Combustion of hydrocarbon fuels with pure oxygen results in a different flue gas composition than combustion with air. Standard computational-fluid-dynamics (CFD) spectral gas radiation models for air combustion are therefore out of their validity range in oxyfuel combustion. This thesis provides a common spectral basis for the validation of new spectral models. A literature review about fundamental gas radiation theory, spectral modeling and experimental methods provides the reader with a basic understanding of the topic. In the first results section, this thesis validates detailed spectral models with high resolution spectral measurements in a gas cell with the aim of recommending one model as the best benchmark model. In the second results section, spectral measurements from a turbulent natural gas flame - as an example for a technical combustion process - are compared to simulated spectra based on measured gas atmospheres. The third results section compares simplified spectral models to the benchmark model recommended in the first results section and gives a ranking of the proposed models based on their accuracy. A concluding section gives recommendations for the selection and further development of simplified spectral radiation models. Gas cell transmissivity spectra in the spectral range of 2,4 - 5,4 µm of water vapor and carbon dioxide in the temperature range from 727 °C to 1500 °C and at different concentrations were compared in the first results section at a nominal resolution of 32 cm^-1 to line-by-line models from different databases, two statisticalnarrow-band models and the exponential-wide-band model. The two statisticalnarrow-band models EM2C and RADCAL showed good agreement with a maximal band transmissivity deviation of 3 %. The exponential-wide-band model showed a deviation of 6 %. The new line-by-line database HITEMP2010 had the lowest band transmissivity deviation of 2,2% and was therefore recommended as a reference model for the validation of simplified CFD models. In the second results section, spectral measurements (2,4 - 5,4 µm) of a 70 kW turbulent natural gas flame in air blown combustion and in wet and dry oxyfuel combustion were compared with simulated spectra based on measured gas atmospheres. The line-by-line database HITEMP2010 and the two statistical-narrow-band models EM2C and RADCAL were used for the numerical simulation. The measured spectra showed large fluctuations due to turbulence. The averaged experimental intensity was found to be up to 75% higher than the simulated intensity, thus demonstrating the importance of the effect of turbulence-radiation-interaction in combustion simulations. Finally, total emissivities were calculated with the most common spectral models and compared with benchmark calculations by the detailed spectral line-by-line model HITEMP2010. The models were compared at path lengths ranging from 0,001m to 100m and at temperatures from 800 °C to 1800 °C for atmospheres of pure gases and of various combustion processes (air blown and oxyfuel combustion with wet and dry recirculation) as well as with different fuels (natural gas, brown coal and anthracite). The statistical-narrow-band models RADCAL and EM2C, the exponential-wide-band model and the statistical-line-width model were chosen as models, which are valid for oxyfuel combustion without modifications. A number of weighted-sum-of-grey-gases models from different authors were chosen as computationally efficient models especially developed for oxyfuel combustion. The statisticalnarrow-band model EM2C had the highest accuracy with maximum deviations of up to 12%. The weighted-sum-of-grey-gases model from Johansson et al. [64] proved to be the most valid and versatile model for computationally efficient simulations of spectral gas properties with an overall accuracy of 21% or better.     «

Combustion of hydrocarbon fuels with pure oxygen results in a different flue gas composition than combustion with air. Standard computational-fluid-dynamics (CFD) spectral gas radiation models for air combustion are therefore out of their validity range in oxyfuel combustion. This thesis provides a common spectral basis for the validation of new spectral models. A literature review about fundamental gas radiation theory, spectral modeling and experimental methods provides the reader with a basic...     »

Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit reinem Sauerstoff (Oxyfuelverbrennung) resultiert in einer anderen Rauchgaszusammensetzung als bei der Verbrennung mit Luft. Die normalen spektralen Gasstrahlungsmodelle für Computational Fluid Dynamics (CFD) Berechnungen, die für die Verbrennung mit Luft verwendet werden, sind für Oxyfuel-Verbrennung nicht mehr gültig. Diese Arbeit schafft die Grundlage für eine vergleichbare Validierung von neuentwickelten Gasstrahlungsmodellen. Der Literaturüberblick erläutert die theoretischen Grundlagen der Strahlung, die verschiedenen Modellierungsansätze und die experimentellen Messmethoden. Im ersten Ergebniskapitel werden verschiedene detaillierte Modelle anhand spektraler Messungen in einer Gaszelle validiert, um ein detailliertes Modell als Referenz für die Validierung einfacher Strahlungsmodelle zu bestimmen. Das zweite Ergebniskapitel vergleicht spektrale Messungen an einer turbulenten Erdgas Flamme mit auf Grundlage gemessener Gasatmosphären modellierten Spektren, um Auswirkungen realer Verbrennungsvorgänge aufzuzeigen. Das dritte Ergebniskapitel vergleicht einfache Spektralmodelle mit dem detaillierten Referenzmodell und listet die einfachen Modelle in Abhängigkeit ihrer Genauigkeit. Spektrale Messungen im Bereich von 2,4 - 5:4 µm bei Temperaturen von 727 °C bis 1500 °C und verschiedenen Konzentrationen von CO2 und H2O wurden im ersten Ergebniskapitel bei einer nominalen Auflösung von 32 cm^-1 verglichen mit Linienmodellen basierend auf verschiedenen Datenbanken, zwei Statistical-Narrow-Band Modellen und dem Exponential-Wide-Band Modell. Die beiden Statistical-Narrow-Band Modelle EM2C und RADCAL zeigten eine gute Übereinstimmung mit einer maximalen Abweichung der Bandtransmissivitäten von 3 %. Das Exponential-Wide-Band Modell zeigte eine maximale Abweichung von 6 %. Das Linienmodell mit der Datenbank HITEMP2010 zeigte die geringsten Abweichungen von 2,2% und wurde als Referenzmodell für die Validierung von einfachen Strahlungsmodellen empfohlen. Im zweiten Ergebniskapitel wurden spektrale Messungen (2,4 - 5,4 µm) einer turbulenten Erdgasflamme mit einer thermischen Leistung von 70kW unter verschiedenen Bedingungen (Verbrennung mit Luft und Oxyfuelverbrennung mit nasser und trockener Rezirkulation) verglichen mit auf der Grundlage von gemessenen Gasatmosphären simulierten Spektren. Das Linienmodell mit der Datenbank HITEMP2010 und die beiden Statistical-Narrow-Band Modelle EM2C und RADCAL wurden für die Simulation verwendet. Die gemessenen Spektren zeigten große Fluktuationen aufgrund der Turbulenz in der Flamme. Die durchschnittlich emittierte Strahlungsintensität war bis zu 75% höher als die simulierten Werte. Diese Tatsache zeigte die Bedeutung des Einflusses der Turbulenz auf die korrekte Berechnung der emittierten Strahlung bei Verbrennungssimulationen auf. Im letzten Ergebniskapitel wurden Totalemissivitäten berechnet mit den gebräuchlichsten Strahlungsmodellen und verglichen mit den Ergebnissen des Referenzlinienmodelles HITEMP2010. Die Modelle wurden verglichen für Weglängen von 0,001m bis 100m und bei Temperaturen von 800 °C bis 1800 °C für reine Gase und für Rauchgase von verschiedenen Verbrennungsprozessen (Verbrennung mit Luft und Oxyfuelverbrennung mit nasser und trockener Rezirkulation) und von verschiedenen Brennstoffen (Erdgas, Braun- und Steinkohle). Die Statistical-Narrow-Band Modelle RADCAL und EM2C, das Exponential-Wide-Band Modell und das Statistical-Line-Width Modell wurden ausgewählt, da sie auch für die Oxyfuelverbrennung gültig sind. Verschiedene Weighted-Sum-of-Grey-Gases Modelle wurden ausgewählt als numerisch effiziente Strahlungsmodelle, die speziell für Oxyfuelverbrennung entwickelt wurden. Das Statistical-Narrow-Band Modell EM2C zeigte die beste Genauigkeit mit maximal 12% Abweichung. Das Weighted-Sum-of-Grey-Gases Modell von Johansson et al. [64] ergab die besten Ergebnisse der numerisch effizienten Modelle mit Abweichungen von maximal 21 %.     «

Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit reinem Sauerstoff (Oxyfuelverbrennung) resultiert in einer anderen Rauchgaszusammensetzung als bei der Verbrennung mit Luft. Die normalen spektralen Gasstrahlungsmodelle für Computational Fluid Dynamics (CFD) Berechnungen, die für die Verbrennung mit Luft verwendet werden, sind für Oxyfuel-Verbrennung nicht mehr gültig. Diese Arbeit schafft die Grundlage für eine vergleichbare Validierung von neuentwickelten Gasstrahlungsmodellen. Der Literaturüberblic...     »