Charakterisierung numerischer Methoden für die Auslegung FLOX-basierter Brennkammersysteme

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht numerische Modelle bezüglich ihrer Eignung für die aero- und thermodynamische Auslegung FLOX®-basierter Brennkammersysteme mit dem Ziel, die Brennkammergeometrie bereits über CFD-Simulationen und ohne eine große Anzahl an kosten- und zeitintensiven Experimenten festlegen zu können. Dazu ist es notwendig, die heute zur Verfügung stehenden numerischen Modelle darauf hin zu untersuchen, inwieweit sie die physikalischen Effekte in einem FLOX®-Brennkammersystem abbilden können. Der Fokus liegt dabei auf Modellen, deren Zeit- und Ressourcenbedarf möglichst gering sind, um so den wirtschaftlichen Vorteil der numerischen Simulation gegenüber einer experimentell gestützten Entwicklung möglichst gut ausschöpfen zu können. Detaillierte numerische Modelle, wie sie beispielsweise zur genauen Berechnung der Schadstoffentstehung oder der Vorhersage thermoakustischer Instabilitäten benötigt werden, werden folglich im Rahmen dieser Studie nicht betrachtet. Zur Erreichung des oben skizzierten Ziels wird in drei Schritten vorgegangen. Zunächst erfolgt die Validierung der numerischen Modelle. Dazu werden anhand eines experimentell vermessenen akademischen Testfalls, der das Grundprinzip der flammenlosen Oxidation (FLOX®) widerspiegelt, numerische und experimentelle Daten verglichen. Die höchste Vorhersagegenauigkeit wird dabei mit dem SST-Turbulenzmodell von Menter beim Einsatz des kombinierten EDC/FRC-Verbrennungsmodells erzielt. Von den betrachteten Reaktionsmechanismen liegen die Mechanismen von Westbrook und Dryer sowie der DLR-interne 14-Schritt-mechanismus in guter Übereinstimmung zu den Versuchsergebnissen, wobei letzerer bei der Simulation komplexerer Geometrien keine realistische Lage der Wärmefreisetzungszone vorhersagt. Weiterhin wird gezeigt, dass die Wahl thermischer Randbedingungen einen signifikanten Einfluss auf die numerischen Resultate hat, während die Vernachlässigung von Strahlungsverlusten zu keiner deutlichen Veränderung der Vorhersagegenauigkeit führt. Im zweiten Schritt wird die Eignung der zuvor validierten Modelle für die numerische Auslegung technischer Brennkammergeometrien geprüft. Dazu werden anhand eines Mikrogasturbinen-Brennkammersystems exemplarisch ausgewählte Geometrieparameter mittels Parameteranalysen untersucht. Basierend auf den Simulationsergebnissen kann der Einfluss der entsprechenden Parameter auf das Strömungsfeld und die Temperaturverteilung bewertet werden. Neben dieser rein qualitativen Beurteilung wird der jeweilige Effekt über eine Regressionsanalyse quantifiziert, wobei gezeigt wird, dass die Vorhersagegenauigkeit in hohem Maße von der gewählten Ansatzfunktion abhängig ist. Zur Bewertung der Aussagekraft der durchgeführten Parameterstudien wird im letzten Abschnitt eine Modellverifizierung durchgeführt. Dazu wird ein technisches Brennkammersystem, das im atmosphärischen Versuch vermessen wurde, mit den zuvor validierten und für die Auslegungsrechnungen genutzten Modellen nachgerechnet. Durch den direkten Vergleich zwischen den experimentellen Daten und den Ergebnissen der numerischen Simulation, die eine sehr gute Übereinstimmung aufweisen, wird somit der Nachweis erbracht, dass die in der Validierung am akademischen Testfall erzielte hohe Vorhersagegenauigkeit auch auf deutlich komplexere, technische Geometrien übertragbar ist.

This thesis examines numerical models for computational fluid dynamics regarding their capabilities for the design of FLOX®-based combustion systems. The main goal is to identify a suitable set of models for computer-based aerodynamic and thermodynamic design and optimization of a FLOX® combustor, reducing the necessary amount of expensive and time-consuming experimental investigations. As a result, the focus is on models which require only moderate computational resources, thus maximizing the economic advantage of numerical simulations compared to test rig experiments. Detailed numerical investigations, like the prediction of pollutants or thermoacoustic phenomena, are therefore excluded. In a first step to meet the above-mentioned goal, a basic model validation is performed. For that purpose the results of numerical simulations are compared to results from a detailed experimental investigation of an academic test rig. The chosen configuration provides the basic features of FLOX® combustion. The best performance in terms of prediction accuracy is obtained by using the SST turbulence model combined with the EDC/FRC combustion model. For the reaction mechanism, the DLR-internal 14-step mechanism provides very good results compared to the academic test rig but fails to correctly predict technical combustion systems. In contrast, the mechanisms introduced by Westbrook and Dryer are capable both of correctly predicting the academic test rig and technical combustion systems. In addition, the investigation demonstrates that the choice of thermal boundary conditions has a significant impact on the obtained numerical results. At the same time radiation effects can be neglected for the design of FLOX®-based combustion systems operating on natural gas since they only have a minor effect on the overall temperature and species distribution. In the second part of the thesis, the previously validated numerical models are used for design calculations. Based on a micro gas turbine combustion system, parametric studies are performed by means of analyzing the impact of selected geometric properties on the velocity and temperature distribution. In addition to this merely qualitative evaluation, the obtained results are assessed quantitatively, using regression analysis. It is shown that accuracy is strongly influenced by the chosen function for regression analysis. Since a technical combustion system is much more complex than an academic test, the last section of this thesis presents model verification. Here experimental test rig data are compared to numerical results for a FLOX®-based gas turbine combustion system, equivalent to the baseline of the design studies. This comparison shows a very good agreement between experimental and numerical data. This suggests that the results from the parametric studies conducted in the previous section can be assumed to be realistic as well. In summary, the work presented in this thesis reliably proves that CFD models are capable of predicting the velocity and temperature distribution on the one hand and the location of the reaction zone in FLOX®-based combustion systems on the other. This means that numerical models can be used for numerical design studies, thus reducing the amount of required experiments within the design process.