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This study presents an algebraic combustion closure for Large eddy simulation (LES) exhibiting attributes of simplicity and simultaneous accuracy under realistic combustion conditions. The model makes use of the interlink between the reaction and dissipation rates in premixed turbulent combustion but relaxes the thin flame assumption by considering finite-rate chemistry effects in the small-scale turbulence structure. The core idea of the approach is to approximate the reaction progress in the unresolved spectrum of wave lengths and to use it within a filtered reaction rate expression. The model is implemented in OpenFOAM 4.0 and is tested on a turbulent, premixed flame behind a bluff-body, applying an LES approach for turbulence modelling. The cross comparison of velocity, temperature and composition data with experiments and a wellinvestigated combustion model in literature reveals competitive performance of the new model. Especially in the near-field of the bluff body flame, corresponding to thin and moderately thickened flame regions, its ability to capture the flame structure is highly promising. The chosen, partly explicit approach to recover the temperature from the transported sensible enthalpy, involving a strong coupling between filtered reaction and heat release rate, also shows advantages over obtaining the temperature from presumed probability density functions. Development of a turbulence dissipation based reaction rate model for progress variable in turbulent premixed flames

ZusammenfassungDie Arbeitsgruppe Modellierung und Simulation am Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik beschäftigt sich primär mit der Modellierung von Verbrennungsprozessen, wobei diese Modelle meist auf industrielle Öfen angewendet werden. Je nach Aufgabenstellung wurden spezifische Modelle entwickelt, um die jeweiligen Aggregate abzubilden. Besonders zu erwähnen sind die NOX Postprocessoren, welche eine präzise Vorhersage der Stickoxidkonzentrationen mit geringem Rechenaufwand ermöglichen. Neben der numerischen Strömungsmodellierung befasst sich die Arbeitsgruppe mit dem Blick Richtung Industrie 4.0 im Projekt FalstCalc mit Multieindimensionalen Ofenmodellen, welche mehrere Tage einer Ofenreise in Minuten abbilden können.

The previously developed numerical model available for predicting nitrogen oxide emissions uses flamelet approach to calculate the flame properties and estimates the concentration of NOX with GRI 3.0 mechanism by solving the species transport equation. The existing model is further optimized to reduce the computation time without losing the accuracy. Three approaches, by modifying the reaction rate calculation method, by predicting the initial values and by using dynamic mesh refinement, were implemented on OpenFOAM and analyzed with experimental data from Sandia Flame D. The application of post-processor in simulating an industrial burner of 850 kW to determine nitrogen oxide emissions is also demonstrated.

In der Stahlindustrie wird der Hubbalkenofen dazu verwendet, die Brammen vor dem Walzen zu erhitzen. Um die hohen Qualitatsanforderungen zu erreichen, wird ein sehr gleichmasiges Temperaturprofil in den Brammen verlangt. Mithilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) wurde in ANSYS Fluent 15 ein Modell zur Berechnung und Analyse der Warmestrome in einem Hubbalkenofen erstellt. Das Modell beinhaltet die Modellierung der Verbrennung, Strahlung, Turbulenz sowie Brammenbewegung und Zunderaufbau an der Brammenoberflache. Die Ergebnisse aus der Simulation und einem Schleppversuch wurden anschliesend verglichen, und es zeigt sich, dass das Modell in der Lage ist, die Warmestrome im Ofen richtig abzubilden. In weiterer Folge wurde das entwickelte Modell dazu verwendet, die Ursachen von Temperaturinhomogenitaten in den Brammen festzustellen. Mittels einer Reihe von Simulationen konnte anschliesend ein Ofenprogramm gefunden werden, welches durch eine Leistungsverschiebung der Brenner eine deutliche Reduktion der Temperaturunterschiede in den Brammen ermoglicht.

Das Atmospharenpartikel-Kinetikmodell ist ein hilfreiches Werkzeug, um die Partikelkinetik in Abhangigkeit der Verweilzeit zu bestimmen. Dieses Modell ermoglicht die Quantifizierung verschiedenster Einflussparameter in einer RecoDust-Pilotanlage zur pyrometallurgischen Aufbereitung von zinkhaltigen Stauben. Dabei sind die wichtigsten Parameter die Temperatur, Gaszusammensetzung und -geschwindigkeit, Partikelgrose sowie die Partikeleingangstemperatur. Die Grose des gewahlten Betrachtungsraumes orientiert sich an der Grose des vorhandenen Reaktors. Die Fluidphase wird als Euler-Phase betrachtet und die Partikel uber einen Lagrange-Ansatz modelliert. Als Ergebnis wird die Anderung der Zusammensetzung in Abhangigkeit von der Reaktionsgeschwindigkeit in dem Partikel fur gegebene Parameter erhalten.

Dust deflagration is a rapid combustion process with the spread of flame at subsonic speed. Standard numerical modelling approaches using pyrolysis/evaporation are neglecting phenomena determined by transport limitations inside the dust particle. Main objective of this paper is the investigation and understanding of relevant transport phenomena in the inner structure of a Lycopodium particle. This was achieved by three individual models. The first model describes the dust deflagration, using a flame speed approach. After the evaluation of model by the flame front propagation and associated temperature, data is used in a second model. This model uses Lagrangian tracer particles, placed in the flame front. The flame front is passing these particles, which are used for metering data, such as composition and temperature of the gas to calculate the heat transfer coefficient and the mass transfer coefficient of each species. These results are used as boundary conditions for the third model, a single particle model, which considers a mobile gaseous phase in the pores and a stationary phase for the solid and liquid substances by using a Eulerean approach. In addition, the gaseous phase includes heat and mass transport by convection and diffusion/conduction in the pores, whereas the stationary phase considers only heat conduction. The pyrolysis in this model includes the primary pyrolysis, the tar cracking and heterogeneous char reactions, as well as the set of homogenous reactions for the gas phase. With the single particle model four different geometries were observed: two 3D geometries with different lycopodium spores, a 1D radial symmetric geometry and a 0D geometry. All simulations are based on OpenFOAM 1.7.1.

In steel industry the walking beam furnace is used to heat up and reheat steel slabs for the rolling process. In order to meet the demands for high quality steel a very homogeneous temperature profile in the slabs is required. Using Computational Fluid Dynamics (CFD) in ANSYS Fluent 15, a walking beam furnace was investigated to analyze the causes of inhomogeneous temperature distribution in the steel slabs. Due to different sizes in length scale, starting with burner nozzles with a diameter of about 10 mm to dimensions of the whole oven with over 50 meters, about 220x106 tetrahedron cells were necessary to resolve the geometry. On the basis of this model size it is unavoidable to find strategies to reduce the calculation time and consumption of computational power. Therefore the walking beam furnace was modeled as a steady state process. To avoid high requirements of computational power for solving chemical reactions a steady laminar flamelet model for non-adiabatic combustion was used [1]. For this purpose a flamelet was generated for the specific mixture of natural gas, blast furnace gas and air as oxidizer. In order to avoid the need of a dynamic mesh or a complex movement algorithm for the slab motion and a transient model of the oven the steel girder were mapped as a continuous band. The motion of the band was modeled by a Multi Reference Frame (MRF) with a specific velocity, resulting in a mass flow through the furnace similar to the real one. To describe turbulent effects the realizable k-e-model was used with one modification. For a more accurate description of the flame acceleration the turbulent constant C2e was edited according to literature data from 1.9 to 1.8 [2, 3]. For this purpose the Discrete Ordinate Model (DOM) was used in combination with a Weighted Sum of Gray Gases Model (WSGGM) to describe the emissivity and absorption of radiation from CO, CO2, H2O und CxHy [4,5]. To set the boundary conditions for thermal properties of the oven wall a User Defined Function (UDF) was developed and implemented into the ANSYS Fluent 15 calculation [6]. The model should be used to start an improvement process to analyze the impacts of different operating conditions to get a better insight into the process.

Bei der mechanischen Aufbereitung von Abfallen zur Erzeugung von Recyclingprodukten, wie zum Beispiel Ersatzbrennstoffen, durchlauft das Inputmaterial eine Reihe von Verfahrensschritten in denen es zerkleinert und aufgetrennt wird. Bei jeder Aufbereitungs- und Ubergabestation entstehen Feinkornfraktionen. Brennbare Stoffe mit Korngrosen kleiner 500 µm konnen unter bestimmten Voraussetzungen Staubexplosionen verursachen. Um das von Stauben aus Abfallbehandlungsanlagen ausgehende Gefahrenpotential richtig einstufen zu konnen und die Einflussfaktoren zu identifizieren, werden Staube aus verschiedenen Abfallbehandlungsanlagen auf ihr Explosionsverhalten untersucht. Die Analysen zeigen, dass Staubproben aus verschiedenen mechanischen Aufbereitungsanlagen miteinander gut vergleichbar sind. Unterschiede in den Explosionscharakteristika der Staube begrunden sich hauptsachlich im Inertanteil der Proben und der Inhibierung des Explosionsverhaltens durch enthaltene Grobstaubanteile. Ziel der Untersuchungen ist es ein Charakterisierungssystem zu entwickeln, das es ermoglicht nach der Bestimmung grundlegender physikalischer Grosen auf das Explosionsverhalten von nicht untersuchten Stauben folgern zu konnen.

Die Anwendung von Computational Fluid Dynamics (CFD) ist eine gute Methode den Einblick auch in Prozesse zu ermoglichen bei denen Messungen schwer durchzufuhren sind. Das Steady Laminar Flamelet Modell (SLF) mit dem Gri-Mech 3.0 Methanreaktionsmechanismus wurde mit dem Eddy Dissipation Concept Modell (EDC) fur unterschiedliche reduzierte Reaktionsmechanismen an Messwerten einer Freistrahlflamme verglichen. Das SLF Modell stimmt besser mit den Messwerten uberein, ist aber auf die Gasreaktionen des Gri-Mech Reaktionsmechanismus beschrankt. Mochte man zusatzliche Reaktionen im Prozess berucksichtigen, zeigt das EDC Verbrennungsmodell ebenfalls eine gute Ubereinstimmung mit den Messwerten. Nur die Maximaltemperatur und die Konzentration des Hydroxyradikales in der Flamme werden mit diesem Modell zu hoch vorhergesagt.

Um qualitativ hochwertige Produkte unter minimalem Energieverbrauch in Industrieofen herzustellen, bedarf es der Optimierung der Prozessparameter. Ein Tool zur kostengunstigen Verbesserung der Anlagen ist die Simulation der Ofen mithilfe der numerischen Stromungssimulation (Computational Fluid Dynamics; CFD). In einem Feuerverzinkungsprozess zur Oberflachenbeschichtung von Stahlbandern wurde im Vorwarmprozess ein Abschnitt des direkt befeuerten Ofens mit der Stromungssimulationssoftware Ansys Fluent 15.0 modelliert. Die Flammen der nicht vorgemischten Gasbrenner wurden mit dem Equilibrium-Verbrennungsmodell gerechnet. Die Turbulenz wurde mit dem realizable-k-e-Modell berucksichtigt, und als Strahlungsmodell wurde die Discrete Ordinate Methode (DOM) verwendet.