Johannes Algermissen

Der zeitliche Ablauf der Verbrennung von Wasserstoff im Überschall-Luftstrom

ZusammenfassungDer Verbrennungsablauf in mit überschallgeschwindigkeit strömenden Wasserstoff-Luft-Gemischen wurde für verschiedene Paarungen von Zündtemperatur und Zünddruck berechnet und analysiert. Das reaktionskinetische Rechenmodell berücksichtigt 30 Einzelreaktionen zwischen den 16 Gaskomponenten H2, O2, N2, H2O, H, O, OH, HO2, H2O2, N, NO, NO2, N2O HN, H2N und HNO. Die zeitlichen Änderungen der Temperatur, des Drucks und der Zusammensetzung, die Geschwindigkeit der wichtigsten Einzelreaktionen, die Strömungsgeschwindigkeit sowie die vom Strömungsmedium zurückgelegte Wegstrecke werden in zahlreichen Diagrammen wiedergegeben. Die Diagramme veranschaulichen die große Abhängigkeit der Induktions- und der Verbrennungsperiode des Wasserstoff-Luft-Gemischs vom Druck und von der Temperatur bei der Zündung und lassen die Rolle der freien Atome und Radikale H,O, OH, HO2 usw. im Reaktionsmechanismus erkennen. Die Rechenergebnisse werden mit Zündverzugsmessungen aus verschiedenen Untersuchungen verglichen.

Chemical kinetics of the ethane-oxygen reaction part I: High temperature oxidation at ignition temperatures between 1400°K and 1800°K

Abstract A high temperature ethane oxidation model, based on the well-established kinetic model for ethane pyrolysis, has been developed. The reaction model comprises 69 reaction steps with 24 gaseous components. Numerical tests were carried out using experimental ignition delay data from shock tube measurements, where the ignition temperatures and pressures ranged from 1400 to 1800°K and from 0.267 to 0.375 bar, respectively. The following properties of the proposed model are essential. 1. 1. Methyl radials (CH3) are removed by CH 3 + O 2 → CH 3 O + O CH 3 O + M → H 2 CO + H + M O + CH 3 → H 2 CO + H . 2. 2. The hydrocarbon radicals C2H5 and C2H3 are mainly removed by the pyrolysis steps C 2 H 5 → C 2 H 4 + H C 2 H 3 + M → C 2 H 2 + H + M 3. 3.During the induction period and with the chosen values of ignition temperature and pressure the reaction process follows branched-chain kinetics. Within the chosen range of ignition data the variation with temperature of the ignition delays was predicted well by the calculations. When the comparison between calculated and measured ignition delays was extended to high pressures around 10 bar, the agreement was only moderate.

Numerische Integration der instationären Strömungsgleichungen am Beispiel eines ebenen Überschallfreistrahls

ZusammenfassungEs wird die zeitliche Entwicklung eines zweidimensionalen, laminaren Überschallfreistrahls berechnet. Die instationäre Rechnung beginnt mit dem Austritt der Strömung aus der Mündungsöffnung und wird bis zur vollständigen Strahlausbildung fortgeführt. Zur Lösung des Problems werden sowohl die Euler-Gleichungen als auch die Navier-Stokes-Gelichungen numerisch integriert. Die Ergebnisse der reibungsfreien Strömung werden mit denen der reibungsbehafteten Strömung verglichen.

Chemical kinetics of the ethane-oxygen reaction part II: Pyrolysis and oxidation at temperatures around 900°K

Abstract A kinetic model for ethane oxidation at high temperatures was proposed by the authors in a previous paper. In the present paper the same model has been used to simulate numerically the pyrolysis and oxidation of highly diluted ethane (C2H6) in a one-dimensional flow at atmospheric pressure and temperatures near 900°K. The nonlinear differential equations of chemical kinetics as well as the state and gas dynamic equations were integrated numerically. The pure pyrolysis can be described as a linear chain reaction, whose major products ethylene (C2H4), hydrogen (H2), and methane (CH4) are produced at a nearly constant rate. In the oxidation case the ratio of oxygen to ethane was approximately 1 10 of the stoichometric value. At the beginning, oxygen inhibits the pyrolysis by the reaction C 2 H 5 + O 2 → C 2 H 4 + HO 2 Later, when the conversion of HO2 radicals into H2O2 and the consecutive chain-branching decomposition of H2O2 into OH become significant, the whole process is strongly accelerated by O2. The predicted values for ethylene production agree well with experimental results. It is concluded that the chosen reaction model is valid for all temperatures between 900 and 1800°K.

Rechnerische Simulation stoßinduzierter Gasreaktionen

ZusammenfassungEs wurde ein Rechenprogramm in FORTRAN entwickelt, das die rechnerische Simulation stoßinduzierter, komplizkierter chemischer Gasreaktionen unter Ausschluß der Effekte von Wärmeleitung, Diffusion und Strahlung erlaubt. Die Strömung selbst wird hinter dem als ruhend gedachten Verdichtungsstoß als eindimensional betrachtet, wie es den Verhältnissen bei Untersuchungen im Stoßwellenrohr annähernd. entspricht. Die wesentlichen Eigenschaften sind: geringer Umfang, einfache Handhabung, automatische Schrittweitensteuerung und relativ geringer Verbrauch an Rechenzeit. Die Anwendbarkeit des Programms wird an zwei Beispielen demonstriert: an der Verbrennung von Wasserstoff im Luftstrom (Rechenzeit auf CDC 6600 nur 29 s) und an der Induktionsphase der Äthan-Oxidation. Es wird gezeigt, daß die Rechenzeiten stark von der Anzahl der Gemischkomponenten und nur wenig von der Anzahl der Elementarreaktionen abhängen.

Numerical analysis of a non-equilibrium turbulent free jet diffusion flame

Abstract The non-equilibrium flowfield of a turbulent free jet hydrogen-oxygen diffusion flame is numerically analyzed. Turbulent transport properties are described by an eddy viscosity formulation. An elaborate finite-rate chemistry model is utilized and the reaction mechanism adopted for the analysis considers 23 elementary reactions between 9 chemical species (H 2 , O 2 , H, O, OH, H 2 O, HO 2 , H 2 O 2 and O 3 ). The governing set of non-linear partial differential equations is solved by an explicit finite-difference procedure. Predictions of velocity, temperature and mass fractions of chemical species in the flowfield are obtained. Calculated effective speeds of the elementary reactions demonstrate the important role of the chemical species HO 2 , H 2 O 2 and O 3 in the chemical process, particularly in the relatively cold oxygen-rich regions of the flame. Significant deviations are observed in the temperature and mass fraction profiles when a simplified model for the reaction mechanism without the appropriate HO 2 -, H 2 O 2 - and O 3 -reactions is employed.

Non-equilibrium laminar boundary-layer flow of dissociating air☆

Abstract Numerical calculations of the non-equilibrium laminar boundary-layer flow of dissociating air are conducted. The finite-rate chemistry model adopted for use in the analysis is elaborate, considering 22 elementary reactions between 9 chemical species (N 2 , O 2 , N, O, NO, NO 2 , N 2 O, NO 3 and O 3 ). An effective explicit finite-difference procedure, based on a scheme originally proposed by Du Fort and Frankel, is formulated for solving the governing partial differential equations with Soret and Dufour effects included in the boundary layer. At the wall, the limiting cases of a non-catalytic and a fully catalytic wall are considered. Predictions of velocity, temperature and mass fractions of chemical species are obtained. The numerical results demonstrate the importance of considering the non-equilibrium aspects of the flow rather than the limiting cases of either frozen or equilibrium flow. The mass fractions of chemical species are strongly influenced by the catalycity of the wall, whereas the catalytic recombination at the wall surface has no significant influence on the velocity and temperature profiles. Calculated effective speeds of the elementary processes show the importance of the individual reactions and the role of the NO 2 - and N 2 O-reactions in the production of nitric oxide.

Application of the λ-scheme to a chemically reacting supersonic jet flow

Abstract The λ-scheme is used as the basuc integration method to compute the inviscid, chemically reacting flow of a supersonic jet. To encounter the different time scales characteristic on the fluid and chemical processes, during the explicit integration of the time-dependent problem equations, the chemical source terms for species and energy are replaced by averaged integral values. With the definition of the averaged source terms, special regard iss given to the physical fact that chemical reactions occur simultaneously with the transport of the species along particle paths.

Vereinfachtes Reaktionsschema für die Propan/Luft-Oxydation im Verbrennungsmotor

ZusammenfassungEin umfangreicher Reaktionsmechanismus für die Propanverbrennung in Luft aus 184 Elementarreaktionen zwischen 47 reagierenden Komponenten wurde in einem den Verbrennungsprozeß im Motor beschreibenden numerischen Modell angewendet und mit Hilfe einer Sensitivitäts-Analyse vereinfacht. Das reduzierte Schema aus 63 Elementarreaktionen zwischen 33 Komponenten enthält zu motorischen Bedingungen noch die wesentlichen Eigenschaften des vollständigen Schemas einschließlich der Schadstoffbildung, führt jedoch zu einer spürbaren Verminderung der Rechenzeit. Darüber hinaus wurde ein Vergleich zwischen Rechenergebnissen des reduzierten Schemas und Experimenten in einem Forschungsmotor durchgeführt.

Räumlich hochauflösende Flammendiagnostik in Flammen mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Hilfe der spontanen Ramanspektroskopie

ZusammenfassungMit Hilfe der spontanen Ramanspektroskopie wurden umfangreiche, berührungslose, räumlich hochaufgelöste, stationäre Messungen der Temperatur-und Stoffverteilungen in laminaren und turbulenten Flammen mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen durchgeführt Im in solchen Flammen mit stärkerleuchtendem Untergrund messen zu können, wurde eine Ramanmeßapparatur bestehend aus einem mit akustooptischem Auskoppler gepulsten Argon-Ionenlaser und schmalbandigen Interferenzfiltern eingesetzt. Eine zusätzliche Erhöhung der Laserleistung am Meßort wurde durch ein Multipass-Laserfokussierung erreicht. Diese Maßnahmen bewirkten eine Erhöhung des Meßsignal/Untergrund-Verhältnisses um mehr als den Faktor 150 gegenüber konventionellen Ramanmeßapparaturen, die mit kontinuierlich betriebenen Argon-Ionenlasern arbeiten.