06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Charakterisierung von Nanopartikeln aus Verbrennungsprozessen(2008) Thierley, Marcus; Aigner, Manfred (Prof. Dr.)Nanopartikel sind eine bisher zu wenig untersuchte Stoffgruppe bei Verbrennungsprozessen. Die Existenz der Nanopartikel ist seit vielen Jahren bekannt. Ihre Relevanz wird allerdings seit ein paar Jahren von politischen Gruppierungen hochgespielt, aber auch von unterschiedlichen Forschungsgruppen untersucht. Die Charakterisierung der stofflichen Eigenschaften der Nanopartikel gestaltet sich schwierig. Dies liegt zum einen Teil an ihrer geringen Größe und anderseits am Mangel an Referenzsubstanzen. Auf Grund der Vielzahl von unterschiedlichen Stoffen, die bei der unvollständigen Verbrennung entstehen, wird in dieser Arbeit nicht der Versuch unternommen, die exakte chemische Zusammensetzung der unterschiedlichen Substanzen, die der Klasse „Nanopartikel“ angehören, zu analysieren. Es werden vielmehr die Eigenschaften des Ensembles „Nanopartikel“ mit unterschiedlichen Methoden betrachtet. Die zu untersuchenden Nanopartikelverteilungen werden mit einem Unterdruckbrenner erzeugt. Erstmalig wird zur Bestimmung des Koagulationskoeffizienten ein Strömungsreaktor eingesetzt. Hier wird die chemische Kinetik der Nanopartikel in der Gasphase beobachtet. Die Detektion erfolgt am Ende des Strömungsreaktors durch ein für hohe Massen modifiziertes Flugzeitmassenspektrometer mit Photoionisation. Die so ermittelte Koagulationsrate der primären Nanopartikel ist erheblich geringer, als dies die klassische Aerosolkinetik für Teilchen dieser Größe voraussagt. Somit können Nanopartikel in großer Zahl in die Umwelt emittiert werden, wie dies bereits bei Sgro et al. experimentell nachgewiesen wurde. Für andere Meßmethoden werden am Unterdruckbrenner Kondensatproben gezogen. Hierbei wird die Wasserlöslichkeit der Nanopartikel ausgenutzt. Die wässrigen Proben werden mittels der Größenauschlußchromatographie untersucht, um festzustellen, welche Größe und damit welches Molekulargewicht die gelösten Stoffe haben. Hierbei stellt sich heraus, daß die Größe der gelösten Nanopartikel mit zunehmendem Brennstoffüberschuß abnimmt, die Konzentration leichter Kohlenwasserstoffe erwartungsgemäß zunimmt. Gelöste Substanzen mit hohem Dampfdruck werden separat in einem Fouriertransformationsinfrarotspektrometer auf die darin vorhandenen Bindungstypen untersucht. Der Kohlenstoffgehalt der flüssigen Proben wird bestimmt, wobei zwischen organischen und inorganischem Kohlenstoff unterschieden wird. Je fetter die Verbrennung im Unterdruckbrenner ist, desto mehr Gesamtkohlenstoff ist in den flüssigen Proben enthalten. Der Anteil des organischen Kohlenstoffanteils nimmt somit kontinuierlich zu, der Anteil des inorganischen Kohlenstoffs nimmt mit überschreiten der Rußgrenze ab. Die gemessene Kohlenstoffkonzentration wird auch zur Kalibration des Massenspektrometers eingesetzt. Biologische Untersuchungen der Kondensatproben auf ihre geno- und zytotoxischen Eigenschaften werden dargestellt. Es stellt sich heraus, daß die flüssigen Proben sowohl geno- als auch zytotoxisch sind. Die Toxizität tritt aber nur auf, wenn eine gewisse Kohlenstoffkonzentration in den gelösten Proben überschritten wird. Die gewählten Flammenbedingungen bestimmen somit nur das Maß der Verdünnung, das nötig ist, diese Kohlenstoffkonzentration in den flüssigen Proben zu erreichen. Auswirkungen auf den Menschen sind zu erwarten, sind aber in ihrem Ausmaß bis jetzt unbekannt. Der Vergleich der verschiedenen Meßmethoden führt zur Hypothese, daß es sich um zwei Sorten von Nanopartikeln handelt. Erstere nimmt, unabhängig von der Rußgrenze, mit zunehmenden Luftmangel bei der Verbrennung zu. Diese Partikel weisen in wässriger Lösung eine Geno- und Zytotoxizität gegenüber den verwendeten Bakterienkulturen auf. Die zweite Nanopartikelgruppe wird erst nachweisbar, wenn im Verbrennungsgemisch die Rußgrenze überschritten wird. Diese Nanopartikel bilden wahrscheinlich die Grundlage für die Entstehung von Ruß. Mit dieser neuen Erkenntnis entsteht ein tieferes Verständnis für den Prozeß der Rußentstehung.Item Open Access Experimentelle Untersuchung der Selbstzündung wasserstoffreicher Brennstoffe unter Reheat-Bedingungen(2015) Fleck, Julia; Aigner, Manfred (Prof. Dr.)In modernen Verbrennungstechnologien ist zunehmend das Verständnis spontaner Zündprozesse bedeutend, insbesondere in Verbindung mit den heute vermehrt eingesetzten wasserstoff(H2)-reichen Brennstoffen. So kommen in stationären Gasturbinen aktuell vorwiegend mager-vormischende Verbrenunnungssysteme zum Einsatz, um die niedrigen gesetzlichen Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Zündet während des Vormischprozesses von Luft und Brennstoff das entstehende reaktive Gemisch spontan, kann dies bis zur Zerstörung der Brennkammer führen. Denn durch die Zündung kann sich eine stabile Verbrennung in der Vormischzone etablieren, die nicht für solch hohe thermische Belastung ausgelegt ist. In der Vormischzone einer sogenannten Reheat-Brennkammer, die in Alstoms GT24 und GT26 Gasturbinenfamilie eingesetzt wird, liegen spezielle Bedingungen vor. Hier wird der Brennstoff in heißes Abgas, anstatt in Luft, mit Temperaturen von mehr als 1000 K eingemischt. Dies führt insbesondere mit wasserstoffreichen Brennstoffen zu einem unterschiedlichen Selbstzündverhalten verglichen mit konventionellen Gasturbinen-Brennkammern, wo deutlich niedrigere Lufttemperaturen in der Vormischzone vorliegen. Vor diesen Hintergründen zielt die vorliegende Arbeit darauf ab, das Selbstzündverhalten wasserstoffreicher Brennstoffe während des Vormischprozesses bei Reheat-relevanten Bedingungen zu untersuchen. Dies bezieht auch die auf eine Selbstzündung folgende Flammenausbreitung mit ein, die zu einer stabilen Flamme in der Vormischzone führt. Die Versuche wurden in einer generischen, optisch zugänglichen Reheat-Brennkammer durchgeführt, welche in einem Hochdruckbrennkammer-Prüfstand installiert war. So ließen sich technisch relevante Drücke in turbulenter Umgebung realisieren. Es wurden Oxidatortemperaturen zwischen T = 1143 und 1203 K bei Drücken von p = 5, 10 und 15 bar, Strömungsgeschwindigkeiten von u = 200 und 300 m/s und Oxidatorzusammensetzungen entsprechend solchen in einer Reheat-Brennkammer untersucht. In den durch die Mischstrecke strömenden Oxidator wurden unterschiedliche Wasserstoff/Stickstoff- und Wasserstoff/Erdgas/Stickstoff-Gemische quer zur Hauptstömungsrichtung als "Jet-in-Crossflow" zugegeben. Während eines Selbstzündversuches wurden die Mischstrecken-Parameter konstant gehalten und der Wasserstoffgehalt im Brennstoff schrittweise in Richtung eines Sollwertes erhöht, bis sich eine durch Selbstzündung induzierte Flamme in der Mischstrecke stabilisierte. Durch häufiges Wiederholen dieses Vorgangs bei unterschiedlichen Oxidatortemperaturen und Drücken ließ sich der Wasserstoffgehalt bei flammeninduzierender Selbstzündung in Abhängigkeit dieser Parameter ermitteln. Diese Abhängigkeiten stellen die sogenannten Stabilisierungsgrenzen dar. Zudem wurden die Zündereignisse mittels Hochgeschwindigkeits-Messtechnik detektiert, wobei standardmäßig das Lumineszenssignal bei einer Rate von bis zu 30 kHz aufgezeichnet wurde. In einigen Fällen wurden simultane Schattenaufnahmen durchgeführt. Zusätzlich zu den experimentellen Untersuchungen wurden homogen-kinetische Berechnungen bei entsprechenden Randbedingungen in Relation zu den experimentellen Ergebnissen gesetzt. Die Ergebnisse belegen bei allen Drücken eine hohe Temperaturabhängigkeit der Stabilisierungsgrenzen, die bei u = 300 m/s ausgeprägter ist als bei u = 200 m/s. Bei der höheren Geschwindigkeit (u = 300 m/s) und dem höchsten untersuchten Druck (p = 15 bar) konnten unterhalb von rund T = 1173 K die angestrebten H_2-Soll-Konzentrationen (52 bzw. 64 vol.%) ohne Flammenstabilisierung erreicht werden. Für geringere Drücke als 15 bar reduzierte sich der H_2-Anteil bei Flammenstabilisierung, oder er blieb in etwa konstant. Auch dieses Verhalten hing von der Geschwindigkeit in der Mischstrecke ab. Kleine Anteile an Erdgas erhöhten den möglichen Gehalt an H_2 bei vergleichbaren Randbedingungen signifikant, um bis zu rund 35 vol.%. Die beobachteten Verhaltensweisen lassen sich zum Teil anhand der chemischen Kinetik des Wasserstoffsystems erklären, welche neben der hohen Temperatursensitivität unter bestimmten Bedingungen eine komplexe Druckabhängigkeit aufweist. Bezüglich des detaillierten Ablaufs eines Zündprozesses zeigten die Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen, dass ein Selbstzündereignis zunächst in Form eines Zündkerns auftrat. Einige dieser Zündkerne wurden stromab getragen und resultierten nicht in einer stabilen Flamme. Andere, die näher an der Brennstoffzufuhr entstanden, wanderten stromauf und stabilisierten vermutlich in der Nachlaufzone des Brennstoffstrahls. Aufgrund von Beobachtungen des Prozesses von Zündkernentstehung bis hin zu einer stabilen Flamme wurde eine Hypothese über die Flammenausbreitung entwickelt und diskutiert. Gemäß dieser Hypothese beeinflusst ein Zündkern während seiner Entstehung und seines Anwachsens die Bedingungen in der Mischstrecke zugunsten der Entstehung weiterer Zündkerne und der Flammenstabilisierung.Item Open Access Experimentelle Untersuchung magerer laminarer Niederdruckflammen mit periodisch variierender Gemischzusammensetzung(2013) Ax, Holger; Aigner, Manfred (Prof. Dr.)In technischen Anwendungen findet die Verbrennung oft mit inhomogenen Brennstoff/Luft-Gemischen statt. Insbesondere sind thermo-akustische Schwingungen in Gasturbinenbrennkammern mit periodischen Änderungen der Gemischzusammensetzung gekoppelt. Das Verständnis des Einflusses dieser Änderungen auf die Verbrennung ist von großem wirtschaftlichem Interesse, um Verbrennungsinstabilitäten vermeiden und so die Effizienz von Verbrennungssystemen steigern zu können. Gegenstand dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung des Flammenverhaltens laminarer vorgemischter Methan/Luft-Flammen unter dem Einfluss eines periodisch variierenden Brennstoffanteils. Die periodische Variation des Äquivalenzverhältnisses wurde durch die Zufuhr von zusätzlichem Methan in das Frischgasgemisch einer vorgemischten Bunsenflamme realisiert. Um die Struktur der Flammenfront und ihre Reaktion auf die Änderung des Brennstoffanteils experimentell untersuchen zu können, wurden die Flammen mit einer speziellen Brennerkonfiguration bei reduziertem Druck betrieben. Dadurch verbreitert sich die Flammenfront und kann messtechnisch räumlich aufgelöst werden. Ein weiterer Effekt des reduzierten Drucks ist die Möglichkeit, die Zeit- und Längenskalen der Flamme und der Modulation anzunähern und somit die Abhängigkeit der Flammenreaktion von der Frequenz untersuchen zu können. Die eingesetzten Messmethoden waren die phasenaufgelöste Detektion der Chemilumineszenz des OH*-Radikals und der eindimensionalen Laser-Raman-Streuung. Das Signal der OH*-Chemilumineszenz gab Aufschluss über die Form der gesamten Flamme sowie die Position der Reaktionszone. Mit der Laser-Raman-Streuung wurden die Konzentrationen der Hauptspezies und die Temperatur simultan gemessen und quantitativ bestimmt. Durch Abbildung einer Strecke von 7 mm entlang des Laserstrahls sowie durch Höhenverschiebung des Brenners wurden die Profile der Spezieskonzentrationen und der Temperatur entlang der Mittelachse vom Brenneraustritt bis über die Flammenfront hinweg gemessen. Als Referenz wurde zunächst eine stationäre Flamme mit einem Äquivalenzverhältnis von Phi=0,66 bei einem Druck von 70 mbar detailliert untersucht. In einer parametrischen Studie wurde dann das Äquivalenzverhältnis dieser Flamme durch Methanpulse in unterschiedlichen Frequenzen und Mengen periodisch variiert. Mit dem Äquivalenzverhältnis ändern sich zum einen die Wärmefreisetzung und damit die laminare Flammengeschwindigkeit. Zum anderen ändern sich auch der thermo-chemische Zustand und damit die Struktur der Flammenfront. Für ein besseres Verständnis des Reaktionsverhaltens wurden die Zeitskalen der Flammengeschwindigkeit sowie der konvektiven und diffusiven Transportprozesse einzeln untersucht und in Bezug zueinander gesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei niedrigen Frequenzen der Brennstoffanteil im Verlauf einer Periode jeweils für eine gewisse Dauer einen Minimal- und einen Maximalwert annimmt. Der Minimalwert entspricht dabei dem Äquivalenzverhältnis der stationären Flamme. Die Flamme kann der Variation des Brennstoffanteils im Verlauf einer Periode folgen und erreicht jeweils beim Minimum und Maximum der Methankonzentration einen quasistationären Zustand. Mit steigender Frequenz nimmt der Einfluss der Massendiffusion auf die Form der Methanpulse zu. Zum einen nähert sich dadurch die Pulsform einer Sinuskurve an und zum anderen nimmt die effektive Pulsstärke ab, die die Flamme erreicht. Mit zunehmender Frequenz nähert sich auch die Wellenlänge der Anregung der Flammenfrontdicke an. Daraus resultieren Gradienten des Mischungsbruchs innerhalb der Flammenfront während der gesamten Periodendauer. Die innere Struktur der Flammenfront zeigt dabei ein phasenabhängiges Reaktionsverhalten, das zu keinem Zeitpunkt einer Periode durch einen stationären Zustand beschrieben werden kann. Dies wird am Beispiel einer Flamme bei einer Anregungsfrequenz von 40 Hz verdeutlicht. Durch das komplexe Zusammenwirken der verschiedenen Effekte von Strömungsgeschwindigkeit und Flammengeschwindigkeit variiert die Höhe der Kegelflamme unabhängig von der Pulsstärke ab einer Frequenz von 40 Hz nicht mehr. Abschließend wurde eine Flamme mit besonders starker Modulation des Äquivalenzverhältnisses untersucht. Durch kurzzeitiges Ausschalten des Methanmassenstroms sank der Brennstoffanteil in der Flamme unter die magere Zündgrenze, sodass die Flamme verlosch. Durch den kontinuierlichen Wärmeeintrag aus einer ringförmigen Halteflamme zündete die Flamme wieder, sobald das Äquivalenzverhältnis wieder über die Zündgrenze gestiegen war. Die beiden Phänomene des Verlöschens und Zündens ließen sich so fortlaufend phasenaufgelöst untersuchen. Mit den gewonnenen Ergebnissen liegt ein einzigartiger experimenteller Datensatz vor, der zum einen detaillierte Einsicht in das Flammenverhalten bei Änderung des Äquivalenzverhältnisses gewährt, und zum anderen die Validierung numerischer Modelle zur Beschreibung von Verbrennungsprozessen ermöglicht.Item Open Access Experimentelle Untersuchungen und Analyse zum Einfluss der Brennstoffzusammensetzung auf das Zündverhalten von gasturbinen-typischen Vormischbrennern(2009) Koch, Andreas; Aigner, Manfred (Prof. Dr.)In stationären Gasturbinen ist wegen der strengen Emissionsvorgaben insbesondere der Stickoxide die magere Vormischverbrennung weit verbreitet. Die gute Vermischung von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung reduziert lokale Flammentemperaturen und damit die Bildung von Stickoxiden. Gleichzeitig ist dieses System jedoch anfällig für Flammenrückschläge und Selbstzündung. Beide Prozesse können zu Schäden oder gar der Zerstörung der Brenner führen.Ziel der vorgestellten Arbeit ist es, den Selbstzündprozess besser zu verstehen und einen Beitrag zur Vorhersage von Selbstzündungen zu leisten. Der Einfluss der Gaszusammensetzung auf den Zündprozess ist dabei von zentraler Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wurde der Selbstzündprozess in Hochdruckexperimenten unter gasturbinen-relevanten Bedingungen untersucht. Für die Messungen wurde ein generischer Brenner mit seitlicher Eindüsung des Brennstoffes von etwa 450 K und in variierter Zusammensetzung eingesetzt. Die Vormischzone des Brenners war optisch zugänglich. Die Selbstzündung wurde durch Erhöhung der Vorwärmtemperaturen hervorgerufen und durch eine Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Mit dieser Methode wurden Selbstzündungen für Drücke zwischen 5 und 30 bar sowie Vorwärmtemperaturen der Luft zwischen 800 und 1150 K erfasst. Der Einfluss der Gaszusammensetzung wurde durch die Zugabe von bis zu 25 Volumenprozenten Propan zu Erdgas vom Typ H untersucht. Über eine detaillierte Analyse der beteiligten chemischen Reaktionen, insbesondere für die längerkettigen Kohlenwasserstoffe, konnten die wichtigsten Spezies und Reaktionspfade der Oxidation längerkettiger Kohlenwasserstoffe identifiziert werden. Basierend auf den durchgeführten Experimenten und der begleitenden Studie des Reaktionsverlaufes wird eine Methode vorgestellt, die es erlaubt, den Einfluss der Turbulenz auf die Selbstzündung zu beschreiben. Da hierzu eine möglichst exakte Beschreibung der Vermischung innerhalb der turbulenten Strömung notwendig ist, wurde die Mischströmung aus Brennstoff und Luft mithilfe von Laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) vermessen. Die Ergebnisse dieser Messungen erlaubten eine Validierung der numerischen Simulation der Mischströmung und die Ermittlung des meist geeigneten Modells im Hinblick auf die Rechendauer und die Übereinstimmung von Experiment und Simulation. Im Experiment sank die Luftvorwärmtemperatur, bei der erstmalig Zündungen im Mischkanal auftreten, mit zunehmendem Druck, erhöhte sich die Luftvorwärmtemperatur mit zunehmender mittlerer Strömungsgeschwindigkeit im Kanal und sank mit zunehmendem Äquivalenzverhältnis. Fügte man bei gleichem Äquivalenzverhältnis Propan zum Erdgas hinzu, so sank die für die Zündung notwendige Vorwärmtemperatur der Luft. Diese Abhängigkeit der Selbstzündung von Druck, Temperatur und Zusammensetzung bestätigt die Vorhersagen des betrachteten Reaktionsmechanismus in Hinblick auf die Zündverzugszeiten homogener Gemische. Im turbulent durchströmten Mischkanal sind die chemischen Reaktionen vom Mischungsprozess überlagert. Diese Wechselwirkung bestimmt neben dem Mischungsgrad die Temperatur und Zusammensetzung orts- und zeitabhängig im Mischkanal. Aus der Berechnung der Zündverzugszeiten für verschiedene Kombinationen von Gaszusammensetzung und Temperatur im Mischkanal lässt sich ein schnellstzündendes Gemisch aus Brennstoff und Luft in Abhängigkeit der Eintrittsbedingungen der beiden Teilströme ableiten. Das schnellstzündende Gemisch wird von den Eintrittsbedingungen von Luft und Brennstoff, insbesondere deren Eintrittstemperatur bestimmt. Die längerkettigen Kohlenwasserstoffe mit ihren besonderen Charakteristika in der Niedertemperaturoxidation, die als "cool flames" und "negative temperature coefficient (NTC)" bezeichnet werden, zeigen große Variationen in der Zusammensetzung der schnellstzündenden Mischung aus Brennstoff und Luft. Die Anwendung des vorgestellten Reaktionsmechanismus demonstriert, dass insbesondere die Wahl der Eintrittstemperaturen im Verhältnis zum Temperaturbereich des NTC-Verhaltens bestimmen, ob ein fettes oder mageres Brennstoff-Luft-Gemisch schneller zündet. Hieran wird der Hauptunterschied der Zündeigenschaften von Methan und längerkettigen Kohlenwasserstoffen deutlich. Diese Unterschiede führen bei längerkettigen Kohlenwasserstoffen im Niedertemperaturbereich, der typischerweise unterhalb von 900 K liegt, zu sehr viel kürzeren Zündverzugszeiten. Sowohl experimentell als auch numerisch konnte der Einfluss der längerkettigen Kohlenwasserstoffe auf die Selbstzündung belegt werden. Die Selbstzündung trat dabei im typischen Vorwärmtemperatur- und Druckbereich von Gasturbinenbrennern bei deutlich geringeren Temperaturen auf als dies durch einige der etablierten Reaktionsmechanismen vorhergesagt wurde. Innerhalb der hier vorgestellten Untersuchungen konnte ein Reaktionsmechanismus identifiziert werden, der angemessen die experimentell ermittelten Zusammenhänge zur Selbstzündung beschreibt.Item Open Access Systematic accuracy assessment for alternative aviation fuel evaporation models(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2018) Rauch, Bastian; Aigner, Manfred (Prof. Dr.)Environmental and security of supply concerns cause an increasing demand for alternative fuels in aviation. Different fuel production pathways for alternative aviation fuels have been suggested and approved in recent years. In that respect, changes in fuel production can result in various fuel compositions and properties and thus impose a risk for the use in the aircraft and jet engine; the ASTM D4054 approval process was developed to warrant the safety of flight. Nevertheless, tests are expensive and time-consuming. Particularly for the combustion testing part, numerical simulations can be beneficially used to reduce costs and time. Furthermore, virtual prototyping and robust design methods might be essential in supporting the design of fuel flexible combustion chamber with reduced emissions. The use of simulation in the context of decision making in situations with risks related to humans and the environment raises the questions how reliable and accurate simulations results are. In this work, new methods are applied that have been developed for scientific computing. The focus of these methods is on supporting simulation informed risk-related decision making as the final recipient of validation activities. Hereby, it is of essential importance that metrics describing the accuracy of the models over the domain of application are inferred systematically. Furthermore, by reporting the influence of uncertainties in input quantities on the response quantities, the reliability of the simulation results can be increased substantially. Evaporation is an important sub-process of the fuel preparation in a combustion chamber and depends strongly on the fuel composition and properties. Conventional Jet A-1 and most alternative aviation fuels consist of several hundred of different species. Continuous Thermodynamic Models (CTM) have been successfully used in recent years to describe multicomponent-fuel droplet evaporation of real fuels. CTM capture the details of the fuel evaporation while preserving the information of the fuel composition over the evaporation process with low computational load. Up to the present, validation activities have been performed by comparing numerical simulation results with experimental data from suspended droplets experiments. These tests proved the functionality of the concepts successfully. However, the fuel composition was unknown, and the droplet suspension had a strong intrusive effect. Thus, the validations are limited to qualitative statements. In this work, a validation domain was derived from the character of actual and future alternative aviation fuels to determine quantitative metrics for alternative aviation fuel evaporation models systematically. Experiments with different fuels from the validation domain were performed in a newly designed experiment. The validation experiment enables to study the evaporation of a wide range of fuels under controlled conditions in a non-intrusive way. Global and local metrics for the evaporation models were inferred. The effect of uncertainties in the spray injection conditions on simulation results was determined by using Latin Hypercube Sampling to sample the input domain and to propagate the uncertainties through the governing equations. The resulting uncertainties in the simulation result can be interpreted as the precision of the validation approach. Validation metrics, as well as the precision, give future users (modeler, analyst and decision maker) all information required to assess the model adequacy for the intended use and, if necessary, to determine next actions to improve the model or the validation experiment.Item Open Access Weiterentwicklung und Anwendung der Laser-Raman-Streuung zur Untersuchung industrieller Vormischflammen in einer Hochdruckbrennkammer(2014) Stopper, Ulrich; Aigner, Manfred (Prof. Dr.)Diese Dissertation beschreibt die Anpassung der 1D-Laser-Raman-Spektroskopie an einen Hochdruckbrennkammerprüfstand und die damit ermöglichte Untersuchung industrieller Gasturbinenflammen. Die Durchführung von Hochdruckexperimenten erforderte die Entwicklung einer Brennkammer mit großen optischen Zugängen, den erstmaligen Einsatz eines mobilen Raman-Messsystems am Prüfstand, den Aufbau einer zweidimensional beweglichen Fokussier- und Detektionsvorrichtung sowie die Anpassung des Kalibrierverfahrens an das Druckmodul. Die Weiterentwicklung des Auswerteverfahrens beinhaltete automatische Korrekturen von mechanisch bedingten Dejustagen und von Fehlern im Rohsignal, die durch die Trübung der Brennkammerfenster im Flammenbetrieb verursacht wurden. Bevor das 1D-Raman-Messsystem zum Einsatz kam, wurden die Erdgas-Luft-Flammen eines industriellen Gasturbinenbrenners mit ergänzenden Messtechniken untersucht. Dazu gehörten Strömungsfeldmessungen mit Particle Image Velocimetry (PIV), Untersuchungen der Flammenstruktur anhand der Chemolumineszenz elektronisch angeregter OH-Radikale und der planaren laserinduzierten Fluoreszenz (PLIF) von OH. Der Parameterbereich umfasste Drücke bis 6 bar, thermische Leistungen bis 1 MW und Reynolds-Zahlen bis 1,2·10^5 bei Luft-Äquivalenzverhältnissen zwischen 1,5 und 2,0. Die Ergebnisse der Geschwindigkeitsmessungen zeigen eine große innere Rezirkulationszone, starke turbulente Fluktuationen in den Scherschichten und Hinweise auf einen schnell rotierenden Axialwirbel. Mit den Chemolumineszenzaufnahmen ließ sich analysieren, wie die räumliche Verteilung der Flammenzone auf Variationen der Betriebsparameter reagiert. Die PLIF-Einzelaufnahmen zeigen stark gefaltete Flammenfronten. Anhand der OH-Radikal-Verteilung wurden auch Hinweise darauf gefunden, dass Selbstzündung, lokale Verlöschung und Effekte der Zündverzugszeit eine Rolle bei der Flammenstabilisierung spielen. Nach diesen Voruntersuchungen wurde das 1D-Raman-Experiment aufgebaut und durchgeführt. Im Rahmen dieser Dissertation erfolgten zum ersten Mal quantitative Raman-Messungen an Hochdruckflammen unter anwendungsnahen Bedingungen. Diese lieferten Informationen über die Stoffmengenanteile der Hauptspezies, den Mischungsbruch, die Temperatur und den Reaktionsfortschritt. Zu den Ergebnissen zählen zweidimensionale räumliche Mittelwertverteilungen, einzelschussbasierte statistische Verteilungen und 8 mm lange Einzelschussprofile. Raman-Messungen im Bereich der Brennstoff-Luft-Vormischung erlaubten eine quantitative Analyse der Homogenität der Mischung. Innerhalb der Flammenzone wurde ein hoher Anteil intermediärer thermochemischer Zustände gefunden, deren Temperaturen und chemische Zusammensetzungen zwischen denen von Frischgas und Abgas liegen. Darüber hinaus war es möglich, den Einfluss von Betriebsparametern auf die räumliche Verteilung des Reaktionsfortschritts zu ermitteln. Die gewonnenen Messergebnisse eignen sich zur Validierung numerischer Simulationen.