Wasserstoff statt Erdgas: Optimale Brennergeometrie durch CFD-Simulation

Wie kann mir die CFD-Simulation helfen?

Hier kommt Ansys Fluent für die CFD-Simulation ins Spiel. CFD steht für Computational Fluid Dynamics und ist eine Methode, um die Strömung von Gasen und Flüssigkeiten numerisch zu berechnen. Mit CFD-Simulationen können Sie Ihren Brenner virtuell nachbilden und verschiedene Parameter variieren. So können Sie sehen, wie sich die Strömung, die Verbrennung und die Wärmeübertragung in Ihrem Brenner verhalten und welche Auswirkungen das auf die Leistung und die Emissionen hat. Sie können auch verschiedene Brennerdesigns vergleichen und das beste auswählen.

Weitere Vorteile der CFD-Simulation von Industriebrennern sind:

• Geld und Zeit sparen: Keine realen Tests mit teuren Prototypen notwendig.
• Sicherheit erhöhen: Flammenrückschlag und Selbstentzündung vorhersagen und vermeiden.
• Effizienz und Umweltverträglichkeit verbessern: Brennstoff-Luft-Verhältnis optimieren und NOx-Emissionen reduzieren.

Verbrennung simulieren – Mit dem Gitter starten

Haben Sie die ersten Schritte gemeistert und ihre Aufgabenstellung klar umrissen, lohnt es sich das Augenmerk auf die Gittergenerierung zu richten. Das aus einzelnen Zellen bestehende Gitter beeinflusst maßgeblich die Genauigkeit und Stabilität der Simulation. Ein qualitativ hochwertiges Gitter sollte immer folgende Eigenschaften aufweisen:

• Ausreichende Auflösung zur Erfassung aller relevanten Strömungsstrukturen,
• glatter Übergang zwischen Regionen, um den numerischen Fehler zu verringern, und
• eine möglichst orthogonale Ausrichtung der Zellflächen zu den Stromlinien.

Wie sieht nun ein geeignetes Gitter für die Wasserstoffverbrennung aus? Hier ein paar Tipps für die optimale Gittergenerierung [1]. Die Tabelle unten liefert eine Orientierung wichtiger Netzeinstellungen für den Brenner selbst samt Düsen für das Einströmen der Reaktanden, für die Brennkammer und deren Kern sowie für die Außenbereiche, in denen keine Reaktion stattfindet. Im Detail erfordert jede CFD-Simulation natürlich immer eine Sensitivitätsstudie um den Einfluss der Gitterauflösung zu minimieren. Sollen turbulente Strukturen der Strömung und die Interaktion aus Chemie und Strömung besonders detailliert berechnet werden, kann aber auch eine deutlich feinere Vernetzung erforderlich sein.

Übrigens: Mit der in Ansys Fluent patentierten MOSAIC Poly Hexcore Technologie erhalten Sie ein hochwertiges strukturiertes Gitter in der Brennkammer, welches sich exzellent auch auf einem Cluster berechnen lässt. Und mit dem Fault-Tolerant Meshing Workflow können Sie auch schwierige und komplizierte CAD-Geometrien vernetzen, da die Methode automatische Korrekturmechanismen bereitstellt. Sollten Sie sich mit benötigten Netzauflösung doch nicht sicher sein oder wollen sie nur die Flammenfront genauer auflösen, können Sie die adaptive Vernetzung für Polyeder-Netze nutzen (PUMA-Algorithmus). Ein vordefiniertes Kriterium basierend auf dem sog. Flame Indicator verfeinert das Gitter nur da, wo es gerade nötig ist [2].

Welches Verbrennungsmodell ist das passende? EDC vs. FGM-Modell

Kommen wir nun zur Wahl des passenden Verbrennungsmodells. Dies sollte so gewählt werden, dass es die chemischen Reaktionen und die Turbulenz-Chemie-Wechselwirkungen ausreichend genau beschreibt. Verbreitete Modelle sind das EDC (Eddy Dissipation Concept) und das FGM (Flamelet Generated Manifold). Das EDC-Modell basiert auf der Idee, dass chemische Reaktionen in den feinsten turbulenten Wirbeln stattfinden. Die Reaktionsrate wird durch die Wirbelgröße und -frequenz beeinflusst, die wiederum von der Turbulenz abhängen. Konkret nutzt das EDC-Modell einen umfangreichen Reaktionsmechanismus und löst die Reaktionsgleichungen mithilfe effizienter Tabellierungs-Algorithmen wie dem ISAT (In-Situ Adaptive Tabulation Algorithmus).

Im Gegensatz dazu basiert das FGM-Modell auf der Annahme, dass die innere Flammenstruktur einer eindimensionalen Darstellung folgt. Diese wird vorab mithilfe eines laminaren 1D-Flammenlösers wie Chemkin berechnet und tabelliert. Das FGM-Modell kann zum Beispiel mit dem Skeletal Reaktionsmechanismus kombiniert werden, welcher 10 Gaskomponenten (die sog. Species) sowie 25 Reaktionen enthält. Reicht der Reaktionsumfang nicht aus, ist der UCSD-Mechanismus (57 Species, 268 Reaktionen) eine Alternative. Die folgende Tabelle vergleicht EDC und FGM-Modell. Die Tabelle darunter liefert ein Beispielsetup zum FGM-Modell für eine teilweise vorgemischte Flamme, ebenso wie Empfehlungen zu numerischen Einstellungen. Genügend große Durchflusszeiten gewährleisten eine aussagekräftige transiente Mittelung der Resultate.

Wenn wir über Verbrennung sprechen, müssen wir auch das Turbulenzmodell beachten. Für Fälle mit stabilen Strömungsfeldern, stellen RANS-Modelle (k-ω SST, Realizable k-ϵ) eine effiziente Lösung für viele Ingenieurprobleme dar. Oft liegt aber eine starke Kopplung zwischen Strömung und Reaktion vor. So führen instabile Strömungen bspw. zur lokalen Auslöschung der Flamme. Um Flammenbildung und Schadstoffemissionen möglichst genau zu erfassen, ist eine Large Eddy Simulation (LES) die beste Wahl. LES gilt im Allgemeinen jedoch als sehr aufwendig. Ein guter Kompromiss zwischen Genauigkeit und Aufwand stellt die Stress-Blended Eddy Simulation (SBES)dar, weil sie zwischen RANS und LES-Modell umschalten kann.