Untersuchung der Zündvorgänge in explosionsfähigen Gemischen an der Grenze zu heißen Freistrahlen

Die Ausbreitung von Explosionsflammen ist ein komplexes Phänomen, das auf verhältnismäßig kleinen Zeitskalen ablaufende strömungsdynamische und chemische Teilvorgänge verknüpft. Dabei tritt eine positive Rückkopplung ein, weil die Explosionsflammen einerseits Strömungswirbel induzieren, diese wiederum die Flammenoberfläche vergrößern und damit die Reaktionsrate erhöhen.

Die Modellierung dieser komplexen Vorgänge mit Mitteln der Kontinuumsmechanik stellt höchste Ansprüche, weil zahlreiche Sub-Modelle für Teilphänomene mit den strömungsdynamischen Grundgleichungen verknüpft werden müssen. Die starke Kopplung von Chemie und Turbulenz stellt hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der numerischen Simulation der Zündung. Wichtige Prozesse lassen sich nicht direkt lösen, sondern müssen durch geeignete Modelle approximiert werden.

In dem beabsichtigten Promotionsvorhaben soll eine solche Modellierung auf die Zündung ruhender oder bewegter explosionsfähiger Gasgemische durch erhitzte Freistrahlen, die aus Leckagen an explosionsgeschützten Geräten der Zündschutzart druckfeste Kapselung auftreten können, angewendet werden. Bei diesen Geräten kommt es zum Eindringen zündfähiger Atmosphäre aus dem explosionsfähigen Bereich in das Gehäuseinnenleben, und das eingedrungene Gas kann sich im Inneren entzünden. Diese Geräte sind für einen solchen Druck- und Temperaturanstieg ausgelegt, jedoch kommt es durch Spalten in den Gehäusewänden zu einem Austreten von erhitzten Verbrennungsgasen. Diese treten in der Form von instationären Freistrahlen aus dem Gehäuse in die umlegende explosionsfähige Atmosphäre aus.

Die Möglichkeit der Zündung explosionsfähiger Gemische durch solche Freistrahlen ist nicht ausreichend untersucht, und die Zulassung solcher Geräte bedarf bisher stets der versuchstechnischen Einzelzulassung. Die Entwicklung eines geeigneten validierten Simulationsmodells würde diesen Aufwand erheblich verringern, da hierdurch eine wissensbasierte Normung alleine aufgrund der Geometrie des Gehäuses möglich würde.