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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:93-opus-39109
URL: http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2009/3910/


Numerische Beschreibung von dynamischen Brennkammersystemen

Numerical description of dynamic combustion systems

Liu, Martin

pdf-Format:
Dokument 1.pdf (19.977 KB)

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Gedruckte Ausgabe:
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SWD-Schlagwörter: Numerische Mathematik , Verbrennung , Dynamisches Netzwerk , Akustik , Triebwerk , Numerische Strömungssimulation
Freie Schlagwörter (Deutsch): Verbrennungsinstabilität , eindimensional , CFD , URANS , DyNe
Freie Schlagwörter (Englisch): numerical simulation , dynamic network , acoustic , combustion instability , engine
Institut: Institut für Verbrennungstechnik der Luft- und Raumfahrt
Fakultät: Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 29.02.2008
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 31.03.2009
Kurzfassung auf Deutsch: In der vorliegenden Arbeit wurde mit dem neuentwickelten Berechnungsverfahren DyNe
ein Strömungslöser für instationäre, eindimensionale, nicht reagierende
Strömungen entwickelt. Ziel war es, durch Kopplung dieses Verfahrens mit einem CFD-Löser für reagierende
Strömungen das dynamische Verhalten von Brennkammersystemen zu
simulieren. Der 1D-Löser DyNe sollte dabei akustische und
strömungstechnische Phänomene in den Luft- und Brennstoffzuleitungen des
Brennkammersystems, dem dynamischen Netzwerk, abbilden.

Dabei galt es, folgende Forderungen an den Löser zu erfüllen:


-) Einfacher Aufbau der Netztopologie
-) Modularer Aufbau, um mit möglichst geringem Aufwand neue Elemente zu
generieren
-) Erfassen eines möglichst weiten Bereiches der Mach-Zahl innerhalb des Netzwerkes
-) Unabhängigkeit vom zu koppelnden CFD-Lösungsverfahren (URANS, LES, DNS,
etc.) für den reaktiven Teil



Um den einfachen Aufbau des dynamischen Netzwerks sowie die Modularität zu
realisieren, wurde das Programm DyNe unter Berücksichtigung von
objektorientierten Ansätzen in der Programmiersprache C erstellt.
Jeder funktionelle Abschnitt einer Zuleitung, beispielsweise ein Rohr, eine
Düse oder ein Verteiler, wird dabei als ein Element des Netzwerkes mit
speziellen Eigenschaften betrachtet.
Durch Angabe des oder der vorangehenden Elemente läßt sich das dynamische
Netzwerk in wenigen Schritten definieren. Die Möglichkeit der Definition des
Netzwerkes durch eine grafische Oberfläche wurde bei der Programmierung
bereits berücksichtigt.

Dem objektorientierten Ansatz folgend lassen sich neue Elemente sehr effizient erstellen, indem für die
Eigenschaften des Elementes neue Funktionen definiert bzw. Eigenschaften
bestehender Elemente vererbt werden.

Um der Forderung nach möglichst großer Abdeckung des Machzahlbereiches
Rechnung zu tragen, wird im Programm DyNe ein speziell für steife
Gleichungssysteme entwickelter Differentialgleichungslöser verwendet und
die räumliche Diskretisierung mittels eines präkonditionierten Flux Vector
Splitting Verfahrens verwirklicht. Damit ist es möglich, DyNe im gesamten
Machzahlbereich einzusetzen.

Zusätzlich läßt sich eine inkompressible Strömung in DyNe auch sehr
effizient durch Lösen der mechanischen Energiebilanz simulieren.

Zur Realisierung der Kopplung zwischen DyNe und einem anderen
Lösungsverfahren werden lediglich die vier primitiven Variablen
Druck, Dichte, Temperatur und Geschwindigkeit ausgetauscht, so dass
eine Kopplung praktisch mit allen Lösungsverfahren möglich ist.
Programmtechnisch ist der Austausch durch Low-Level Input-Output-Funktionen
realisiert, was diese
Funktionalität für alle Betriebssystem-Plattformen mit C-Compiler gewährleistet.

Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Möglichkeit der Bestimmung von Systemantwortfunktionen
komplexer Geometrien durch Einsatz des inkompressiblen DyNe-Programmteils
dargestellt werden.

Die Funktion des kompressiblen DyNe-Programmteils bei der Berechnung von
Strömung und Akustik und die Kopplung mit anderen CFD-Programmen konnte durch
verschiedene Testrechnungen eindrucksvoll gezeigt werden.
Ebenso konnte durch Simulation einer
konvergent-divergenten Düse die Eignung von DyNe im gesamten Machzahlbereich
belegt werden.

Der Mechanismus der Generierung von Schall durch Dichtewellen konnte durch
Kopplung von DyNe mit einem kommerziellen Strömungslöser nachgebildet und mit
Experimenten erfolgreich verglichen werden.

Die Systeminstabilitäten von zwei Modellbrennkammern wurden ebenfalls durch
Kopplung des Programms DyNe mit einem kommerziellen, reaktiven
Strömungslöser untersucht.

Dabei zeigt sich, dass eine Kopplung zwischen 1D- und 2D- bzw.
3D- Rechengebieten nicht nur zu einer besseren Darstellung des
Schwingungsverhaltens der Brennkammer beiträgt. Auch das numerisch berechnete
Strömungsfeld gibt die experimentell ermittelten Daten deutlich besser wieder,
als das ohne Kopplung mit DyNe möglich wäre.
Gleichzeitig lassen sich diese Verbesserungen durch die Verwendung von DyNe
mit geringem Mehraufwand an Implementierung und Rechenzeit erreichen.
Kurzfassung auf Englisch: In the presented work a new method to calculate unsteady,
one-dimensional non-reacting flows was developed. Based on this
method the flow modelling software DyNe (Dynamic Network)
has been designed.

The objective was to investigate the dynamic behaviour of combustion systems by
coupling this new calculation method with a two or three dimensional CFD-Solver for reacting flows.

The 1D solver DyNe has to capture the acoustic and fluid dynamic
behaviour in the air and fuel supply lines upstream of the
combustor. Combustion and flow in the combustor is modelled using a three
dimensional CFD-Solver.
The whole combustion system, consisting of supply lines and combustor, constitutes a so called dynamic network. By coupling the
one and three dimensional computional domains, the interaction between acoustic, fluid dynamic phenomena and the combustion process was analysed.

The requirements by developing the 1D solver DyNe have been:


-) Easy build-up of the topology of the network
-) Modular concept to minimise the effort of the creation of new elements
-) Cope with the whole range of possible Mach-number in the network
-) Independency of the coupled CFD method of calculation (URANS, LES, DNS, etc.) for the reactive part of calculation


To be able to realise both the clear structure of the dynamic network and the
modularity, the program DyNe has been developed using the
programming language C with making use of object-oriented approaches.

Each functional part of the network, such as supply duct, nozzle or branch, is considered as an individual element of the network with
characteristic properties.
To define the topology of the network a separate element only needs to know
the directly previous elements, allowing to build up the whole network very quickly.
The structure of the program DyNe has been designed to implement a graphical
user interface easily.

According to the object-oriented approach, functions and respectively
properties of an existing element can be passed on another element, so
new elements could be defined very efficiently.


To capture a preferable wide range of Mach-numbers, DyNe uses a solver
specially developed for stiff differential equation and a preconditioned Flux Vector
Splitting method for spacial discretisation.


The coupling between DyNe and other calculation methods is implemented by
exchanging the four primitive variables pressure, density, temperature and
velocity on the interface of the different calculation
domains without limitation of the total number of
calculation domains.

With the developed methodology it is possible to determine the system
response (transfer function) of complex geometries by calculating it with the
incompressible program part of DyNe.

The potential of the compressible predicting capability of DyNe to
calculate flow acoustics and the coupling with other CFD-programs could be
demonstrated in the presented work by various calculations.

Furthermore the ability of DyNe to cope with a broad range of Mach numbers was
verified by simulating a flow across a convergent-divergent nozzle.

The mechanism of producing acoustics by accelerating density waves was demonstrated by linking DyNe with a commercial CFD solver and
comparing the results with experimental data.

Furthermore, the instabilities of two model combustion chambers were
investigated by coupling the program DyNe with a commercial,
reactive CFD solver.

In the presented work it has been shown, that the coupling between a
one-dimensional network and two- or respectively three-dimensional calculation
domains, not only lead to a better presentation of the instabilities in the
combustion chamber, but
also the numerical calculated flow field in the combustion chamber is in much
better agreement with
experimental data, than without the coupling with DyNe.

Last but not least, these improvements can be achieved with limited additional
effort for implementation and computational costs.
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