Bauer, J: Effiziente Implementierung reduzierter Reaktions

Die detaillierte Behandlung der chemischen Kinetik bei der numerischen Simulation reaktiver Strömungen ist aufgrund des daraus resultierenden hohen Rechenaufwandes nicht möglich. Aus diesem Grund ist die Entwicklung von reduzierten chemischen Modellen erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wird eines dieser Modelle, die Methode der intrinsischen niedrig-dimensionalen Mannigfaltigkeiten (ILDM) behandelt. Im ersten Teil der Arbeit wird ein bei CVD-Prozessen typisches Reaktionssystem für den Zerfall von Monosilan analysiert. Es wird untersucht, ob eine Anwendung des ILDM-Verfahrens zur Reduktion dieses Reaktionsmechanismus möglich ist. Voraussetzung dafür ist die Existenz einer großen Anzahl schneller chemischer Zeitskalen die zu einer Relaxation des thermochemischen Zustandes auf niedrig-dimesnionale Hyperflächen im Zustandsraum führen. Eine im Rahmen des ILDM-Verfahrens erfolgende Entkopplung der schnellen chemischen Zeitskalen ist jedoch nur möglich, wenn diese sehr viel schneller als die schnellsten physikalischen Prozesse sind. Vor diesem Hintergrund wurden zur Untersuchung der dynamischen Eigenschaften 0- und 1-dimensionale Simulationen, Sensitivitätsanalysen und eine Reaktionsflußanalyse mit dem detaillierten Reaktionsmechanismus des Monosilan-Systems durchgeführt. Es zeigte sich, daß eine große Anzahl schnell relaxierender und eine kleine Anzahl langsamer chemischer Prozesse vorliegt, über welche die Reaktion überwiegend abläuft. Eine Anwendung der ILDM-Methode ist daher möglich. 1- und 2-dimensionale ILDMs wurden berechnet und eine gute Übereinstimmung mit dem detaillierten Modell gefunden. Der zweite Teil der Arbeit befaßt sich mit einem Verfahren zur Implementierung von ILDMs in CFD-Programme am Beispiel von Verbrennungsprozessen für Kohlenwasserstoffe. Zur Erzeugung der ILDMs wird im Rahmen eines Fortsetzungsverfahrens ein mehrdimensionales