Browsing by Author "Panne, Tobias"

Now showing 1 - 1 of 1

Open Access
Charakterisierung numerischer Methoden für die Auslegung FLOX-basierter Brennkammersysteme
(2015) Panne, Tobias; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
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.