Physikalisch-Technische Bundesanstalt

CFD-basierte Optimierung einer Mischungsstrecke für die Diagnostik von Rußpartikelkonzentrationen

Die in Autoabgasen enthaltenen Rußaerosole tragen als „luftfremde Stoffe“ nicht nur zur Umweltverschmutzung bei, sondern sind auch eine wesentliche Quelle des Treibhauseffektes. Eine Kontrolle und Regulierung dieser Schadstoffausbreitung beginnt mit der zuverlässigen Messung der Rußpartikel in Luft. In der PTB-Arbeitsgruppe „Feuchte“ wird dazu eine Rußmessstrecke aufgebaut, die am Ende mehrere Abnahmestellen zum Vergleich unterschiedlicher Messverfahren vorsieht. Ein Aerosolstrom aus einem Partikelgenerator wird dabei in einer Tunnelstrecke mit einem Luftstrom verdünnt (Abb .1), wobei die Geometrie einer potentiellen Mischkammer und die Flussgeschwindigkeiten so zu wählen sind, dass an den Abnahmestellen jeweils gleiche Bedingungen herrschen – idealerweise eine laminare Strömung mit homogener Partikelverteilung.

Abb. 1: Vorläufiger experimenteller Aufbau der Rußmessstrecke. Der Rußgenerator (links) ist über eine T- Verbindung an die Tunnelstrecke angeschlossen.

Zur Entwicklung und Optimierung der Rußmessstrecke wurden in der PTB-Arbeitsgruppe „Modellierung und Simulation“ in Kooperation mit der experimentellen AG „Feuchte“ numerische Simulationen und Analysen verschiedener Messsituationen erarbeitet. Speziell erwies sich die Geometrie der Rohrverbindung beim Zusammenfluss von Aerosol- und Luftstrom als entscheidend für die Güte, d. h. für die Homogenität des Stroms am Streckenende. Das Konzept ist vorgesehen für die Durchmischung von zwei Gasströmen und für die Verdünnung von Aerosolen im Speziellen bei hohen Verdünnungsstufen auf möglichst kurzem Wege ohne lange Beruhigungsstrecken. Zur Simulation der Strömung, die insbesondere im Zuflussbereich Turbulenzen ausweist, wurde das SST-Turbulenzmodell für die Navier-Stokes-Gleichungen (NSG) gewählt. Abb. 2 oben zeigt die Verteilung eines der beiden beteiligten Gase bei drei verschiedenen Rohrverbindungen in der Querschnittsebene, der Wert 1 entspricht einem Anteil von 100%. Der Anteil des zweiten Gases entspricht dem Komplement. Zusätzlich zu den NSG ist hier noch eine Transportgleichung für Gas 1 zu berücksichtigen. Die Konturplots unten links zeigen für die drei Varianten die Verteilung von Gas 1 am Rohrende. Als Referenzzahl Q für die Güte in einem Rohrquerschnitt wurde die Differenz von Maximum und Minimum des berechneten Gasanteils gewählt.

Abb. 2: oben – Querschnitt der Gasverteilung in Y-, T- und Gegenstromgeometrie. Unten links: Gasverteilung am Rohrende. Rechts: Güte der Durchmischung in Abhängigkeit von der Rohrposition.

Für eine ideale Mischung nimmt Q den Wert 0 an. Die axial am schnellsten gegen Null konvergierende Kurve für Q stammt aus der Gegenstromkonfiguration CF. Im Tunnel selbst kommt es zur turbulenten Strömungen mit Geschwindigkeiten bis zu 15 m/s mit einer Reynoldszahl von 35000.

Zusätzlich wurden Partikelbahnen mit dem Euler/Lagrange-Mehrphasenmodell berechnet. Die Untersuchung der Veränderung der Populationsbilanz durch Zusammenschluss von Aerosolpartikeln (Koagulation) ist das Ziel für weitere numerische Simulationen.

 Als Ergebnis konnte eine passende Rohrverbindung gefunden und der Nachweis der besseren Durchmischung zweier Gasströme beim Einsatz eines Gegenstromverfahrens im Vorfeld der neu zu konzipierenden Apparatur in umfangreichen CFD-Studien erbracht werden. Die bei der Y- und T-Form zu beobachtende Schichtung der Gasströme wird durch das Gegenstromverfahren mit zwei symmetrisch, entgegen der Hauptstromrichtung gestellten Seiteneinlässen (Abb. 3)  weitgehend vermieden.

Abb. 3:  Geometrie der Mischkammer zur Homogenisierung der Durchmischung auf kurzem Wege.

Ansprechpartner: G. Lindner, S. Schmelter, R. Model, AG 8.41