Scale-reduced modeling of multi-phase clean fuel combustion

At the institute for Simulation of Reactive Thermo-Fluid Systems (STFS)

Masterthesis, Bachelorthesis

In einem einzigartigen Forschungsansatz sollen Eisen und seine Oxide in einem Kreislauf als kohlenstofffreier chemischer Energieträger für erneuerbare Energie genutzt werden. Eisen hat ein enormes Potenzial die Energiewende voranzutreiben. Im Projekt Clean Circles erforschen Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen wie Eisen und seine Oxide in einem Kreislauf als kohlenstofffreier chemischer Energieträger zur Speicherung von Wind- und Sonnenstrom genutzt werden können (siehe https://www.tu-darmstadt.de/clean-circles).

Für ein umfassendes Modell zur Beschreibung der Reduktion und Oxidation von Eisen(oxid) müssen geeignete skalen- und komplexitätsreduzierte Ansätze (z. B. Reaktornetzwerke) betrachtet und entwickelt werden. In einem Reaktornetzwerk kann das Reaktorvolumen in funktionale Kompartments mit repräsentativen Konzentrationen, Temperaturen oder Mischungszuständen unterteilt werden. Die Kopplung idealer Strömungsreaktoren (Strömungsrohr, Rührkessel) kann z. B. zur Annäherung an das Verweilzeit- und Umsatzverhalten realer Prozesse genutzt werden. Die Kopplung erfolgt über den Austausch von z.B. Stoff- und Energieströmen. Am Fachgebiet STFS wurden Reaktornetzwerke bereits für die Simulation praxisnaher Verbrennungssysteme gasförmiger Brennstoffe angewendet, wobei ein eigens entwickeltes C++ Tool zum Einsatz kam.

Aufgabenstellung:

In Rahmen der studentischen Arbeit soll die skalenreduzierte Modellierung basierend auf Reaktornetzwerken erstmalig auf einen komplexen mehrphasigen Fall, einer Brennkammer für gasunterstützte Feststoffverbrennung, Anwendung finden. Hierbei handelt es sich um eine optisch zugängliche generische Brennerkonfiguration welche am Lehrstuhl für Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) vermessen und am Fachgebiet für Energie- und Kraftwerkstechnik (EKT) bzw. STFS in einer detaillierten Grobstruktursimulation simuliert wurde (Abbildung 1). Folgend sind sowohl eine breite Expertise als auch Daten für die Validierung vorhanden. In einem ersten Schritt soll die Identifikation und Einteilung der Kompartments für ein neues Reaktornetzwerk erfolgen. Als zweiten Schritt gilt es dieses Reaktornetzwerk unter der Berücksichtigung heterogener Kinetik mit bestehenden Ergebnissen aus einer CFD-Simulation zu validieren und gegebenenfalls zu adaptieren. Für den Anwendungsfall stehen kinetische Daten, als auch experimentelle und numerische Daten aus dem Bereich der Feststoffverbrennung zur Verfügung.

Empfohlene Qualifikationen:

  • Interesse an strömungsmechanischen/thermodynamischen Prozessen
  • Grundlegende Kenntnisse im Bereich chemischer Reaktionskinetik
  • Affinität zur Programmierung, Erfahrungen in C/C++ sind hilfreich
Gegenüberstellung der zweiphasigen CFD-Simulation der Brennkammer und einem exemplarischen Reaktornetzwerk