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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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Angewandte Laserspektroskopie
Laserspektroskopie als Begriff fasst verschiedene Verfahren der Spektroskopie zusammen, in denen Laser zur Untersuchung von Spektren von Atomen oder Molekülen eingesetzt werden. Die Verfahren können nach den von ihnen genutzten Lasern oder nach dem zu untersuchenden Einsatzgebiet eingeteilt werden.
Das Bild zeigt vier Lasterstrahlen die sich in einem kleinen Meßvolumen kreuzen und dadurch ermöglichen dass z.B. kleine Partikel die dieses Volumen passieren analysiert werden. Mit dieser Anordnung kann z. B. eine sekundäre Eigenschaft wie die Geschwindigkeit eines strömenden Fluids bestimmt werden.

Zusäzliche Informationen zu diesem Thema
 
 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Soot in Aeronautics - Towards Enhanced Aeroengine Combustor Modelling
(SiA_Team)

Physikalisch-chemische Funktionalisierung von submikronen organischen Partikelsystemen in der Gasphase
(RESS_BW)
Nanoskalige organische Partikel (Naphthalin) wurden aus einem überkritischem Lösungsmittel abgeschieden (RESS-Prozess) und bezüglich der Partikelvolumenbrüche, Partikelkonzentrationen und mittleren Partikelradien online mit laserspektroskopischen Verfahren (2-d LIF, elast. Streuung, Extinktion) charakterisiert. Die Laserlichtschnitttechnik konnte auch nur zur Anregung elastischer Streuung eingesetzt werden, um qualitative Informationen über die Struktur des RESS-Freistrahls zu erhalten.
Zwei ausführliche Berichte aus der Nachförderung durch die Max-Buchner-Gesellschaft sind unter Projekt-Nr. 2270 bei der DECHEMA als pdf-Dateien frei verfügbar.

Kinetik und Modellierung der Kohlenstoffabscheidung aus der Gasphase
(SFB551-TPA2)

Thema dieses Teilprojektes ist die Kinetik und Modellierung der Kohlenstoffabscheidung aus der Gasphase. Im Rahmen des experimentellen Projektbereichs wurde ein Staupunktreaktor zur Kohlenstoffabscheidung aufgebaut. An diesem Reaktor werden in situ mit laserspektroskopischen Verfahren (LIF, Raman) die Konzentrationsverläufe verschiedener Spezies vor der heißen Staufläche bestimmt. Diese experimentellen Daten dienen zur Erstellung und Validierung von Modellen, auf Basis derer die Abscheidungsprozesse simuliert werden.


Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt C4: Rußbildung in DI-Motoren
(SFB_606_-_C4)
Motoren mit Direkteinspritzung ist prinzipimmanent, daß in unmittelbarer Umgebung des Einspritzstrahles eine brennstoffreiche Verbrennung stattfindet, die mit der Bildung von Ruß einhergeht. Obwohl im Laufe der Zeit die von (DI-) Dieselmotoren emittierten Rußmengen entsprechend den zunehmend restriktiveren Abgasnormen stetig abgenommen haben und künftig weiter abnehmen werden, resultiert hieraus möglicherweise ein höheres physiologisches Gefährdungspotential. Verantwortlich hierfür könnte die mit abnehmender Rußemission möglicherweise einhergehende Zunahme der Anzahl kleinster, lungengängiger Rußpartikel im Motorenabgas sein. Da im Hinblick auf die Einhaltung künftiger Abgasnormen dem Rußemissionsverhalten bei Lastwechseln besondere Bedeutung zukommt, soll neben der Untersuchung des stationären Betriebs in einem Einhubtriebwerk im Anschluß daran gezielt der Einfluß bei instationären Lastwechseln auf die Rußbildung und –emission in einem Einzylinder- Forschungsmotor untersucht werden. Insbesondere die Lösung der letztgenannten Aufgabenstellung ist mit klassischen, i. a. auf gravimetrischen oder auf Ermittlung der Schwärzungszahlen basierenden Verfahren zur Bestimmung der emittierten Rußmenge aufgrund der fehlenden zeitlichen Auflösung dieser Verfahren nicht oder nur schwer möglich. Aus diesem Grund wird in diesem Teilprojekt zur Ermittlung der Rußvolumenbrüche, der Teilchenzahldichten und der mittleren Teilchenradien die RAYLIX- Meßtechnik eingesetzt, die auf der simultanen Detektion der Rayleigh- Streuung, der Laserinduzierten Inkandeszenz (LII) in Verbindung mit der Ermittlung der integralen Extinktion basiert.

Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt A3: Selbstzündprozesse bei instationären Freistrahlen
(SFB_606_-_A3)

Die Selbstzündung von Kohlenwasserstoffen wird von der Niedertemperaturoxidationskinetik dominiert, bei der im Gegensatz zu den Hochtemperaturmechanismen (bei denen die Kettenverzweigung über Reaktionen im H2-O2-System abläuft) brennstoffspezifische Reaktionen (z.B. über Peroxi-und Alkoxiverbindungen) den Zündprozess kontrollieren. Bei der Verbrennung in Verbrennungsmotoren erschwert neben der komplexen chemischen Kinetik auch deren Kopplung mit der instationären, meist turbulenten Vermischung von Brennstoff und Oxidationsmittel die detaillierte Beschreibung der Zündung. Diese Sachlage führt dazu, dass die detaillierten physikalisch-chemischen Prozesse bei der Selbstzündung von Freistrahlen auch heute noch nicht befriedigend verstanden sind.

Ziel des Teilprojekts ist daher ein besseres Verständnis der komplexen Prozesse bei der Zündung von turbulenten Freistrahlen durch experimentelle Untersuchung und mathematische Modellierung. Insbesondere soll geklärt werden, unter welchen Bedingungen Zündung erfolgt (in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Strömungsfeld), welche Einflussparameter die Zündverzugszeit kontrollieren und wie die instationäre Zündung/Verbrennung in einem turbulenten Strömungsfeld abläuft. Aus den experimentellen Untersuchungen sollen Modelle entwickelt werden, die eine Beschreibung der Mischung und Zündung erlauben. Die Schwierigkeiten bei diesem Teilprojekt liegen darin, dass die Zündung sowohl von der Mischung, der Turbulenz und auch von der Kinetik kontrolliert wird und daher hohe Anforderungen an die verwendeten Submodelle für Mischung, Turbulenz und chemische Reaktion und deren Kopplung vorliegen. Zur Klärung der komplexen Vorgänge im instationären reaktiven Freistrahl wird der Gesamtvorgang in drei Stufen untersucht:
a) inerte Phase mit turbulentem Mischungsprozess (FZK),
b) Zündvorgang (ITV)
c) reaktive Phase mit Verbrennung (ICT).

Für die experimentellen Untersuchungen zur inerten und reaktiven Phase (Schritte a) und c)) sollen zwei weitgehend identische Apparaturen aufgebaut werden, bei denen durch eine Düse zeitlich kontrolliert ein Strahl aus Inertgas bzw. Brennstoff in ein vorgeheiztes Oxidationsmittel eingedüst wird. Hierbei werden Turbulenz, Form und Geschwindigkeit des Brennstoffstrahls variiert. Zur Untersuchung der inerten Phase wird die räumliche Mischungsbruchverteilung (mit LIF bei NO-Tracerung), das momentane Strömungsfeld (mit PIV) sowie die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen (mit LDA) untersucht. Ein Ziel ist auch die Messung instationärer Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen (PDF's) des Mischungsanteils. Für die Untersuchung der reaktiven Phase wird LIF eingesetzt, wobei neben OH auch insbesondere Alkoxi-Radikale erfasst werden sollen. Längerfristig werden in diesem Teil des Vorhabens auch aromatische Kohlenwasserstoffe eingesetzt. In Schritt b) wird aus den experimentellen Ergebnissen mit Modellen für die Zündverzugszeit abgeschätzt, wo die Zündung des Freistrahls einsetzt. Schließlich werden Modellierungsansätze entwickelt, die eine Beschreibung der Mischung und Zündung erlauben. Hierbei werden Transportgleichungen für die zeitliche Evolution der gebundenen PDF's von Geschwindigkeit und Skalaren verwendet.


Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt B1: Rußbildung in nicht-adiabaten, instationären Flammen in laminarer und turbulenter Strömung unter Berücksichtigung der Flamme-Wand-Interaktion
(SFB_606_-_B1)
Die Ausbreitung von nicht adiabaten, teilweise vorgemischten Flammen in instationären, turbulenten Strömungs-, Druck- und Temperaturfeldern ist wesentlich für die motorische Verbrennung und die Verbrennung in Gasturbinen. Hierbei ist insbesondere die Wirkung kalter Wände (Brennraumwände von Verbrennungsmotoren Brennkammerwände von Gasturbinen) eine wichtige Einflussgröße, da der strahlungsbedingte Wärmeentzug aus der Flamme die Struktur der Flamme beeinflusst, die Ausbreitungsgeschwindigkeit reduziert sowie die Bildung von Schadstoffen (NOx, Ruß) beeinflusst. In diesem Teilprojekt soll die Rußbildung in nicht-adiabaten Flammen in instationären, laminaren und später auch turbulenten Strömungsfeldern unter dem Einfluß kalter Wände untersucht werden.

Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt A9: Experimentelle Untersuchung der instationären isochoren turbulenten Flammenausbreitung unter Hochdruckbedingungen
(SFB_606_-_A9)
Innerhalb des Teilprojektes A9 wird die instationäre, turbulente Flammenausbreitung in einem optisch zugänglichen Druckkessel (icochore Flammenausbreitung) untersucht. Für unterschiedliche thermodynamische Bedingungen (p,T) wird der Turbulenzzustand über Ventilatoren variiert und mit einer speziell dafür entwickelten Messtechnik die Flammenfront detektiert.
Hieraus werden die Brenngeschwindigkeit der Flamelets und die Marksteinzahl ermittelt. Darüber hinaus wird die Flammenstreckung über die Erfassung des Geschwindigkeitsfeldes durch Particle Imaging Velocimetry (PIV) bestimmt.

Untersuchung der Vermischung einphasiger fluider Gemische mittels 2d- LIF
(SPP 1141_2)
Die Jet-in-Crossflow- Strömungsanordnung (JCF) ist eine geometrisch einfache Strömungskonfiguration, bei der ein Freistrahl senkrecht in eine gleichmäßige Querströmung eingedüst wird. Diese Strömungskonfiguration findet sich in einer Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen in Industrie, Luft/Raumfahrt und Natur. Das wesentliche experimentelle Ziel des Vorhabens ist es, „Reynolds- Flüsse“ bzw. „-Spannungen“ <rc’;n’> zu ermitteln, die den turbulenzbedingten, erhöhten Stoffaustausch in einer Strömung widerspiegeln. Diese Größen sind aufgrund dessen im Hinblick auf die Erstellung und Validierung von Modellen zur Beschreibung von Vermischvorgängen von großer Bedeutung.

Handhabung hochdisperser Pulver
(SP1062)

Im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts "Maßgeschneiderte feinste Partikel - Synthese, Konditionierung und Anwendung" wird das Teilprojekt "Untersuchung der Reaktion und Partikelbildung in einer Flamme" bearbeitet. Ziel der numerischen Untersuchungen ist die Beschreibung der Rußbildung und des Wachstums in Flammen.

Zu diesem Zweck sollen verschiedene Methoden für die Kopplung der Rußbildung zur turbulenten Strömung untersucht werden (Stichwort: Flamelet-Modelle, Moss-Model).

Zunächst werden die Modelle anhand von Messungen im MIT-JSR-Reaktor sowie im System von Prof. Roth (Pyrolyse in einem Stoßwellenrohr) überprüft. Erst danach ist an eine Erstellung von Flamelet-Bibliotheken gedacht.

Im Rahmen der experimentellen Arbeiten wird die am Institut für Chemische Technik entwickelte RAYLIX-Messtechnik an einen Plasma-Reaktor zur Rußherstellung im Technikuumsmaßstab adaptiert . Mit Hilfe der in-situ 2D Messung von lokalen Partikelgrößen und Konzentrationen werden die wesentlichen Prozeßparamter zur Beeinflussung der Partikelbildungskinetik identifiziert .