd werd door toepassing van de FGLDM-methode teruggebracht van enkele weken tot enkele uren.
Verder zijn de laatste jaren verschillende verbrandingsmodellen ontwikkeld, waaronder CHEM1D voor 1D-simulaties en LAMFLA2D voor 2D-simulaties. De belangrijkste verbeteringen aan de code zijn dat de CHEM1D nu de mogelijkheid heeft om met complexere reactiemechanismen te kunnen rekenen, het convergentie-proces is geoptimaliseerd, en dat een model voor gasstraling is gemplementeerd. Daarnaast is het mogelijk om zowel adiabatische vlammen als vlammen gestabiliseerd op gekoelde (keramische) branders te simuleren.
Een bedrijf is van plan de nieuwe code te gaan gebruiken.

Voor meer informatie over het onderzoek in Eindhoven kunt u de website van de vakgroep raadplegen.

2. Meettechnisch deel:

Lasertechnieken voor Kwantitatieve metingen in verbrandingsprocessen

De eerste periode van het onderzoeksproject is besteed aan het opbouwen van een experimentele opstelling voor Cavity Ring Down Spectroscopie (CRDS). Met de opstelling zijn enkele inleidende studies uitgevoerd met betrekking tot de kwantificering en detectie van CH in een vlakke voorgemende methaan-lucht vlam. De berekende CH-concentratie ligt een factor 50 hoger dan de gemeten CH-concentratie. De oorzaak hiervan wordt nog onderzocht. Aan de hand van de CH-spectra is een afschatting te maken van de temperatuur in de vlam. De eerste metingen duiden op de mogelijkheid tot het bepalen van de temperatuur met een nauwkeurigheid binnen 100 K.
Naast CRDS-metingen aan CH is een begin gemaakt met het onderzoek aan OH. Vanwege het verdelingsprofiel en de concentratie van OH worden minder experimentele problemen verwacht. Voorlopige metingen duiden op de aanwezigheid van hoge concentraties OH.
Meer informatie over het onderzoek in Nijmegen kunt u vinden op de website van de onderzoeksgroep.

Zes bedrijven en vier non-profit organisaties zijn bij dit project betrokken.

Prof.dr. L.P.H. de Goey
Technische Universiteit Eindhoven
Faculteit Werktuigbouwkunde
Postbus 513
5600 MB EINDHOVEN.