CFD-Simulation zur Vorhersage von Interferogrammen, Temperaturen und Spezieskonzentrationen in einer Hexanflamme

In den letzten Jahrzehnten hat die numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics) zunehmende Bedeutung auf dem Gebiet der Verbrennungsvorgänge von nicht-vorgemischten Flammen, zu denen die Pool-/Tankflammen zählen, erlangt. Durch Lösung der Erhaltungsgleichungen für Impuls, Energie und Speziesmassen an mehreren Millionen diskreten Punkten eines Berechnungsgitters, das die Geometrie des modellierten Systems wiedergibt, können u. a. transiente und zeitlich-gemittelte Größen wie z. B. Flammentemperaturen, Flammengasdichten, Strömungsgeschwindigkeiten und Spezieskonzentrationen an jedem Ort in einer Flamme vorhergesagt werden. Durch Kombination von CFD Simulationen und Messergebnissen der holographischen real-time Interferomtrie unter Berücksichtigung der gaschromatographischen Messung stabiler Spezies (Moleküle), können CFD Submodelle verifiziert und validiert werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine Large-Eddy-Simulation (LES) einer Hexan Tankflamme mit einem Durchmesser von 50 mm durchgeführt. Für einen kritischen Vergleich der CFD Simulation mit Experimenten werden radiale und axiale Temperatur-, Spezieskonzentrations-, Brechzahl- und Dichteprofile sowie Profile der Interferenzstreifenordnung herangezogen. Mit einer neuartigen Methode konnten erstmals Interferogramme mit der CFD Simulation vorhergesagt werden, die direkt mit den experimentellen Interferogrammen verglichen werden können. Die Ergebnisse von CFD Simulation und Experiment zeigen durchweg eine gute Übereinstimmung, so dass eine Verifizierung der verwendeten CFD Submodelle erfolgt. Für einen ausreichend genauen Vergleich zwischen Simulation und Experiment bezüglich Interferogrammen musste ein digitales Auswertungsverfahren der experimentell ermittelten Interferogramme entwickelt werden. Hiermit lassen sich die CFD-vorhergesagten radialen Profile der Interferenzstreifenordnung mit den gemessenen Profilen direkt vergleichen. Für die Vorhersage von Interferogrammen und für die Ermittlung von Flammentemperaturen aus den experimentellen Interferogrammen sind insbesondere die Spezieskonzentrationen im Flammengasgemisch von großer Bedeutung. Daher wurde der Konzentrationseinfluss der einzelnen Spezies auf die Flammentemperaturen untersucht. Hierzu werden unterschiedliche Annahmen der Spezieszusammensetzung getroffen und deren Einfluss auf die Ermittlung der Flammentemperaturen diskutiert.