Numerische Untersuchung der Wechselwirkung zwischen turbulenten Freistrahlen und Biomassepartikeln

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437787677

Im 2°C-Szenario zur Milderung der weltweiten Auswirkungen des Klimawandels der Internationalen Energieagentur (IEA) spielt die direkte Verbrennung von Biomasse in Wärmekraftwerken eine entscheidende Rolle. Da Kohlendioxid (CO2) in Pflanzen und Holz gebunden ist, ist prinzipiell eine CO2-neutrale energetische Nutzung möglich. Laut IEA soll die sogenannte Bioenergie bis 2060 17% des globalen Energiebedarfs decken [1]. Um dieses 2°C-Ziel zu erreichen, müssen zwischen 2020 und 2050 die globalen Treibhausgasemissionen jedes Jahrzehnt halbiert werden, wobei gleichzeitig ab 2030 Treibhausgase verstärkt aktiv aus der Atmosphäre entfernt werden müssen [2]. Im Gegensatz zu Kohlestaubpartikeln, die näherungsweise als Kugeln eines bestimmten Durchmessers beschrieben werden können, weisen Biomassepartikel bei der industriellen Verfeuerung eine große Bandbreite verschiedener Geometrien und Größen auf. Diese Tatsache hat einen massiven Einfluss auf die Verweilzeiten und Aufheizraten der Partikel im Brennerraum, ihre Mischung mit der Verbrennungsluft und damit auf die Flammenstabilität sowie die Effizienz und Emissionen des gesamten Kraftwerks. Zur Auslegung und Optimierung der industriellen Verbrennung feinskaliger Brennstoffe sind numerische Simulationen einzelner Brenner und des Gesamtkraftwerks bereits üblich. Jedoch sind für die Beschleunigung und Aufheizung von Biomassepartikeln bislang keine präzisen Modelle etabliert, so dass diese Simulationen in der Regel auf vereinfachten Modelle basieren, deren Genauigkeit nicht bekannt ist. Der Massenanteil der Partikel ist zudem so groß, dass die Struktur des turbulenten Freistrahls, welcher sich beim Austritt aus dem Brenner bildet, signifikant durch die Partikel beeinflusst wird. Daraus resultiert eine komplexe Wechselwirkung beider Phasen, die unter anderem stark von der Größe und Form der Partikel abhängig ist, deren Mechanismen bislang jedoch kaum verstanden sind. In diesem Projekt wird diese Wechselwirkung anhand neuartiger, hochauflösender numerischer Simulationen analysiert und klassifiziert. Mit Hilfe Direkter-Partikel-Fluid-Simulationen werden dabei alle Längen- und Zeitskalen der turbulenten Strömung und der Umströmung einzelner Partikel aufgelöst. Dadurch werden innovative Betrachtungen der Interaktion von Biomassepartikeln mit allen Skalen des turbulenten Freistrahls möglich. Das detaillierte Verständnis dieser Prozesse ermöglicht Rückschlüsse auf das globale Verhalten des Systems und eine Klassifizierung der Interaktion bezüglich der verschiedenen Partikelformen.Zusammenfassend lautet das übergeordnete Ziel, basierend auf der numerischen Untersuchung der Mechanismen der Wechselwirkung von Partikeln mit den lokalen und integralen turbulenten Strukturen einer Freistrahlströmung den Einfluss der Partikelgeometrie auf die turbulente Mischung von Trägerfluid und Partikeln zu quantifizieren und zu klassifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Matthias Meinke