Untersuchung der Thermodiffusion in Wasserstoffflammen

Abstract

Im Zuge des Klimawandels gewinnt die Energiegewinnung durch Wasserstoffverbrennung zunehmend an Bedeutung. Bei der Wasserstoffverbrennung liegt ein besonderes Augenmerk auf diffusiven Effekten. Die Diffusion infolge eines Temperaturgradienten wird als Soret-Effekt oder Thermodiffusion bezeichnet. Ziel dieser Masterarbeit ist es, den Einfluss des Soret-Effekts auf die laminare und turbulente Wasserstoffverbrennung zu untersuchen. Dabei soll überprüft werden, inwieweit vereinfachte Modelle der Thermodiffusion die Effekte der vollständigen, jedoch rechenintensiven, Multicomponentenmodellierung für den Soret-Effekt in Wasserstoffflammen zuverlässig abbilden können und unter welchen Bedingungen die Grenzen dieser vereinfachten Modellansätze erreicht werden. Hierzu wurden das Mixture-Averaged-Thermodiffusionsmodell nach Hirschfelder-Curtiss-Bird (HCB) [47] sowie das Thermodiffusionsmodell nach Kuo et al. [56] in die Simulationssoftware Cantera implementiert und systematisch mit dem vorhandenen Multicomponent-Soret-Modell validiert und verglichen. Untersuchungen an laminaren, frei propagierenden, vorgemischten eindimensionalen Flammen in Cantera verdeutlichen, dass die Berücksichtigung des Soret-Effekts essenziell ist, um experimentell ermittelte laminare Flammengeschwindigkeiten numerisch reproduzieren zu können. Zudem wird gezeigt, dass das Modell nach Hirschfelder-Curtiss-Bird sowie das Modell von Kuo et al. einen sinnvollen Ersatz für das rechenintensive Multicomponent-Soret-Modell darstellen, wobei die Güte der Approximation von den jeweiligen Randbedingungen abhängt. Insgesamt bieten die vereinfachten Ansätze einen guten Kompromiss zwischen Rechenaufwand und Genauigkeit. Ergänzende LES-Simulationen dreidimensionaler turbulenter Boundary-Layer-Flashback-Flammen bestätigen die Relevanz des Soret-Effekts auch unter realitätsnahen Bedingungen. Dabei beeinflusst der Soret-Effekt zentrale Flammenparameter wie Flammenrückschlagsgeschwindigkeit und Wärmefreisetzung unabhängig von Umgebungstemperatur und Äquivalenzverhältnis. Folglich ist der Soret-Effekt für die Auslegung wasserstoffbasierter Verbrennungssysteme von entscheidender Bedeutung.