Da die in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzten Kraftstoffe ein Gemisch aus vielen aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen bilden, beschraenkt man sich bei der Simulation von Verbrennungsvorgaengen zunaechst nur auf den Einsatz von Modellkraftstoffen. Als Modellkraftstoffe fuer motorische Verbrennung bieten sich iso-Oktan fuer Otto- und n-Heptan fuer Dieselkraftstoffe an. Die Reaktionsmechanismen dieser Kohlenwasserstoffe sind aeusserst umfangreich (mehrere hundert Elementarreaktionen), und die Berechnung mehrdimensionaler Stroemungs- und Verbrennungsvorgaenge ist aufgrund begrenzter Rechnerkapazitaeten nahezu unmoeglich. Aus diesem Grund werden die detaillierten Reaktionsmechanismen systematisch auf eine handhabbare Zahl von Elementarreaktionen reduziert, wobei darauf geachtet wird, dass die Allgemeingueltigkeit der verbleibenden Reaktionsgleichungen weitgehendst erhalten bleibt. Die Modellierung einer nicht vorgemischten Verbrennung in einer turbulenten Stroemung erfolgt mit Hilfe des Flamelet-Modells. Grundlage dieses Modells ist die Annahme, dass die Zeitskala der chemischen Reaktionen wesentlich kleiner ist als die der charakteristischen Zeit der turbulenten Stroemung. Die Folge ist, dass die Reaktionszone als sehr duenn angenommen werden kann. Im Falle einer turbulenten Verbrennung fuehrt dies dazu, dass die turbulente Flamme als Ensemble vieler kleiner laminarer Flaemmchen, den sogenannten Flamelets, beschrieben werden kann.
Zur Energieeinsparung wird bei Hochtemperaturprozessen dem Abgasstrom Waerme entzogen und zur Vorwaermung der Verbrennungsluft genutzt. Durch diese Massnahme wird die Stickstoffoxidbildung in Richtung hoeherer Emissionen nachteilig beeinflusst. Eine Primaermassnahme, die diesen erhoehten Emissionen erfolgreich entgegen wirkt, ist die Abgaseinmischung in die Flamme. Diese Inertisierung kann bei Duesenbrennern durch einen intensiven Impulsaustausch zwischen den Strahlen und dem umgebenden Abgasvolumen erreicht werden. Die Inertisierung beeinflusst die Groessen, die fuer die thermische NO-Bildung verantwortlich sind. Um Aussagen ueber die Auswirkungen einzelner Parameter auf den Verbrennungsverlauf und die NO-Bildung zu ermoeglichen sollen die Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsfelder von Duesenbrennern an einem isothermen, physikalischen Modell untersucht und exemplarisch an einem Ofen im Heissversuch vermessen werden. Die Messergebnisse sollen mit Ergebnissen einer mathematischen Modellierung verglichen werden. Fuer die isothermen Untersuchungen wurde ein Duesenbrennermodell unter Beruecksichtigung der Aehnlichkeitsgesetze konstruiert und gebaut. Darueber hinaus wurde der Versuchsstand fuer die experimentellen, isothermen Untersuchungen des Geschwindigkeits- und des Mischungsfeldes auf die neue Messaufgabe angepasst. Es wurden Messungen fuer den Fall der achsparallelen Einduesung und unter einem Anstellwinkel der Luftduesen durchgefuehrt. Diese Messungen wurden zu einer Validierung einer mathematischen Modellierung nach der Reichardtschen Waermeleitungsanalogie verwendet. Die Analogie wurde fuer die Berechnung geneigter Duesen erweitert und zur Berechnung reaktiver Stroemungen mit einem sogenannten laminaren Flamelet-Modell kombiniert. Insgesamt liefert das mathematische Modell gute Uebereinstimmung mit den Messwerten bei der Freistrahlausbreitung.
In technischen Verbrennungsvorgaengen entstehen die Stickstoffoxide (NO, NO2), die summarisch auch als NOx bezeichnet werden. Die Bildung der beiden Stickstoffverbindungen erfolgt ueber unterschiedliche Reaktionsmechanismen, die abhaengig sind von der Brennstoffzusammensetzung und den Randbedingungen im Brennraum. Durch verbrennungstechnische Massnahmen (Primaermassnahmen) koennen diese NOx-Emissionen oft entscheidend verringert werden. Zu diesen Primaermassnahmen zaehlt auch das Reburning (Stufenverbrennung). Da die homogenen Gasreaktionen beim Reburning in einem sehr kurzen Zeitraum ablaufen ist die Optimierung der Vermischung von Abgasstrom und eingeduestem Zusatzstoff anzustreben, d.h. die Vermischung der Komponenten muss schnell erfolgen (kleiner 1 ms), und sie muss vollstaendig sein, da ein Reaktionsmittelschlupf eine Emission dieser Reduktionsmittel zur Folge hat und somit ein Emittend gegen einen anderen ausgetauscht wird. Beide Optimierungsbedingungen sind wichtig. Im Idealfall sollen bereits nach einem kurzen Mischungsweg stoechiometrische Verhaeltnisse von Reduktionsmittel und Schadstoffmenge vorliegen. Das Forschungsziel des Vorhabens liegt in der Weiterentwicklung eines bestehenden Rechenmodells zur Ermittlung der Konzentrationsverteilung des eingeduesten Stoffes (Sekundaerbrennstoff, Ausbrandluft, rezirkuliertes Rauchgas) im Rauchgas. Die Bereitstellung dieses Rechenprogrammes eroeffnet die Moeglichkeit vorhandene Anlagen durch Parametervariationen zu untersuchen und Empfehlungen fuer eine Umruestung erarbeiten zu koennen. Zur Zeit werden mit Hilfe dieses Programmes Berechnungen einer CH4-Luft- Flamme vorgenommen, da zu diesem Problem zahlreiche Literaturstellen fuer eine Validierung der Ergebnisse existieren. Der Aufbau einer Flamelet-Library innerhalb des Mischungsgebietes durch Reaktion der Rauchgas- und Sekundaerbrennstoffkomponente ist abgeschlossen. Somit steht ein mathematisches Modell zur Verfuegung mit dem man in der Lage ist den gesamten Reburning-Prozess zu simulieren und die Einmischung zu optimieren.