Numerische spektrale Modellierung der Interaktion zwischen Gasen und Wärmestrahlung zum Einsatz in CFD-Verfahren

Aachen (2016, 2017) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (XIII, 171 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Die Interaktion von strahlungsaktiven Gasen und Wärmestrahlung stellt einen wesentlichen Wärmeübertragungsmechanismus dar, der auch bei der numerischen Simulation der Strömungs- und Wärmeaustauschprozesse in technischen Apparaten der Feuerungs- und Hochtemperaturverfahrenstechnik berücksichtigt werden muss.In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines nicht-grauen Wide-Band-Modells vorgestellt, die speziell auf die Verwendung in CFD-Berechnungen abgestimmt ist. Ziel dieses Modells ist die bandweise Bereitstellung eines spektral gemittelten Absorptionskoeffizienten als Eingangsgröße für nicht-korrelierte Lösungsverfahren der Strahlungstransportgleichung, die auf den gleichen Berechnungsgittern wie CFD-Strömungsberechnungen durchgeführt werden können.Vor der eigentlichen Modellentwicklung werden die physikalischen Effekte der Interaktion zwischen Gasen und thermischer Strahlung erläutert, um die zur Berechnung des Strahlungstransport notwendigen Integrationen über das Strahlungsspektrum, den Raumwinkel sowie die entlang des Strahlungspfades und die daraus resultierenden modelltechnischen Herausforderungen und numerischen Verfahren zu verdeutlichen.Im Anschluss wird basierend auf dem Exponential Wide Band Model ein Modell zur Berechnung eines spektral gemittelten Absorptionskoeffizienten für einen Wide-Band-Ansatz entwickelt, das mittels analytischer Stammfunktionen eine glatte Mittelung des Absorptionskoeffizienten erlaubt. In einfachen Testfällen wird dieses Modell sowohl für strahlungsaktive Einzelkomponenten (\ce{H2O}, \ce{CO2}) als auch für typische Rauchgaszusammensetzungen mit homogenen und nicht-homogenen Bedingungen und unterschiedlichen räumlichen Strahlungspfadauflösungen mit wesentlich detaillierteren Referenzmodellen verglichen.Im Vergleich zum Vorgängermodell konnte eine deutlich veringerte Gitterabhängigkeit und geringere Abweichung von wesentlich detailierteren Referenzmodellen erzielt werden. Jedoch zeigen die Ergebnisse auch, dass die Verwendung des EWBM in einem Wide-Band-Modell mit festen Bandgrenzen sich hinsichtlich der Genauigkeit insbesondere der Wandwärmeströme problematisch gestaltet. Mögliche alternative Berechnungsverfahren werden daher im Ausblick skizziert.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Habermehl, Martin

Gutachterinnen und Gutachter

Kneer, Reinhold
Janicka, Johannes

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2017-08045