Hey, ich bin der Conrad. Ich bin Doktorand hier in der Arbeitsgruppe für optische Diagnosemethoden und erneuerbare Energien der Hochschule Darmstadt.
Ich mache aktuell meine Promotion auf dem Gebiet der Verbrennungsforschung und auch der Katalyseforschung und insbesondere bin ich Experimentator, das heißt ich mache Experimente, womit ich eben diese Phänomene untersuchen will.
Hallo mein Name ist Sandra und ich bin in der gleichen Arbeitsgruppe wie Conrad tätig, aber nicht im Bereich des Experimentes, sondern im Bereich der Numerik, das heißt der Berechnung von den Prozessen, die experimentell gemessen werden, am Computer.
Ich habe meine Promotion bereits abgeschlossen und bin als Postdoc in der Arbeitsgruppe tätig.
Da wir uns beide mit dem Thema der Verbrennung beschäftigen, sowie experimentell wie auch numerisch, wollen wir uns heute in dem Video damit auseinandersetzen, welche Zukunft die Verbrennung hat und welche numerischen und auch experimentellen Methoden genutzt werden, um dies zu analysieren.
In der Öffentlichkeit ist gerade die Debatte um klimaneutrale Energiesysteme und Transportsysteme von großem Interesse. Dabei geht es viel um E-Scooter, Elektro-Ladestationen, Elektroautos, aber auch die Verbrennung kann in Zukunft eben von großem Interesse sein.
Insbesondere müssen wir zurückgreifen auf sogenannte synthetische Kraftstoffe oder E-Fuels, ein gutes Beispiel dafür ist Dimethylether, die einen neutralen CO2 Fußabdruck haben können und gleichzeitig mit zum Beispiel weniger Ruß verbrennen.
Diese Kraftstoffe können in herkömmlichen Verbrennungsmotoren und Gasturbinen, wie wir sie in Flugzeugen haben, eingesetzt werden. Das bedarf aber einiger Anpassung und weitere Forschung.
Insbesondere Charakteristiken, wie die Zünd- und Verlöschvorgänge dieser Brennstoffe, müssen eben weiter untersucht werden.
Das Zünd- und Verlöschverhalten dieser synthetischen Brennstoffe ist von großem Interesse und wir versuchen das Ganze zu untersuchen, sowohl experimentell als auch numerisch an einer vereinfachten Brennerstruktur, das nenne wir den Gegenstrombrenner.
Wir vereinfachen das Ganze deshalb, weil die tatsächlichen Strukturen in der Realität, also zum Beispiel ein Verbrennungsmotor oder eine Gastrubine, deutlich zu komplex sind, um sie direkt im Labor eben zu untersuchen.
Wir befinden uns im Moment im Labor für optische Diagnosemethoden und erneuerbare Energien der Hochschule Darmstadt, das geleitet wird von Professor Dirk Geier.
Unser Spezialgebiet sind laserbasierte Analysen reaktiver und nicht reaktiver Strömungen, wie zum Beispiel der Verbrennung und eben ihrer Zukunft.
Wir arbeiten in Forschungsprojekten eng zusammen mit dem Fachbereich reaktive Strömung und Messtechnik und dem Fachbereich der Simulation reaktiver Thermo-Fluid-Systeme der TU Darmstadt.
Wir kommen jetzt zurück zu dem vorhin schon angesprochenen Brennersystem, des Gegenstrombrenners, welcher in Forschungsarbeiten schon intensiv untersucht wurde.
Die vorliegende Konstruktion ermöglicht es, vorverdampfte Alkohole und synthetische Brennstoffe, die in der Energiewende als Speicher eine zentrale Rolle spielen können, kontrolliert zu verbrennen und zu analysieren.
Der Aufbau des Gegenstrombrenners besteht aus zwei identischen in vertikaler Richtung entgegengerichteten Brennerdüsen mit einem definiertem Abstand.
Die Düsen des Brenners haben auf beiden Seiten einen identischen Aufbau und sind als sogenannte Morell-Düsen ausgelegt, das ist eine Geometrie aus zwei kubischen Funktionen.
Die obere Brennerdüse wird mit Luft beströmt, während die unter Düse mit einem Brennstoff-Luft-Gemisch betrieben wird.
Beide Ströme werden so eingestellt, dass ein zündfähiges Gemisch zwischen den beiden Brennerdüsen entsteht.
Dieses resultiert bei Zündung in einer sich horizontal ausbreitenden Flamme. Eine zusätzliche Stickstoffströmung um die Flamme herum schützt diese vor äußeren Einflüssen.
Die hier installierte Wasserkühlung verhindert ein Erwärmen des Brenners.
Die Stabilität der Verbrennung wird unteranderem durch den Punkt der Verlöschung des synthetischen Brennstoffgemischs beschrieben.
Durch eine Variation der Anströmgeschwindigkeiten der Düsen und einen voreingestellten Düsenabstand kann dies experimentell analysiert werden.
Die Flamme ist je nach Anströmgeschwindigkeit dünner oder dicker.
Das Ergebnis des Experiments ist die Charakterisierung der Streckung der Flamme, die sogenannte Streckungsrate, bei der Verlöschung eintritt.
Wir sehen jetzt hier eine schematische Darstellung der im Labor betrachteten Gegenstromflammenkonfiguration.
Wir sehen Düse eins, die obere Düse, welche mit Luft betrieben wurde, und Düse zwei, die untere Düse, welche mit dem Brennstoff-Luft-Gemisch betrieben wurde.
Beide Ströme strömen gegeneinander mit einer Geschwindigkeit u_1 und u_2. Und durch die schwarzen Linien sind schematisch die Strömungslinien dargestellt.
In der Mitte, wo sich die beiden Strömungen treffen, ist in schwarz gestrichelt die sogenannte Stagnationsebene zu sehen.
Wenn wir folgend eine brennbare Mischung haben und diese zünden, bildet sich eine planare gestreckte Flamme aus, welche hier in Rot dargestellt ist.
Basierend auf einer Ähnlichkeitstransformation ist es jetzt möglich, die Charakteristiken des Experiments und der Numerik, das heißt der Simulation, auf einer charakteristischen Linie des Brenners zu vergleichen, die grün dargestellte Linie.
Das heißt wir haben am Ende ein 1D-Profil entlang von einer Dimension des Experiments, welches wir mit einer 1D, eindimensionalen, Lösung der Numerik vergleichen können.
Wie im Labor besprochen, wird anhand dieser Konfiguration das Verlöschen charakterisiert.
Der Verlöschvorgang, das sogenannte Quenching, tritt ein, wenn die Geschwindigkeiten u_1 und u_2 entsprechend erhöht werden und die Flamme sich nicht mehr selbst stabilisieren kann, das heißt verlöscht und ausgeht.
Wenn man das Ganze jetzt mathematisch beschreiben will, braucht man ein Set an Differentialgleichungen.
Differentialgleichungen die dafür gelöst werden, sind einerseits die Massenerhaltung im System, weiterhin die Impulserhaltung, das heißt die Beschreibung der Strömung der Geschwindigkeit u.
Wir haben Gleichungen für die Spezies, Spezies sind in diesem Sinne beispielsweise Luft, also Sauerstoff und Stickstoff, oder auch des Brennstoffes, hier in unserem Fall des synthetischen Brennstoffes DME, und wir haben noch eine Gleichung für die Energie, die Energieerhaltung, welche uns am Ende die Temperatur beschreibt.
Um die Verlöschung jetzt genau zu charakterisieren, wollen wir die Temperatur nutzen, das heißt die Temperatur ist unsere Größe von Interesse.
Man kann es sich relativ einfach vorstellen, wenn wir eine Flamme haben, haben wir in dem Bereich zwischen den Düsen eine hohe Temperatur, weil die Flamme brennt und sobald wir Verlöschen haben, ist die Temperatur gleich der Umgebungstemperatur.
Das heißt, diese Größe werden wir jetzt im Folgendem weiter analysieren und uns fragen, wie wir die Differentialgleichung für die Energieerhaltung, das heißt die Differentialgleichung für die Temperatur, lösen können.
Wir versuchen jetzt nochmal die Puzzleteile von Experiment, Simulation und der Mathematik zusammenzubekommen.
Die S-Kurve, die wir gerade gesehen haben, liegt eben für neue synthetische Brennstoffe noch nicht vor.
D.h. wir müssen sie experimentell z.B. in dem vereinfachten Gegenstrombrenner, den wir gezeigt haben, ermitteln und haben dann eben eine experimentell ermittelte S-Kurve, die wir vergleichen können mit unserem Modell.
Mit dem verbessertem numerischen Modell können wir anschließend Flugzeugturbinen und Verbrennungsmotoren verbessern und eben auf die neuen synthetischen Kraftstoffe anpassen.
Damit können wir einen Teil zur klimaneutralen Zukunft der Mobilität beitragen.