Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Strömungssimulation (CFD) der Stückholzverbrennung in klassischen Kaminöfen im häuslichen Bereich (< 25 kW). Zur Evaluierung des Modells wurden umfangreiche Messungen innerhalb der Brennkammer und im Rauchgas einer Stückholzfeuerung durchgeführt. Das evaluierte Modell stellt eine wertvolle Unterstützung zur schnellen und wirtschaftlichen Entwicklung neuer, emissionsarmer Holzfeuerungen dar.
Charakteristisch für den Verbrennungsprozess in einem Kaminofen ist die von der turbulenten Strömung dominierte Vermischung zwischen den Entgasungsprodukten des Holzes und der Luft bei relativ tiefen Verbrennungstemperaturen. Zur Beschreibung der turbulenten, reaktiven Strömung in der Brennkammer wurde im Rahmen der CFD-Modellierung das RNG k-eps; Turbulenzmodell verwendet, wodurch in Kopplung mit dem Eddy Dissipation Concept und einem globalen Reaktionsmechanismus die Verbrennung in der Gasphase abgebildet werden kann. Die Modellierung der Strahlung erfolgte über die Discrete-Ordinates-Methode; die Rußpartikel wurden über das Modell nach Tesner und Magnussen berücksichtigt. Durch die Implementierung der Materialdaten der Brennkammer konnten die Verluste über die Oberflächen berücksichtigt werden.
Mit Hilfe der Laserabsorptionsspektroskopie wurden die Konzentrationen der an der Verbrennung maßgeblich beteiligten Spezies lokal in der Flamme ermittelt. Dadurch konnte das verwendete Brenngasfreisetzungsmodell, welches die Zusammensetzung der aus dem Holz unter Verbrennungsbedingungen entweichenden Gase beschreibt, validiert werden. Zusätzlich wurde der modellierte CO-Ausbrand innerhalb der Brennkammer anhand der Messergebnisse bestätigt. Ebenfalls stimmt die berechnete Temperaturverteilung in der Brennkammer mit den Messungen überein.
Durch Variation der Luftzahl, der Position der Sekundärluftzuführung und des Primär- zu Sekundärluftverhältnisses ließen sich in der verwendeten Stückholzfeuerung verschiedene Verbrennungszustände realisieren. Das Emissionsverhalten der Feuerung wurde mit den Modellberechnungen qualitativ verglichen. Es zeigte sich, dass die über das CFD-Modell berechneten Emissionen an CO2, O2 und CO gut mit den Messungen übereinstimmten. Die Modellierung der TVOC-Emissionen erfordert dagegen detailliertere Reaktionsmechanismen. Die Rußemissionen konnten nicht plausibel über das verwendete Modell beschrieben werden. Zwar konnte das Rußmodell so angepasst werden, dass es korrekte Ergebnisse für einen stationären Betriebszustand lieferte, eine zuverlässige Vorhersage der Emissionen für eine große Bandbreite an Verbrennungszuständen erfordert dagegen die Entwicklung von genaueren Rußmodellen speziell für Holzfeuerungen.