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Computerlabor zur Strömungssimulation (CFD)

Am IEVB wird ein Computer-Pool mit leistungsfähigen Hochleistungsrechnern betrieben. Hinzu kommen mehrere  leistungsstarke Workstations und eine größere Anzahl an Desktop-PCs. Als CFD-Programm kommt standardmäßig Ansys FLUENT zum Einsatz. Der Code wurde um eine Vielzahl von anwendungsspezifischen Unterprogrammen (user defined functions - UDF) erweitert, welche am IEVB entwickelt wurden. Detaillierte Berechnungen bezüglich der Verbrennungschemie werden mit dem Programm ReactionDesign CHEMKIN durchgeführt. Der Gesamtansatz des IEVB bei der mathematischen Modellierung ist eine Kopplung von FLUENT und CHEMKIN wobei jedes der beiden Programme so eingesetzt wird, dass die jeweiligen Stärken bestmöglich ausgenutzt werden: Mit FLUENT erfolgt die Berechnung von Strömungs- und Temperaturfeldern bei sehr guter Ortsauflösung. Trotz stetiger Fortschritte in der Computertechnik ist dies auch auf modernen Hochleistungsrechnern nur unter Verwendung von Verbrennungsmodellen möglich, die auf teilweise groben Vereinfachungen der Reaktionsmechanismen basieren. Der CHEMKIN-Ansatz verfolgt eine umgekehrte Philosophie: Öfen werden mittels grundsätzlicher strömungsmechanischer Betrachtungen in charakteristische Zonen unterteilt und als Reaktornetzwerke dargestellt. CFD-Software (Computational Fluid Dynamics) ist im Grunde ein Löser für Navier-Stokes-Gleichungen (N-S). Unter der Bedingung ergänzender Gleichungen für Turbulenzen, beschreiben die N-S-Gleichungen die Bewegung einer laminaren oder turbulenten Flüssigkeit. Zusätzlich müssen die N-S-Gleichungen durch eine Massenbilanzgleichung ergänzt werden. Dieser Ansatz kann zu weit komplexeren Modellen unter Berücksichtigung von Mischungen, Wärmeübertragung (Konvektion sowie Strahlung und Wärmeleitung) und reaktiven Strömungen erweitert werden. In der allgemeinsten Form wie sie am IEVB verwendet wird, umfasst das zu beschreibende Modell einen kompletten Satz der folgenden Gleichungen:

  • Massenbilanzgleichung
  • Impulsbilanzgleichung (N-S-Gleichungen)

- Gleichungen zur Turbulenzschließung

  • Energiebilanzgleichung

- Strahlungstransportgleichungen

  • Stoffgleichungen

- Globale Reaktionsschließung

  • Zwei-Phasen-Gleichungen

 

Das IEVB nutzt diesen Ansatz zur:

  • Berechnung turbulenter Strömungen mit oder ohne Wärmeübertragung,
  • Simulationen zur Verbrennung von gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen.

 

Die Verwendung der mathematischen Modellierung ist von großer Wichtigkeit in verschiedenen Bereichen des Ingenieurwesens. Die Aktivitäten des IEVB konzentrieren sich dabei auf die folgenden Schwerpunkte: Entwicklung von mathematischen Modellen für die Automatisierung und Optimierung von Prozessen in Industrieöfen, CFD-(Computational Fluid Dynamics)-Simulationen von Öfen, wie sie in der Stahl-, Glas-, Zement- und keramischen Industrie verwendet werden, CFD-Simulationen von Flammen verschiedener Brennstoffe (Kohle, Gas, Öl, Holz, Biomasse...). Die mathematischen Modelle werden verwendet, um turbulente Strömungen, Wärmeübertragung, Misch- und Schadstoffemissionen (CO, NOx, Ruß, SOx) in Hochtemperatur-Prozessen zu simulieren.


Abb.1: Temperaturfeld innerhalb eines Schalldämpfers eines FIAT 500 (links) und instationäre Abkühlung einer Gussform der Glasindustrie (rechts)

Darüber hinaus werden im IEVB folgende Modellierungen und Validierungen durchgeführt:

  • Detallierte Kohle-Entgasung und Koksverbrennung bei hoher Aufheizrate
  • Simulation von Turbulenzen in mittleren und stark wirbelnden Strömungen
  • Erweiterte Chemie der Teer- und Schadstoffemissionen
  • Erweiterte Modelle zum Koksausbrand
  • Modelle zur Verschlackung und Verschmutzung von industriellen Anlagen bei Verwendung
    von Kohlefeuerung und Mitverbrennung von Ersatzbrennstoffen

Bei der Modellierung von Brennkammern, steigt die Komplexität durch die Anwesenheit der Kopplung zwischen der Strömung und der stark nichtlinearen chemischen Reaktionen. Das Beschreiben der Einzelheiten dieser komplexen Phänomene, würde den Rahmen dieses Dokuments überschreiten. Abbildung 2 zeigt Beispiele für CFD-Anwendungen, welche im Zusammenhang mit Verbrennungen stehen.

Abb.2: Partikelflugbahnen im kohlebefeuerten Heizkessel mit farbigen Gastemperaturen

Ansprechpartner:Dr.-Ing. M. Mancini

Dipl.-Ing. A. M. Beckmann
 

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