M.Sc. Julia Roeb

M.Sc. Tien Duc Luu

Studierende des Chemieingenieurwesens/Verfahrenstechnik (o.ä.) mit Freude an numerischer Arbeit.Kenntnisse in numerischer Strömungssimulation oder Strömungsmechanik, sowie Programmierkenntnisse (z.B. C/C++, Python, Matlab o.ä.) können den Einstieg erleichtern, sind aber nicht zwingend erforderlich.

Ort: CS

Motivation:
Die Verbrennung kohlenstoffhaltiger Kraftstoffe (bspw. CH₄, ein Hauptbestandteil von Erdgas) beschleunigt den Klimawandel, daher wird mit Nachdruck an geeigneten kohlenstoffarmen Alternativen geforscht (bspw. H₂). Die bestehende Gasinfrastruktur ist ohne aufwändige Umrüstung nicht geeignet 100% Wasserstoff zu transportieren, wohl aber CH₄ mit einer Beimischung von Wasserstoff. Die thermophysikalischen Eigenschaften von H₂ und CH₄ sind sehr unterschiedlich. Daher ist es wichtig die grundlegenden Verbrennungseigenschaften von CH₄/H₂ Mischungen aus Perspektive der Sicherheit, Verbrennungseffizienz und NO_x Emissionen zu untersuchen. In der Realität findet man vermehrt turbulente Flammen vor, bei denen sich die Turbulenz mit weiteren Effekten überlagert, wie z.B. die differenzielle Diffusion des Wasserstoffs und das Abheben der Flammen. Aus diesem Grund beschränken wir uns in dieser Studie auf laminare Flammen.

Projektbeschreibung:
Das Projekt zielt auf ein tiefergreifendes Verständnis laminarer CH₄/H₂ Diffusionsflammen anhand von numerischen Strömungssimulationen. Experimentelle Untersuchungen liefern bereits einige Flammeneigenschaften wie z.B. Flammenstruktur und Rußproduktion, dennoch gibt es einige Effekte, die mit nicht-invasiven, optischen Messungen nicht vollumfänglich erklärt werden können. Über solche Effekte,bspw. die differentielle Diffusion von Wasserstoff oder chemische Effekte können Geschwindigkeits-, Temperatur- und chemische Speziesfelder aus numerischen Simulationen Aufschluss geben. Abbildung 1 zeigt links eine Skizze des experimentellen Aufbaus und rechts die Kameraaufnahmen der laminaren Flammenserie für einen Anstieg des Wasserstoffanteils (von links nach rechts). Die experimentelle Messkampagne zeigt, dass sich die Flammencharakteristiken von einer stark rußenden reinen CH₄ Flamme links hin zu einer breiteren H₂ Flamme ohne Ruß rechts stark verändern. Ziel des Projektes ist es diesen Übergang numerisch zu untersuchen.

Abbildung 1: Eine Skizze des experimentell untersuchten koaxialen Brenners (links). Bilder aus den Experimenten, die die entstehende Flammenserie bei ansteigendem Wasserstoffanteil zeigen (rechts).

Aufgaben:

• Literaturrecherche zum Thema reaktive Strömungen, insbesondere zu laminaren CH₄/H₂ Diffusionsflammen
• Einarbeitung in die Grundlagen der numerischen Strömungssimulation und OpenFOAM
• Anpassung eines grundlegend ähnlichen Simulationsfalls auf die vorliegende experimentelle Flammenreihe
• Erweiterung des Modells auf die Berücksichtigung der differenziellen Diffusion
• Falls zeitlich möglich: Erweiterung des Modells um Rußbildung
• Darstellung, Interpretation und Beurteilung der Simulationsergebnisse
• Verfassen und Verteidigung der wissenschaftlichen Arbeit

Lernziele:

• Anwendung des numerischen Strömungssimulationsprogrammes OpenFOAM (CFD)
• Selbstständiges Lösen komplexer technischer Probleme
• Verständnis der Methodik und Modellierung von reaktiven Strömungen
• Code- und Modellentwicklung in der Programmiersprache C/C++

Aufgabensteller:

Prof. Dr. Oliver T. Stein