Projekt

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Direct Numerical Simulation of Turbulent Hetero-/homogeneous Combustion with Detailed Chemistry

Gesuchsteller/in Frouzakis Christos
Nummer 153109
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Institut für Energietechnik ETH Zürich
Hochschule ETH Zürich - ETHZ
Hauptdisziplin Maschineningenieurwesen
Beginn/Ende 01.09.2014 - 28.02.2018
Bewilligter Betrag 212'573.00
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Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Maschineningenieurwesen
Fluiddynamik

Keywords (5)

direct numerical simulation; detailed chemistry ; homogeneous ignition ; turbulent hetero-/homogeneous combustion ; flame extinction

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Katalytische Verfahren sind von höchstem Interesse für viele industriellen Anwendungen, welche von Grosskraftwerken mit stationären Turbinen bis hin zu mobilen Mikro-Reaktoren reichen. Weitere Anwendungsbereiche liegen in der Brennstoffverarbeitung und der Abgas-Aufbereitung. Für Grosskraftwerke sind Ansätze mit katalytischen Verbrennungsverfahren besonders attraktiv, da das Kernziel für die zukünftige Entwicklung in der Verminderung der CO2-Emissionen (Treibhausgase) liegt. Moderne katalytische Reaktoren arbeiten unter hohen Drucken, wobei die eingehenden Reynolds-Zahlen Werte bis 20‘000 erreichen können. Unter solchen hohen Drucken können chemische Reaktionen in der Gasphasenicht vernachlässigt werden, auch nicht unter den sehr hohen geometrischen Einschränkungen typischer Katalyse-Reaktoren. Daher werden verlässliche numerische Modelle der hetero-/homogenen Verbrennung in transienten oder vollständig turbulenten Kanalströmungen benötigt.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungprojekts

In Rahmen des Projektes wird Direkte Numerische Simulation (DNS) für die Untersuchung von heterogener und homogener Reaktionen angewendet. Die turbulente katalytische Verbrennung von Wasserstoff über Platin wird dabei auf Basis von detaillierten chemischen Simulationen der katalytischen und elementare Gasphase-Reaktionen untersucht. Zusätzlich wird ein elementarer Gasphase-Reaktionsmechanismus verwendet (nötig, um die wichtigsten Kopplungen der Gasphase mit den katalytischen Reaktionen). Das Ziel ist die Herausarbeitung der Zusammenhänge zwischen Turbulenz, katalytischer Chemie und gasförmiger Reaktionen, welche an der katalytischen Oberfläche zu homogenen Zündungen und lokalen Flammlöschungen führen.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Die vorgeschlagene Untersuchung mittels Direkter Numerische Simulation wird Klarheit über die Bedingungen der lokalen homogenen Zündung, der lokalen Flammlöschung, und deren Verhältnis zum übergeordneten Turbulenzniveau der Strömung schaffen. Überdies werden die DNS Resultate die zukünftige Entwicklung von Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) und Large Eddy Simulation (LES) Modellen unterstützen.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 03.05.2015

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
Direct numerical simulations of turbulent catalytic and gas-phase combustion of H 2 /air over Pt at practically-relevant Reynolds numbers
Arani Behrooz Ostadmohammadi, Frouzakis Christos Emmanouil, Mantzaras John, Boulouchos Konstantinos (2018), Direct numerical simulations of turbulent catalytic and gas-phase combustion of H 2 /air over Pt at practically-relevant Reynolds numbers, in Proceedings of the Combustion Institute, in press.
Three-dimensional direct numerical simulations of turbulent fuel-lean H2/air hetero-/homogeneous combustion over Pt with detailed chemistry
Ostadmohammadi-Arani Behrooz, Frouzakis Christos Emmanouil, Mantzaras John, Boulouchos Konstantinos (2017), Three-dimensional direct numerical simulations of turbulent fuel-lean H2/air hetero-/homogeneous combustion over Pt with detailed chemistry, in Proceedings Combustion Institute, 36(3), 4355-4363.
Direct numerical simulations of turbulent catalytic and gas-phase combustion of H2/air over Pt at practically-relevant Reynolds numbers
Behrooz Ostadmohammadi Arani, Christos Emmanouil Frouzakis, John Mantzaras, Konstantinos Boulouchos, Direct numerical simulations of turbulent catalytic and gas-phase combustion of H2/air over Pt at practically-relevant Reynolds numbers, in Proceedings of the Combustion Institute, 37.

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Formen der Zusammenarbeit
Prof. A. Tomboulides, University of Western Macedonia Griechenland (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Austausch von Mitarbeitern

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
37th International Symposium on Combustion Vortrag im Rahmen einer Tagung Direct numerical simulations of turbulent catalytic and gas-phase combustion of H2/air over Pt at practically-relevant Reynolds numbers 29.07.2018 Dublin, Irland Boulouchos Konstantinos; Ostadmohammadi Arani Behrooz; Frouzakis Christos; Mantzaras Ioannis;
8th European Combustion Meeting 2017 Poster Effect of Turbulence and Surface Reactivity on Turbulent Catalytic Combustion of Lean Hydrogen/air Mixtures: a 3-D Direct Numerical Simulation Study 18.04.2017 Dubrovnik, Kroatien Boulouchos Konstantinos; Ostadmohammadi Arani Behrooz; Frouzakis Christos; Mantzaras Ioannis;
36-th International Symposium on Combustion Vortrag im Rahmen einer Tagung Three-dimensional direct numerical simulations of turbulent fuel-lean H2/air hetero-/homogeneous combustion over Pt with detailed chemistry 01.08.2016 Seoul, Korea, Republik (Südkorea) Mantzaras Ioannis; Boulouchos Konstantinos; Ostadmohammadi Arani Behrooz; Frouzakis Christos;


Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
127180 Direct Numerical Simulation of Catalytic Ignition and Turbulent Catalytic Combustion 01.04.2010 Projektförderung (Abt. I-III)

Abstract

Catalytic processes are of prime interest for many industrial applications ranging from large-scale power generation in stationary turbines and portable power generation in microreactors, to fuel processing and exhaust gas treatment. In large-scale power generation, catalytic combustion approaches appear particularly attractive for the latest combustion technologies aiming at mitigation of greenhouse CO2 emissions. Modern catalytic reactors operate at high pressures where the incoming Reynolds numbers based on the individual catalytic channel hydraulic diameter can reach up to 20,000 at full load operation. At such elevated pressures, gas-phase (homogeneous) chemical reactions cannot be neglected ?even at the very high geometrical confinements of typical catalytic reactors. Therefore, there is a need for reliable numerical models capable of describing hetero-/homogeneous combustion in transitional or fully turbulent channel-flows.Direct numerical simulation (DNS) will be used to investigate, for the first time in the literature, coupled heterogeneous and homogeneous reactions. Detailed catalytic (mean-field surface reaction mechanism) and elementary gas-phase chemistry will be employed in the DNS code to study hydrogen catalytic combustion over platinum. Moreover, an elementary gas-phase reaction mechanism will be used (necessary for describing the major and minor species coupling with the catalytic reaction pathway). The goal is to identify the interactions between turbulence, catalytic chemistry and gaseous reactions leading to the onset of homogeneous ignition and to local flame extinction over catalytic surfaces. The proposed DNS investigation will shed light on conditions of local homogeneous ignition and local flame extinction and their relation to the overlying turbulence levels of the flow. Moreover, the DNS results will further aid the development of advanced Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) and Large Eddy Simulation (LES) models.
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