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Aerothermodynamische Untersuchungen facettierter Raumfahrzeuge unter Wiedereintrittsbedingungen
(2010) Barth, Tarik; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die aerothermodynamische Untersuchung scharfkantiger Wiedereintrittsfahrzeuge unter Durchführung gekoppelter Strömungs-Struktur-Berechnungen, mit denen die Interaktionen zwischen dem hypersonischen Strömungsfeld und der Fahrzeugstruktur erfasst werden. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf der Auswertung des Flugexperimentes SHEFEX (Ma=6). Hierzu findet zunächst eine Sensitivitätsanalyse statt, die zur Identifizierung und Quantifizierung von möglichen Fehlerquellen bzw. Unsicherheiten beiträgt. In diesem Zusammenhang werden unterschiedliche Einflussfaktoren wie Atmosphärenmodelle, Einbaubedingungen und Überstände der Wärmeflusssensoren, Reaktionsverhalten der Thermoelemente, numerische Diskretisierungsfehler usw. untersucht. Für die numerische Berechnung der gesamten Wiedereintrittstrajektorie von SHEFEX wird ein gekoppeltes Strömungs-Struktur-Berechnungsverfahren angewendet, um die Wechselwirkung zwischen der Fahrzeugstruktur und dem Strömungsfeld zeitgenau analysieren zu können. Bei Berücksichtigung der Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse ergeben sich für die numerischen Berechnungen der Druck-, Wärmestromdichte- und Temperaturverteilungen sehr gute Übereinstimmungen mit den experimentellen Daten. Die Berechnungen liefern damit das aerothermodynamische Verhalten von SHEFEX während des Fluges, womit eine umfangreiche Datenbank für ein scharfkantiges Raumfahrzeug bereitgestellt werden kann. Außerdem ist den Berechnungsergebnissen entnehmbar, dass das verwendete Thermalschutzsystem, bestehend aus einfach geformten Platten, dem Wiedereintrittsexperiment standhielt. Basierend auf den Ergebnissen der Flugauswertung von SHEFEX und der Validierung des dabei genutzten Kopplungsansatzes wird die Anwendbarkeit scharfkantiger Fahrzeugformen unter orbitalen Wiedereintrittsbedingungen analysiert, um eine reale Wiedereintrittsmission zu berücksichtigen. Der entworfene Raumtransporter zeichnet sich durch eine einfache Formgebung und günstige aerodynamische Flugeigenschaften aus. Für dieses Fahrzeug resultiert aus entsprechenden Bahnanalysen ein kritischer Flugzustand (Ma=22), der in den Berechnungen als stationärer Flugpunkt angenommen wird, woraus sich eine maximale Aufheizung des Fahrzeugs ergibt. Das Ergebnis hierzu ist, dass die Fahrzeugtemperaturen ausschließlich in der spitzen Körpernase die Grenzwerte des angenommenen TPS-Materials (C/C-SiC) überschreiten. Die Ergebnisse der Flugauswertung von SHEFEX und die Berechnungen für das Fahrzeug unter orbitalen Wiedereintrittsbedingungen zeigen die mögliche Anwendbarkeit facettierter Raumahrzeuge bei hoher aerodynamischer Leistung und moderater aerothermodynamischer Belastung.
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Coupled flow field and heat transfer in an advanced internal cooling scheme
(2010) Coletti, Filippo; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
State-of-the-art gas turbines are designed to operate at turbine inlet temperatures in excess of 1850 K. Such temperature levels are sustainable only by means of an aggressive and efficient cooling of the components exposed to the hot gas path. Not only the maximum metal temperature needs to be kept below the safety limits, but the thermal field must be reasonably uniform, in order to limit the thermal stresses. This requires from the designer the most accurate knowledge of the local heat transfer rate. The need for such detailed information is in conflict with some common practices in the cooling system design: numerical simulations are often compared against area-averaged experimental data; the link between coolant flow field and heat transfer rates is scarcely analyzed; moreover, the coupling between convection and conduction is hardly taken into account. The present thesis aims at the aero-thermal characterization of a trailing edge cooling channel geometry. Cooling the trailing edge, one of the life-limiting parts of the airfoil, represents an especially challenging task since the aerodynamic requirement of high slenderness is conflicting with the need of integrating internal passages. The focus of the study is on three main aspects of the internal cooling technology: (i) the details of the coolant flow field; (ii) the contribution of the obstacles’ surface to the heat transfer; and (iii) the effect of the conduction through the cooling channel walls. The investigated cooling channel geometry is characterized by a trapezoidal cross-section. It has one rib-roughened wall and slots along two opposite walls. The coolant passes through a smooth inlet channel upstream of the investigated cavity; it crosses the divider wall through a first row of inclined slots, producing crossing-jets; the latter impinge on the rib-roughened wall, and the jet-rib interaction results in a complex flow pattern, rebounding the coolant towards the opposite smooth wall; finally the air exits through a second row of slots along the trailing edge. Such a scheme represents a combination of internal forced convection cooling and impingement cooling. An engine-representative Reynolds number equal to 67500 is defined at the entrance of the inlet channel. A comprehensive experimental investigation is carried out on a magnified model of the channel, at a scale of 25 : 1 with respect to engine size (applied to both the cavity volume and the walls thickness). The main flow structures are identified and characterized by means of particle image velocimetry, allowing to deduce a model of the highly three-dimensional mean flow. Each jet is shown to impinge on the three ribs in front of the slot, and the jet-rib interaction produces two upward deflections in each inter-rib domain. Distributions of heat transfer coefficient are obtained by means of liquid crystals thermography on the rib-roughened surface as well as on the opposite smooth wall in a purely convective regime, with a uniform heat flux imposed at the solid-fluid interface. The thermal patterns on the channel walls show the footprints of the flow features detected by the velocity measurements. Globally, the top side of the rib shows the highest Nusselt number among the investigated surfaces. The presence of the ribs enhances the global heat transfer level (averaged on all surfaces) by 14%. The aero-thermal results suggest a definite margin for improvement of the heat transfer performance by varying one or more geometrical parameters. In this perspective, the ribs have been tapered and shifted with respect to the slots position. Both expedients have proven to be useful in reducing the extent and intensity of the aforementioned hot spots in the vicinity of the ribs: an enhancement of about 20% in area-averaged heat transfer rate is achieved with respect to the standard configuration. The thermal behavior of the ribbed wall has also been investigated in conjugate heat transfer regime, in order to study the effect of the wall conduction on the thermal levels. By matching the solid-to-fluid thermal conductivity ratio found in an engine, the correct thermal boundary conditions for the convective problem are attained, which guarantees full similarity between laboratory model and engine reality. Infra-red thermography coupled to a finite element analysis is used to retrieve the whole thermal pattern through the considered rib-roughened wall. Nusselt number levels in conjugate regime differ by up to 30% locally and 25% globally with respect to the purely convective results. Neglecting wall conduction when evaluating the heat transfer coefficient leads to underestimating the maximum surface temperature by 26 to 33 K at engine conditions. Decreasing the wall thermal conductivity increases the overall heat transfer coefficient on the ribbed surface. However lower conductivities amplify local temperature gradients and hot spots.
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Diesel nozzle flow and spray formation : coupled simulations with real engine validation
(2009) Suzzi, Daniele; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
The main task of the engine 3D CFD simulation is to support combustion design development. New combustion concepts (e.g. Low Temperature Combustion, HCCI, multiple injection strategies ...) can be analyzed and predicted by detailed thermo-dynamical computation. To achieve this aim many simulation tools are needed: each of them should be capable of reproducing the sensitivities of combustion design parameters through physically based models. Experiments on DI Diesel engines show that different nozzle geometry at the same operative conditions can lead to dramatically different behaviors in emissions formation. The adoption of different nozzle configurations (Sac-hole, VCO ...) with analogous specific mass flow and load pressure strongly affect mixture and therefore emissions formation. Nevertheless, the relation between local nozzle flow and spray development in the combustion chamber is still a challenging topic with a high improvement potential. Nowadays simulation tools focus on singular aspects of a Diesel internal combustion engine: cavitating nozzle flow, spray, mixture formation, combustion and emissions. Simulation of transient nozzle flow provides information about the initialization of spray, whose actual standard is based on the Discrete Droplets Method (DDM). A step further consists of the adoption of a 3D-Eulerian Spray multiphase model, which allows a stochastic and physical improvement in the description of spray formation. The combustion process is then usually modeled on a single-phase solver with transport equations for the scalar species and chemistry-based models for emissions formation. The missing link in the simulation chain is between the Eulerian spray and the combustion calculation. The focal aim of the work will be the coupling of different models for 3D-nozzle flow, orifice-resolved primary breakup and mixture formation. The transient cavitating flow inside the injector body is combined to the Eulerian spray in an orifice resolved region just outside the nozzle hole. Primary break-up assumptions allow then to transfer the dynamic and turbulent boundary conditions from the injector orifice to the spray. The further engine domain is simulated in the classical one-phase approach, with spray transport via DDM model. The two codes for Eulerian spray and combustion are real-time coupled: source terms and boundary conditions are constantly mapped and exchanged between the solvers in order to achieve physical consistency. The coupling method implies the three-dimensional intersection of both computational domains and the exchange of data at defined interfaces. The final achievement of the thesis is a technique, which could reproduce the nozzle flow effects on the 3D simulation of engine combustion cycle, together with an advanced physical and statistical treatment of mixture formation process. The advantages of the method will be proven on an operative truck engine case, for which a complete set of experimental data (pressure curves, integral emissions level and transparent engine images) is available. The validation is performed on two different nozzle geometries, with the same specifications in terms of mass flow and maximum rail pressure: a sac-hole and a sac-less (VCO) nozzle. The Eulerian Spray will be coupled with previous transient nozzle flow simulations and validated through experiments on an optically accessible high-pressure chamber.
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Direct numerical investigations of non-Newtonian drop oscillations and jet breakup
(2019) Ertl, Moritz; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Creating particles with well defined properties is important to many applications in modern life. A state of the art method to produce particles is spray drying. This involves solutions with non-Newtonian properties. Spray drying is defined by the droplets from the spray, therefore, it is important to understand the breakup of non-Newtonian jets. This thesis focuses on the numerical investigation of non-Newtonian behaviour of liquid jets and single drops. Simulations are used for the investigations of the underlying mechanisms of breakup. Direct Numerical Simulation (DNS) provides the necessary accuracy to capture the complex and highly transitional multiphase flows. The Volume of Fluid (VOF) approach is used to capture the two phases and the shear thinning viscosity is calculated with the Carreau-Yasuda model. Non-Newtonian drop oscillations are investigated. The mechanics of oscillating, shear thinning drops are explained. These drop oscillations are compared to Newtonian drops from theoretical fluids and the analytical solution from the linear theory for drop oscillations and the frequency and amplitude of the oscillations are analysed. Drops initiated with the shapes of higher order oscillation modes are investigated. The primary jet breakup of non-Newtonian liquids is investigated. The mechanisms of breakup of shear thinning jets are analysed for different breakup regimes. The influence of different parameters on the stability of the jet is investigated with a special focus on different shear thinning behaviours. The results are compared to jets from theoretical Newtonian fluids. A set of characterisations of the liquid surface are used for comparisons. For jets in the higher breakup regimes, the jet angle and the resulting drop sizes are investigated. The investigation in this thesis provides a better understanding of the fundamental processes involved in non-Newtonian jet breakup and a basis for technical and efficiency improvements to spraying applications.
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Endwall contouring using numerical optimization in combination with the ice formation method
(2016) Winkler, Sven; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
The high turbine inlet temperatures used in modern gas turbines yield a high thermal loading of the turbines' vane endwalls. This loading can be reduced by the application of contoured vane endwalls, which influence flow and heat transfer close to the endwall in a favorable way and thus reduce the heat load. The present work deals with the creation of such contours in order to reduce endwall heat transfer. Thereby, two methods were used: the Ice Formation Method (IFM) and numerical optimization. For the IFM, experimental ice layers from another study were used as endwall contours in numerical simulations. In the numerical optimizations, a genetic algorithm in combination with CFD simulations was employed to generate endwall contours with reduced heat transfer. Within the scope of this thesis, different heat transfer optimized endwall contours were created and compared to the flat endwall baseline. First, heat transfer and the underlying flow features at the endwall were carefully analyzed for the flat baseline. Next, nine ice-contoured endwalls were created from experimental ice layers and compared to the baseline, which showed a global reduction of average heat transfer for all contours. For one contour, the changes in heat transfer and the flow field were outlined in detail. Furthermore, entropy production rates were determined for these contours and compared to the baseline. This proved that the IFM causes a reduction of entropy production. The ice-contoured endwalls were also used as starting geometries for a subsequent numerical optimization. The latter yielded contours which further reduced global heat transfer. To reduce heat transfer especially in the vane passage, another ice-contoured endwall with enlarged cooling length was examined, but the contour could not achieve the desired heat transfer reduction. In contrast, numerical optimizations with a parametrization based on the flat endwall yielded endwall contours with a significant reduction of heat transfer in the vane passage. Finally, heat transfer characteristics for the created endwall contours were analyzed for the design Reynolds number of Re=200,000. For the ice-contoured endwalls heat transfer reductions were even higher at this Reynolds number, while the numerically optimized contours featured approximately the same reductions in heat transfer as for the Reynolds numbers at which they were created. The present work showed, that under specific conditions, the IFM generates contours that reduce global endwall heat transfer for the investigated vane/endwall flow. However, the definition of a proper reference case was difficult, since the growing ice layer in the experiment changes the state of the boundary layer and makes comparisons at the same flow conditions infeasible. The numerical optimization proved successful in creating endwall contours with reduced heat transfer rates. It allows for both endwall contours with reduced global heat transfer and contours with heat transfer being reduced in the vane passage only.
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Evaporation of multicomponent droplets
(2005) Wilms, Jochen; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
The objective of this study was to provide a better understanding of multicomponent droplet evaporation. The work was motivated by the need to understand the evaporation of fuel droplets in combustion chambers of aerospace and car engines. Within this dissertation, experimental and numerical investigations of the evaporation of droplets with one to three components are presented. From the experiments, data are presented considering mainly surface histories of droplets with various compositions evaporating at various ambient temperatures. Numerical results from different evaporation models are compared to the experimental data to validate the numerical models. The evaporation models and the experiments, especially the optical measurement techniques, are explained together with details on new developments. For the experiments, setups for single, optically levitated and single, free-falling droplets were used. As droplet liquids, 1-hexadecene and n-alkanes from n-pentane to n-hexadecane were selected. The surrounding gas was either nitrogen or dry air. Experiments were conducted at standard atmospheric pressure and ambient temperatures from about 290 to 350 K. The initial droplet size was on the order of 50 µm. The droplet size was measured using Mie scattering imaging. Additionally, the change of droplet size was measured by detecting morphology-dependent resonances in the intensity of the scattered light. For this measurement technique, a method for the correction of the phase shift of the morphology-dependent resonances due to the changing composition in the case of multicomponent droplets is proposed using numerical simulations including Lorenz-Mie theory. As third optical measurement technique, rainbow refractometry was applied to measure the droplet temperature for pure-component droplets and the composition for binary mixture droplets with low evaporation rates. Moreover, rainbow refractometry was used to detect refractive index gradients for droplets where concentration gradients were predicted by a diffusion-limit model. From droplet size measurements, histories of the non-dimensional droplet surface are presented. The setups allowed for measurement periods covering nearly the entire lifetime of the droplet. For pure-component droplets, evaporation rates were determined from size histories. Results for different substances at different ambient temperatures are shown. For mixture droplets, the compounds and the initial compositions were varied as well. The large amount of experimental data can be used for the validation of numerical models. From the classical D2-law, numerical models were developed for two- and three-component droplets assuming a constant droplet temperature for fast calculations of the droplet evaporation. For two-component droplets, an analytical solution was derived. In addition, a rapid-mixing and a diffusion-limit model with internal heat and mass transfer assuming spherical symmetry were used for numerical simulations. The numerical models for two- and three-component droplets as well as the analytical solution showed good agreement with experimental data even for mixtures with a large difference in the volatilities of the substances when the appropriate reference state was selected. Rainbow refractometry was successfully applied to measure droplet temperatures and compositions. For mixture droplets, where concentration gradients were predicted by the diffusion-limit model, these gradients did not occur in the experiments. Instead, very good agreement was reached with the rapid-mixing model. This means that the mass transport inside the droplets was most likely enhanced by internal circulation caused by the generation process of the droplet.
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Experimentelle Untersuchung der Strömung und der Wärmeübertragung in 180°-Umlenkungen
(2009) Pape, Detlef; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
In der vorliegenden Arbeit werden die Strömung und der Wärmeübergang in Mehrkanal-Kühlsystemen mit 180°-Umlenkungen untersucht. Mehrkanal-Kühlsysteme sind eine wichtige Komponente für die Kühlung moderner Gasturbinenschaufeln und werden kontinuierlich in Richtung einer besseren Kühlwirkung und eines geringen Kühlluftverbrauchs optimiert. Für eine weitere Optimierung des Systems ist ein genaues Verständnis der verschiedenen Kühlmechanismen entscheidend. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss der verschiedenen Komponenten des Kühlsystems auf die Strömung und den Wärmeübergang detailliert untersucht. Insbesondere werden die Geometrie der Umlenkung und der Einfluss verschiedener Rippenkonfigurationen zur Steigerung des Wärmeübergangs betrachtet. Neben der Optimierung des Kühlsystems liegt dabei ein weiterer Schwerpunkt auf der Analyse und Weiterentwicklung entsprechender Messverfahren für die Untersuchungen. Zur Vorbereitung der Messungen werden verschiedene zweidimensionale Verfahren zur Messung des Wärmeübergangs evaluiert, die stationäre und die transiente Flüssigkristallmethode. Beide Methoden sind gut für die Messung des Wärmeübergangs geeignet, wobei ihre jeweiligen thermischen Randbedingungen für das Ergebnis zu berücksichtigen sind. Für die nachfolgenden Untersuchungen hat sich die transiente Methode aufgrund ihrer besonders für komplexe Geometrien einfacheren Anwendbarkeit als geeigneter erwiesen. Bei dieser Methode stellt die Bestimmung der charakteristischen Fluidtemperatur, der massenstromgemittelten Temperatur, eine Einschränkung der erreichbaren Genauigkeit dar. Die massenstromgemittelte Temperatur ist experimentell nur schwer zugänglich. Durch eine geeignete Kombination aus einem analytischen Modell zur Beschreibung des Temperaturverlaufs, numerischen Untersuchungen und Temperaturmessungen an verschiedenen Positionen im Kanal ist eine Bestimmung der massenstromgemittelten Temperatur für jede Position innerhalb der geraden Abschnitte möglich geworden. Dies hat die erzielbare Genauigkeit der transienten Methode zur Wärmeübergangsmessung deutlich gesteigert. Für die Analyse und Optimierung der Mehrkanal-Kühlsysteme wird der Einfluss der verschiedenen Geometrieparameter auf die einzelnen Komponenten als auch auf das Gesamtsystem der Kühlkanalanordnung untersucht. Für eine bessere Ausnutzung der Kühlluft wird in modernen Kühlsystemen die Länge des Kanalsystems durch das Hinzufügen weiterer Kanalabschnitte kontinuierlich verlängert, was zu immer schmaleren Kanälen führt. Daher werden in dieser Arbeit besonders schmale Kanäle mit einem Höhen-zu-Breiten-Verhältnis von H/W=4 untersucht und ihre Besonderheiten gegenüber den bisherigen Systemen mit breiten Querschnitten gezeigt. Für den Vergleich mit konventionellen Systemen dient als Basis eine Geometrie mit H/W=0,5. Einen weiteren großen Einfluss auf den Wärmeübergang hat der Einbau von Rippen in dem Kanalsystem. Insbesondere in den geraden Kanalabschnitten werden diese zur Steigerung des dort allgemein niedrigen Wärmeübergangs eingesetzt. Ihr Einfluss auf den geraden Kanalabschnitt als auch auf das Gesamtsystem wird hier daher für verschiedene Rippenhöhen (e/H=0,05 und 0,1) sowie für unterschiedliche Anstellwinkel zur Strömung (45° und 60°) untersucht. Ein besonderes Augenmerk gilt der Wechselwirkung der Rippen im geraden Kanalabschnitt mit der Strömung und dem Wärmeübergang in der Umlenkung. Hierbei haben sich einige Besonderheiten gegenüber den bisherigen Systemen mit breiten Querschnitten gezeigt. Vor allem die Rippenhöhe kann in diesen Kanälen nicht beliebig zur Erhöhung des Wärmeübergangs gesteigert werden. Aufbauend auf den Untersuchungen der verschiedenen grundlegenden Konfigurationen wird in einem weiteren Schritt gezielt die Umlenkung optimiert. Für die verschiedenen sich als optimal herausgestellten Basiskonfigurationen wird hierzu einerseits der Abstand der Umlenkung (Wel=0,5 - 3,7) variiert als auch die Zahl der Rippen im Auslaufbereich reduziert. Hierdurch lässt sich der Druckverlust in der Umlenkung bei vergleichbarem Wärmeübergang deutlich verringern. Des Weiteren werden aus diesen Untersuchungen entsprechende Berechnungsverfahren für den Druckverlust und den Wärmeübergang der einzelnen Komponenten eines Mehrkanal-Kühlsystems entwickelt. Mit Hilfe dieser Berechnungsverfahren kann damit das Kühlsystem gezielt an unterschiedliche Anforderungen in einer Gasturbinenschaufel angepasst und optimiert werden.
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Experimentelle Untersuchung und Optimierung der Kühlung von Brennkammerbauteilen stationärer Gasturbinen
(2008) Lauffer, Diane; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Bei der Weiterentwicklung stationärer Gasturbinen werden aufgrund steigender Turbineneintrittstemperaturen immer höhere Anforderungen an die eingesetzten Kühlmechanismen gestellt. Prallkühlungs- und konvektive Kühlmethoden bieten im Bereich der Brennkammerkühlung eine Alternative zur traditionellen Filmkühlung, da durch sie einerseits die Schadstoffkonzentration im Abgas reduziert wird und andererseits die gesamte verdichtete Luft zur Verbrennung genutzt werden kann. Da mit bestehenden Korrelationen oder Untersuchungen für einfache Geometrien die Strömung und damit der Wärmeübergang in komplexen Geometrien nur eingeschränkt beschrieben werden können, kann auf Untersuchungen an realitätsnahen Modellen nicht verzichtet werden. In der vorliegenden Arbeit werden die Möglichkeiten der Wärmeübergangsintensivierung in unterschiedlichen Brennkammerbauteilen experimentell untersucht. Hierzu werden an drei verschiedenen Versuchsständen Wärmeübergangsmessungen durchgeführt und durch Strömungsmessungen ergänzt. Die experimentelle Bestimmung des Wärmeübergangs erfolgt mit Methoden, die auf der Temperaturbestimmung mit thermochromatischen Flüssigkristallen basieren. Bei der stationären Methode wird der Wärmeübergangskoeffizient aus der Randbedingung eines konstanten Wärmestroms, der mit Heizfolien auf der Wand aufgeprägt wird, bestimmt. Bei der transienten Methode wird er über den zeitlichen Verlauf der Wandtemperatur infolge eines Temperatursprungs in der Strömung berechnet. Das Sekundärströmungsfeld wird mittels der 2d-PIV-Methode vermessen, die auf der Beobachtung von in der Strömung mitbewegten Teilchen basiert. Im ersten Teil der Arbeit wird die Wärmeübergangserhöhung in einem rechteckigen, flachen Kanal mit einem Breiten-Höhen-Verhältnis von sechs untersucht. Dimples auf der breiten Kanalseite sorgen für eine großflächige Steigerung des Wärmeübergangs, und durch das Anbringen lokaler Rippen wird der Wärmeübergang im Seitenbereich zusätzlich optimiert. Hierbei kommen sowohl auf der schmalen Seitenwand als auch im Seitenbereich der breiten Kanalwand unterschiedliche Rippenkonfigurationen zum Einsatz. Es wird gezeigt, dass die Rippen lokal ein hohes Potenzial zur Wärmeübergangssteigerung besitzen, während der zusätzliche Druckverlust durch ihre geringe Größe sehr niedrig ausfällt. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Wärmeübergangssteigerung in einem gekrümmten Brennkammerkühlkanal mit veränderlichem Querschnitt. Vier verschiedene Prallkühlmuster werden mit einem glatten und einem mit Dimples versehenen Kanal kombiniert. Es zeigt sich, dass die Wahl des Prallmusters einen deutlichen Einfluss auf die lokale Nußeltzahlverteilung im Prallbereich hat, jedoch spielt sie für den Wärmeübergang stromab der Prallkühlzone sowie für die mittlere Nußeltzahl fast keine Rolle. Durch die Dimples im hinteren Kanalbereich wird eine deutliche lokale Wärmeübergangssteigerung erreicht. Der zusätzliche Druckverlust der Dimples ist dagegen verhältnismäßig niedrig. Im dritten Teil der Arbeit werden die Möglichkeiten der Wärmeübergangsintensivierung auf der Rückseite eines Brennkammer-Hitzeschutzschildes untersucht. Es werden hierzu zwei unterschiedliche, unregelmäßige Prallstrahlanordnungen in Kombination mit verschiedenen realistischen Strömungsauslässen eingesetzt. Es wird gezeigt, dass durch die Wahl der Prallstrahlanordnung und der Art der Auslassöffnungen die Strömung und damit der Wärmeübergang auf allen Flächen deutlich beeinflusst werden.
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Filmkühlung bei komplexen Innenströmungen
(2008) Kissel, Harald; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die Filmkühlung ist eine sehr wirksame und zuverlässige Methode zur Kühlung von hoch beanspruchten Turbinenschaufeln. Dabei wird Kühlluft aus dem Verdichter abgezapft und in die mit internen Kühlkanälen versehenen Schaufeln geleitet. Nach einer konvektiven Kühlung des Materials von der Innenseite wird die Luft durch diskrete Bohrungen auf die Oberfläche der Schaufel geleitet. Dort bildet sie einen Film, der das Material kühlt und gleichzeitig vor der heißen Strömung schützt. Während der Auslegung einer Filmkühlungskonfiguration wird der Versuch unternommen möglichst alle Einflussfaktoren zu berücksichtigen. Ein wichtiger Parameter ist die Kühlluftzufuhr, denn die Strömungsstruktur ist beim Erreichen der Bohrung durch die vorangehende interne Kühlung komplex und dreidimensional. Die vorliegende Arbeit hat die Untersuchung der Einflüsse der internen Strömung auf den Filmkühlungsvorgang zur Aufgabe. Dazu wurde ein Versuchskanal aufgebaut der unter Anwendung verschiedener Messtechniken, die Vermessung der Strömung, sowie die Bestimmung der Güte der Filmkühlung ermöglicht. Diese wird üblicherweise mit Hilfe der adiabaten Filmkühleffektivität eta_aw und des dimensionslosen Wärmeübergangskoeffizienten alpha/alpha_0 charakterisiert. Der Versuchskanal ist variabel gestaltet, so dass Kanalgeometrien, Bohrungsgeometrien und Rippenkonfigurationen verändert werden können. Im Rahmen der Forschungsarbeit kam vor allem die Flüssigkristallmesstechnik und die Hitzdrahtanemometrie zum Einsatz. Zur Auswertung der Experimente wurden verschiedene Mess- und Auswertemethoden verglichen und schließlich eine neuartige Methode etabliert. Durch Anwendung der transienten Flüssigkristallmesstechnik kann aus zwei nacheinander durchgeführten Versuchen unter Variation der Kühllufttemperatur sowohl die adiabate Filmkühleffektivität, als auch der Wärmeübergangskoeffizient deduziert werden. Parallel zur experimentellen Arbeit wurden die Vorgänge im Versuchskanal mit Hilfe numerischer Simulation untersucht. Die numerischen Untersuchungen erleichtern vor allem die Darstellung der komplexen Strömungsvorgänge an messtechnisch schwer zugänglichen Stellen im Versuchskanal. Die durchgeführten Experimente lassen sich in Versuche bei hohem und niedrigem Druck verhältnis zwischen Kühl- und Heißluftkanal einteilen. Generell gilt, dass eine Variation der Kühlluftreynoldszahl einen größeren Effekt auf das Filmkühlungsverhalten hat, als der Einbau von Rippen. Die Variation der Rippen zeigt in allen Fällen kein einheitliches Verhalten, so dass eine Schlussfolgerung hinsichtlich eines optimalen Rippenanstellwinkels nicht möglich ist. Der Einfluss des Kühlkanals ist jedoch deutlich an den gewonnenen Daten erkennbar. Diese dienen als Ausgangsbasis für weitere Untersuchungen der Strömungsstruktur und der verschiedenen Einflussfaktoren. Es zeigt sich ein sehr komplexes Verhalten der Filmkühlungsströmung gegenüber den durchgeführten Variationen der Anströmbedingungen der Bohrungen. Um dieses Verhalten besser zu verstehen, sollten ergänzende Experimente durchgeführt werden. Insbesondere der Einfluss des Abstandes Rippe - Bohrung hat großen Einfluss auf die Filmkühlungsgüte und sollte daher weiter systematisch untersucht werden. Ebenfalls sind PIV Messungen unmittelbar vor der Bohrung im Kühlluftkanal denkbar um die durch die Rippen induzierten Sekundärströmungen aufzulösen. Diese Resultate können bereits vorliegende Ergebnisse aus der numerischen Simulation bestätigen. Anschließend ist eine Durchführung der Experimente mit konturierten und lateral angestellten Bohrungen vorstellbar. Da diese heutzutage häufig in der industriellen Anwendung eingesetzt werden, ist es wichtig den Einfluss der Innenströmung auf diese Filmkühlkonfigurationen zu bestimmen. Außerdem eignet sich dieser Versuchskanal hervorragend zur Untersuchung der Auswirkungen von Fertigungsabweichungen auf die Filmkühlung. So kann zum Beispiel der Effekt einer teilweise blockierten Bohrungen betrachtet werden. Bevor mit Hilfe numerischer Strömungslöser weitere Parameterstudien durchgeführt werden, sollten weitere Anstrengungen unternommen werden um die Abweichungen zwischen Experiment und Numerik zu minimieren. Die Zahl der Gitterzellen kann reduziert werden indem im Heißgaskanal ebenfalls ein periodisches Anlaufstück berechnet wird. Außerdem sollten unterschiedliche Turbulenzmodelle eingesetzt und miteinander verglichen werden.
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Flow and heat transfer investigations in swirl tubes for gas turbine blade cooling
(2017) Biegger, Christoph; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
A swirl tube is a very effective cooling technique for high thermal loaded components like gas turbine blades. Such a tube consists of one or more tangential inlet jets, which induce a highly 3D swirling flow. This swirling flow is characterized by large velocities near the wall and an enhanced turbulence in the tube which both increase the convective heat transfer. In the present work, the flow phenomena and the heat transfer in swirl tubes are studied experimentally and numerically. Therefore, a generic swirl tube with tangential inlets at the upstream end of the tube and a novel application-oriented swirl tube geometry with multiple tangential inlet jets in axial direction are investigated in detail. In strong swirling flows, the flow field is dominated by the circumferential velocity which is characterized by a Rankine vortex with a solid body vortex in the tube center and a potential vortex in the outer region. A stability analysis reveals that the solid body vortex is unstable and hence explains the transformation of the solid body vortex into a stable potential vortex towards the tube outlet. In addition, the axial velocity shows a backflow region (vortex breakdown) in the tube center over the entire tube length. It is shown that a vortex breakdown occurs in swirl dominated flows. The measurements indicate that the heat transfer in swirl tubes increases with increasing Reynolds number and swirl number, respectively. Near the inlet, the maximum heat transfer occurs due to the large circumferential velocity component. With decreasing swirl and velocity towards the tube outlet, also the heat transfer decreases continuously. The investigation of the swirl tube with multiple tangential inlet jets reveals a very complex axial velocity which changes after each inlet due to the additional mass flow. However, the circumferential velocity stays almost constant since the swirl strength is re-enhanced with each inlet jet, respectively. For each inlet jet, a high heat transfer can be observed. However, the maximum heat transfer is lower than for the swirl tube with only one inlet because of the lower inlet jet velocities. On the other hand, the heat transfer distribution is more homogeneous over the entire tube length at a much lower pressure loss. For the investigated swirl tubes with one, three or five inlets, the thermal performance is in the same order of magnitude and hence all swirl tube configurations are suitable for cooling.
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Investigation of macroscopic nearcritical fluid phenomena by applying laser-induced thermal acoustics
(2023) Steinhausen, Christoph; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
The political and social aspiration to reduce greenhouse gases together with increasing energy demands are driving the development of new sustainable energy solutions. To achieve long term sustainability both innovative energy sources and improvements in efficiency are essential. Higher process efficiencies have been achieved by raising combustion pressures, reaching values that now exceed the critical pressures of the injected fuels. However, for an efficient and stable combustion a profound understanding of the processes prior to the combustion, such as fluid injection, disintegration and subsequent evaporation is essential. Unfortunately, the fundamental changes in fluid behaviour at near- to supercritical conditions leading to the observed fluid phenomena are not yet fully understood. Besides fluid injection, supercritical fluids themselves have been identified as an innovative path for an efficient energy conversion and heat transfer processes. The Brayton cycle using supercritical carbon dioxide as operating fluid, supercritical water as coolant and process fluid in nuclear reactors, or the application of supercritical methane as new 'green' fuel in rocket propulsion are just a few examples. Laser-induced thermal acoustics (LITA) has been identified as a promising diagnostic tool in near- to supercritical fluid research. The latter is based on the capability to acquire speed of sound data as well as to resolve thermal and acoustic attenuation in both pure fluids and complex mixing processes, such as evaporation and jet disintegration. Moreover, based on the non-linear pressure dependencies, LITA becomes increasingly more effective in high-pressure environments. By analysing the frequency domain of recorded signals, speed of sound data can be directly determined without any equation of state or additional modelling approaches. Furthermore, acoustic damping rates and thermal diffusivities can be acquired by an analytical expression for the temporal-domain of the signals. By combining both evaluations with suitable analytic expressions for the thermodynamic properties, mixing states, such as local mixing temperatures and concentrations, can be determined. Moreover, since in complex fluids at near- to supercritical conditions acoustic damping is related to both sound dispersion and volume viscosity, important insights into the physics of supercritical fluids are provided. Concordantly, the purpose of this thesis is to apply LITA in the investigation of macroscopic fluid phenomena at nearcritical to supercritical fluid conditions. This includes the following major research objectives. First, the significance of volume viscosities in complex fluids at dense gas conditions as well as the dependency of acoustic damping on mixing states are assessed. Second, the feasibility of time-resolved LITA measurements under complex flow conditions is evaluated. To achieve these objectives an experimental test facility has been designed, which enables investigations at high pressure and high temperature conditions in both pure fluids and complex mixing processes. Moreover, the laser-induced thermal acoustics setup of the ITLR has been optimised for high pressure investigations. Also a new high-speed LITA system with an adjustable measurement volume has been developed. Furthermore, a new post-processing methodology capable of analysing both the frequency and time-domain of the signal has been developed and validated. With the developed system and routines investigations in carbon dioxide, nitrogen, and binary mixtures at gas and gas-like states have been conducted to assess acoustic attenuation and volumes viscosities. Additionally, a jet mixing process has been studied to characterise the LITA arrangement and to evaluate the dependency of acoustic damping on mixing concentration. At last, to assess the feasibility of transient LITA measurements in turbulent, physically complex flow conditions and to further characterise the evaporation process, time-resolved LITA measurements have been performed in the wake of a free falling droplet evaporating in a supercritical atmosphere.
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Laser-induced thermal acoustics : simultaneous velocimetry and thermometry for the study of compressible flows
(2016) Förster, Felix Johannes; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Air-breathing propulsion concepts, such as scramjets, provide a promising alternative to conventional systems for a faster and economically as well as ecologically more efficient transportation of passengers and cargo to any destination on the globe. Furthermore, scramjets are an important supplement to existing rocket-based systems to increase the payload and reduce operational costs of space transportation systems. The development of a scramjet engine is, however, challenging and involves the knowledge of many disciplines. One of the most critical problems is a stable and reliable combustion. The flows relevant to this thesis are therefore characterized by high speeds, high temperatures and chemical reactions. Obtaining quantitative data of such a flow field, sufficiently resolved in time and space, is a difficult task for any measurement technique. However, the continuous study of the occurring flow phenomena as well as the requirement to validate advanced numerical simulations demand the development of new diagnostic methods to provide more sophisticated experimental data sets. The focus of this thesis is the development, evaluation and application of Laser-Induced Thermal Acoustics (LITA) as a promising diagnostic tool for the study of compressible flows. LITA allows non-intrusive and remote measurements of speed of sound, flow velocity, Mach number and temperature – resolved both spatially and temporally. A thorough validation of the setup was conducted for reference cases at flow conditions comparable to the intended application verifying that very accurate and detailed data sets can be obtained with LITA. Three different applications are investigated in this thesis. In the first case, time-resolved speed of sound, flow velocity and Mach number measurements were conducted in a hydrogen/air free jet flame. Flow profiles were obtained at different axial positions showing the evolution of the combustion zone. The second application is dedicated to the flow field inside scramjet combustor models. Detailed experimental data sets were provided for the validation of complementary CFD simulations. In addition, a precise reconstruction of the flow field and the shock system resulting from a jet injected into the supersonic cross flow was possible. These results motivated to use LITA in a shock tube facility. Measurements were successfully conducted behind the incident and reflected shock wave proving the technique’s potential for shock-heated flows.
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Modellierung des Wärmeübergangs komplexer Prallstrahlfelder an Turbinengehäusen
(2021) Schweikert, Julia; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die Auslegung effizienter Flugtriebwerke in allen Betriebspunkten ist eine der zentralen Aufgaben der Luftfahrttechnik. Ein wesentlicher Bestandteil liegt dabei in einer optimalen Kühlung thermisch hochbelasteter Triebwerkskomponenten über den gesamten Zyklus einer Flugmission. Für eine optimale Auslegung der eingesetzten Kühlmechanismen müssen die Wärmeübergangscharakteristika möglichst exakt bekannt sein. Unter diesem Aspekt befasst sich die vorliegende Arbeit mit dem Wärmeübergangsverhalten an Turbinengehäusen. Die Kühlung erfolgt in der realen Anwendung über den Einsatz komplexer Prallstrahlfelder, welche derzeit noch Lücken hinsichtlich der theoretischen Beschreibung aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Versuchsstand zur experimentellen Untersuchung der komplexen Prallstrahlfelder aufgebaut. Die Bestimmung des Wärmeübergangsverhaltens erfolgt dabei auf Basis der Infrarot-Thermografie. Neben einer experimentellen Betrachtung dienen numerische Simulationen der Untersuchung der Wärmeübergangs- und Strömungscharakteristika. Eine erfolgreiche Validierung des verwendeten numerischen Setups erfolgt anhand von Referenzdaten aus der Literatur. Das experimentelle Setup wird an einem vereinfachten Prallstrahlmodell verifiziert und den numerischen Verläufen gegenübergestellt. In einer zusätzlichen numerischen Studie wird der Einfluss der thermischen Randbedingung auf die Berechnung der Nusseltzahl an der Prallplatte quantifiziert. Mit den Daten dieser Studie wird eine Methode vorgestellt, den zum Teil deutlichen Einfluss der thermischen Randbedingung zu berücksichtigen. Neben der Entwicklung geeigneter Modelle zur Beschreibung des Wärmeübergangs in realen Anwendungen, bei welchen die thermischen Gegebenheiten nicht gänzlich bekannt sind, sind die Erkenntnisse essentiell für die Betrachtung des Wärmeübergangs an dem in dieser Arbeit betrachteten Modell eines komplexen Prallstrahlfeldes.
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Numerische Untersuchung der Gemischbildung in Gasmotoren
(2019) Bork, Andrea; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Zur Unterstützung der Entwicklung eines effizienten und emissionsarmen Mager-Schichtbrennverfahrens für mit CNG (Compressed Natural Gas) betriebene Ottomotoren wird im Rahmen dieser Arbeit ein Workflow für die numerische Strömungssimulation der Direkteinblasung von CNG in den Brennraum eines Ottomotors mittels RANS-basierter kommerzieller Simulationswerkzeuge vorgestellt. Die anhand der Simulation zu untersuchenden Einflussgrößen auf die Gemischbildung umfassen hierbei unter anderem die Geometrie des Motors (Kolbendesign) sowie des Injektors (Anzahl und Anordnung der Düsenbohrungen) und auch den Systemdruck sowie den geeigneten Zündzeitpunkt. Vorab wurden numerische sowie experimentelle Voruntersuchungen der Düseninnenströmung sowie des Überschallgasfreistrahls im Nahbereich der Düsenöffnung am Injektor für verschiedene Injektortypen (Einloch-, Mehrloch- und Ringspaltinjektor) durchgeführt. Diese umfassen die Simulation der Gasströmung im Inneren des Injektors sowie stromabwärts der Düsenöffnung für die transiente Phase des Öffnens sowie bei voll geöffnetem Injektor. Des Weiteren wurden die mit den Injektoren erzeugten Gasstrahlen an optisch zugänglichen Druckkammern mithilfe von Streulichtaufnahmen und planaren LIF-Messungen experimentell untersucht. Im Zuge der Voruntersuchungen wurden Erkenntnisse hinsichtlich der Strahlphänomenologie bei Verwendung der verschiedenen Injektortypen abgeleitet. Dazu gehört die Neigung zu Strahl-Strahl- und Strahl- Wandinteraktion sowie zu Kondensation im Gasstrahl in Abhängigkeit des herrschenden Druckverhältnisses. Aufbauend auf diese Voruntersuchungen wurde eine Strategie für die Simulation der Direkteinblasung von CNG unter realen Motorgeometrien abgeleitet. Dazu gehört die Wahl einer geeigneten Vernetzungsstrategie für Düse und Motor sowie die Wahl eines geeigneten Turbulenzmodells. Aufgrund der unterschiedlichen relevanten Längenskalen musste ein Kompromiss zwischen der Gitterauflösung im Düsennahbereich und der resultierenden Gesamtzellenanzahl des aufgebauten Modells geschlossen werden. Zur Initialisierung des Hochdruckgasfreistrahls im Brennraum wurde die tatsächliche Düsengeometrie diskretisiert und mit dem Motornetz über eine nichtkonforme Grenzfläche verbunden. Ein Abgleich mit verfügbaren optischen Messdaten zeigte deutliche Defizite der für RANS standardmäßig eingesetzten Wirbelviskositätsmodelle in der Berechnung des turbulenten Stofftransports in der Scherschicht zwischen Überschallgasstrahl und umgebender ruhender Luft. Die aus der Boussinesq-Formulierung resultierende Annahme isotroper turbulenter Spannungen führt bei der betrachteten Strahlphänomenolgie in der Simulation zu deutlich unterschätztem Turbulenztransport senkrecht zum Strahl, sodass die Gemischhomogenisierung verzögert ist. Leichte Verbesserungen in der Gemischhomogenisierung gegenüber den Ergebnissen mit den Wirbelviskositätsmodellen konnten mit einem algebraischen Reynoldsspannungsmodell erzielt werden, welches der Anisotropie des turbulenten Spannungstensors näherungsweise Rechnung trägt. Für ausgewählte Injektor- und Kolbengeometrien erfolgte die Strömungssimulation der Gemischbildung im Brennraum für einen ausgewählten Teillastbetriebspunkt. Es zeigte sich, dass die Wahl eines Muldenkolbens einen positiven Einfluss auf die Gemischbildung haben kann, da sich die Gemischwolke an der Zündkerze stabilisieren lässt. Hinsichtlich verschiedener Mehrlochinjektorvarianten erwies sich ein möglichst großer Abstand zwischen den Düsenbohrungen als vorteilhaft, da sich hierdurch die Neigung zum Strahlkollaps bei steigenden Druckverhältnissen etwas verringern lässt.
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Stability of swirl tube flow
(2019) Novotny, Pavel; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
This work focuses on detailed investigation of the flow phenomena and flow stability in swirl tubes. In general, a swirl tube is a tube with one or more tangential inlets generating complex swirling flow. This leads to large tangential velocities near the wall and to enhanced turbulent mixing in the tube, which results in a positive influence on the convective heat transfer in the tube. In the present work, a formulation of a condition to investigate stability of a flow is provided. This formulation reflects the definition of the second law of thermodynamics, i.e. the balance of entropy, and also the balance of the total enthalpy. So, the derived condition may serve as a criterion to investigate processes in general flows, for which an incompressible fluid via the Cauchy stress tensor is approximated. The experimental and numerical analysis of flow fields conducted for different Reynolds numbers show an axial backflow region in the tube centre determining possible vortex breakdown. For the lowest Reynolds number, an axial backflow region, in contrast to the higher Reynolds numbers, is observable up to the middle of the tube length. Thus, there is a region where the flow is characterised by no vortex breakdown. Moreover, similar behaviour is observed for the intermediate Reynolds number near the tube outlet. Nevertheless, for strong swirling flows, a possible vortex breakdown may be expected for a Rossby number lower than 0.65. Furthermore, the ratio between the local tangential and axial Reynolds numbers reveals that a vortex breakdown may occur in regions where this ratio is greater than 1. In addition, a connection between the derived stability criterion and the vortex breakdown confirms that the redistribution of flow fields is, due to the highest swirl strength, dominant at the beginning of the tube. Moreover, it is shown that vortex breakdown is accompanied by processes causing flow stabilisation.
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Thermodynamic analysis and numerical modeling of supercritical injection
(2015) Banuti, Daniel; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Although liquid propellant rocket engines are operational and have been studied for decades, cryogenic injection at supercritical pressures is still considered essentially not understood. This thesis intends to approach this problem in three steps: by developing a numerical model for real gas thermodynamics, by extending the present thermodynamic view of supercritical injection, and finally by applying these methods to the analysis of injection. A new numerical real gas thermodynamics model is developed as an extension of the DLR TAU code. Its main differences to state-of-the-art methods are the use of a precomputed library for fluid properties and an innovative multi-fluid-mixing approach. This results in a number of advantages: There is effectively no runtime penalty of using a real gas model compared to perfect gas formulations, even for high fidelity equations of state (EOS) with associated high computational cost. A dedicated EOS may be used for each species. The model covers all fluid states of the real gas component, including liquid, gaseous, and supercritical states, as well as liquid-vapor mixtures. Numerical behavior is not affected by local fluid properties, such as diverging heat capacities at the critical point. The new method implicitly contains a vaporization and condensation model. In this thesis, oxygen is modeled using a modified Benedict-Webb-Rubin equation of state, all other involved species are treated as perfect gases. A quantitative analysis of the supercritical pseudo-boiling phenomenon is given. The transition between supercritical liquid-like and gas-like states resembles subcritical vaporization and is thus called pseudo-boiling in the literature. In this work it is shown that pseudo-boiling differs from its subcritical counterpart in that heating occurs simultaneously to overcoming molecular attraction. In this process, the dividing line between liquid-like and gas-like, the so called Widom line, is crossed. This demarcation is characterized by the set of states with maximum specific heat capacity. An equation is introduced for this line which is more accurate than previous equations. By analyzing the Clausius-Clapeyron equation towards the critical limit, an expression is derived for its sole parameter. A new nondimensional parameter evaluates the ratio of overcoming molecular attraction to heating: It diverges towards the critical point but shows a significant pseudo-boiling effect for up to reduced pressures of 2.5 for various fluids. It appears reasonable to interpret the Widom-line, which divides liquid-like from gas-like supercritical states, as a definition of the boundary of a dense supercritical fluid. This may be used to uniquely determine the radius of a droplet or the dense core length of a jet. Then, a quantitative thermodynamic analysis is possible. Furthermore, as the pseudo-boiling process may occur during moderate heat addition, this allows for a previously undescribed thermal jet disintegration mechanism which may take place within the injector. This thermal jet break-up hypothesis is then applied to an analysis of Mayer’s and Branam’s nitrogen injection experiments. Instead of the constant density cores as predicted by theory, the majority of their cases show an immediate drop in density upon entering the chamber. Here, three different axial density modes are identified. The analysis showed that heat transfer did in fact take place in the injector. The two cases exhibiting a dense core are the cases which require the largest amount of power to reach the pseudo-boiling temperature. After this promising application of pseudo-boiling analysis, thermal break-up is tested numerically. By accounting for heat transfer inside the injector, a non dense-core injection can indeed be simulated for the first time with CFD. Finally, the CFD model is applied to the A60 Mascotte test case, a reactive GH2/LOX single injector operating at supercritical pressure. The results are compared with experimental and other researcher’s numerical data. The flame shape lies well within the margins of other CFD results. Maximum OH* concentration is found in the shear layer close to the oxygen core and not in the shoulder, in agreement with experimental data. The axial temperature distribution is matched very well, particularly concerning position and value of the maximum temperature.
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Thermofluids with porous media
(2024) Chu, Xu; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
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Turbulence modeling of complex flows in CFD
(2008) Uddin, Naseem; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
In the last two decades of the 20th century, the world had witnessed the enormous increase in the computational resources. This has brought in the tremendous increase in human knowledge and understanding of complex phenomenon, like turbulence and its modeling among others. The technical development has brought new challenges in engineering design. Whether we limit ourselves to the earthly matters or indulge in space exploration, the simulation of turbulence has become a routine task. Turbulence is a phenomenon in nature comprising of complex eddy structures which can greatly improve heat and mass transfer. The simplistic approach for the computation of turbulent flows is to compute them by Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations based models. But due to the averaging procedure, the inherent unsteadiness of the flow is compromised. On the other hand, Direct Numerical Simulation (DNS) is the best approach for turbulent flow computations, in which no modeling assumptions are invoked and turbulent eddies as small as of the order of Kolmogorov scale are computed. The middle approach between these extremes is the Large Eddy Simulation (LES), in which part of the turbulence is modeled and rest is computed. However, the computational costs and memory requirement are still too large to take it as a general purpose engineering design tool. In this thesis, the effect of changes in inflow conditions on the heat transfer by an impinging jet is investigated using LES. The Dynamic Smagorinsky model proposed by Germano et al. has been used as a subgrid model. Results of several Large Eddy Simulations are reported in the thesis, which are conducted with use of total 244 processors on high performance computing clusters. The inflow conditions explored are: - The fully developed turbulent jet - Swirling jet - Velocity field active excitation - Velocity field passive excitation - Temperature field excitation An ERCOFTAC recommended benchmark test case of an orthogonally impinging round jet at Reynolds number of 23000 is simulated first. The agreement between the experiments and the LES gives encouragement for further investigations. Therefore in a next step, the effect of inlet velocity and temperature fields excitations of an orthogonally impinging round jet, on the heat transfer are explored. In case of the active control of the impinging jet’s inlet velocity field, it is found that the selection of excitational frequencies is important for heat transfer enhancement. The excitation at the subharmonic frequencies of the preferred mode is found to be a promising approach for heat transfer enhancement. A passively excited inlet velocity field is also investigated. It is found that this approach gives a better heat transfer than an active excitation case. The novel idea of heat transfer enhancement through jet’s inlet temperature field excitation is presented. The LES shows that the excitation at the preferred mode can give surface averaged Nusselt number higher than the non-excited jet impingement case. However the frequencies higher than the preferred mode should be taken with care, as they might cause thermal fatigue. The effect of the addition of the swirl to the impinging jet on the heat transfer is investigated. Also, it is found that the swirl does not give appreciable enhancement in heat transfer for H=D=2 case. The knowledge of flow and passive scalar flux dynamics gained through the simulation has helped in understanding the functional relationship between different turbulence quantities and heat transfer. It is found that the assumption of a constant turbulent Prandtl number (often used in RANS based models) is not a realistic approach. Alternative is to use scalarflux models, which allow the prediction of scalar-fluxes in non-isotropic turbulent state. The knowledge gained through the LES is then used to investigate coefficients in some explicit scalar-flux models (RANS based models). The investigation gives insight in the impingement phenomenon, which could help in the development of advanced turbulence models for heat transfer prediction.
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Untersuchung von Strömungsfeld und Wärmeübergang in einem berippten Multipass-System zur internen Kühlung von Gasturbinenschaufeln
(2005) Schubert, Sonja; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Eine Möglichkeit, den Wirkungsgrad einer Gasturbine zu steigern, besteht in der Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur. Als Folge davon werden die Turbinenschaufeln weit über die maximale Werkstofftemperatur hinaus belastet. Daher ist neben dem Einsatz modernster Werkstoffe (z.B. Keramik) eine intensive interne Kühlung unerlässlich. Zur Auslegung von wärmetechnisch optimierten Schaufeln müssen Druckverlust, Strömungsphänomene und lokaler Wärmeübergang genauestens bekannt sein. Aufgrund der an die Schaufelform angepassten Kanalgeometrie und der entstehenden rippeninduzierten Sekundärwirbel ergibt sich eine äußerst komplexe Problemstellung, die zur Zeit noch nicht numerisch simuliert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein anwendungstypisches Multipass-Kühlsystem, bestehend aus einem trapezförmigen, berippten Vorderkantenkanal, einer 180°-Umlenkung und einem nahezu rechteckigen, ebenfalls berippten hinteren Kanal, untersucht. Messungen zu Druckverlust Strömungsfeld und Wärmeübergangsverteilung wurden für Reynoldszahlen von 10.000 bis 200.000 durchgeführt. Die Vermessung des Strömungsfeldes erfolgte zwei- und dreidimensional mittels Particle Image Velocimetry (PIV), die Wärmeübergangsverteilung wurde mit Hilfe der transienten Flüssigkristallmethode (TLC) untersucht. Für die Auswertung der experimentelle Wärmeübergangsdaten konnte zudem eine Methode zur Implementierung der experimentell schwierig zu bestimmenden massenstromgemittelten Temperatur T_b entwickelt werden. Abschließend erfolgte der Vergleich der experimentellen Daten mit den Ergebnissen aus numerischen Berechnungen. Letztere fanden unter Verwendung verschiedener Turbulenzmodelle sowohl für den periodischen Fall an einem Segment des Einlaufs als auch für den kompletten Kanal statt. Die in dieser Arbeit gewonnenen umfangreichen Daten lieferten einen wesentlichen Beitrag zu einem vertieften Verständnis der Einflüsse von Kanalgeometrie und Berippung auf Druck, Strömung und Wärmeübergang. Sie eignen sich zudem hervorragend für die Validierung von bestehenden und zukünftigen CFD Programmen und somit zur weiteren Optimierung von Gasturbinenschaufeln.