SFB/Transregio 150, TP B07: Modellreduktion für Reaktions-Transport-Systeme im Abgasstrang

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Modellreduktion bei der Simulation der Verdunstung und Zersetzung von Harnstoff-Wasser-Lösung

Kurzbeschreibung

Motivation

Selektive katalytische  Reduktion (SCR) mit Harnstoff-Wasser-Lösung ist ein Verfahren zur Reduzierung von Stick-Oxid-Emmissionen von Verbrennungsmotoren. Die zugrundeliegenden physikalisch-chemischen Prozesse, insbesondere die, die zur Bildung von festen Rückständen führen, sind immer noch nicht im Detail verstanden.

Diese Prozesse umfassen eine Vielzahl von potenziell gekoppelten physikalischen Vorgängen wie Diffusion und Konvektion, sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase, Verdampfung und chemische Reaktionen. Aus diesem Grund sind detaillierte Simulationen des gesamten SCR-Prozesses sehr komplex und die Anforderungen an die Rechenleistung hoch. Um die Komplexität und die Rechenkosten solcher Simulationen zu reduzieren, besteht ein Bedarf an effizienten und genauen reduzierten Modellen, die sowohl die detaillierten chemischen Prozesse als auch die Mehrphasenströmung beschreiben können.

Ziele
Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von reduzierten kinetischen Modellen für Harnstoff und seine Abbauprodukte. Diese werden benötigt, um die komplexe chemische Kinetik in Large-Eddy-Simulationen (LES) der Prozesse im Abgassystem zuverlässig und effizient zu beschreiben. Zu diesem Zweck werden detaillierte Reaktionsmechanismen für das Modellsystem analysiert und mit unterschiedlichen mathematichen Reduktionskonzepte reduziert. Dabei werden Reaktionen in allen Phasen (Gas, Flüssigkeit, Feststoff) und Phasenwechsel berücksichtigt.
Methoden

Als Modellsystem wird ein verdampfender und sich zersetzender Tropfen oder Film einer Harnstoff-Wasser-Lösung verwendet. Mit dem intern entwickelten Programmpaket INSFLA werden detaillierte 1D-Simulationen von Verdampfung und den chemischen Reaktionen in der Gas- und Flüssigphase untersucht.

Die berechnetencKonzentrationsprofile werden auf der Grundlage verschiedener Reduktionskonzepte analysiert:

  • Reduktionskonzepte, die auf einer lokalen Zeitskalentrennung basieren, z.B. ILDM (intrinsic low-dimensional manifolds) oder einer globalen, z.B. GQL (global quasi-linearization).
  • Zur Betrachtung der Koppelung von Chemie und Transport wird das REDIM-Konzept (reaction-diffusion manifolds) verwendet.
  • Prozesse werden mit dem einem modifizierten D2-Ansatz modelliert.

Für unterschiedliche Prozesse werden jeweils geeignete Modellreduktionskonzepte gewählt und reduzierte Modelle entwickelt.

Ergebnisse

Ausblick
  • Die reduzierten Modelle für unterschiedliche Phasen und Prozesse müssen gekoppelt werden
  • Bei den detaillierten Simulation, die als Referenz für die reduzierten Modelle stehe, müssen weitere EInflussfaktoren betrachtet werden, wie die Einflüsse vom Geschwindigkeitsfeld auf die Tropfenverdunstung