06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Entwicklung eines jet-stabilisierten Brennkammersystems für niederkalorische Brennstoffzellenabgase(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Bücheler, Sandro; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Eine Technologie, welche die Ansprüche eines hocheffizienten und sauberen Kraft-Wärme-Kopplungssystems mit höchster Last- und Brennstoffflexibilität verspricht, ist das sogenannte SOFC/MGT-Hybridkraftwerk. Bei diesem Konzept wird eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) mit einer Mikrogasturbine (MGT) kombiniert, um die hochtemperierten und niederkalorischen SOFC-Abgase für die weitere Energieumwandlung in der nachgeschalteten Mikrogasturbine zu nutzen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen wesentlichen Beitrag zur Realisierung eines Hybridkraftwerks durch die Entwicklung eines geeigneten Brennkammersystems zu leisten, welches die Kopplung der beiden Teilsysteme SOFC und MGT ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf der Entwicklung eines kompakten Brennkammerprototypen, der sowohl den Anforderungen einer SOFC als auch denen einer Mikrogasturbine genügt. Zum Nachweis der Funktionalität und zur Ermittlung des Betriebsbereichs des Brennkammerprototypen unter Verwendung von SOFC-Abgasen werden atmosphärische Brennkammerversuche durchgeführt. Die Ergebnisse aus den OH* Chemolumineszenz- und Abgasemissionsmessungen werden im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert. Desweiteren werden zur Validierung der verwendeten CFD-Methoden für die Auslegung mit SOFC-Abgasen die Simulationsergebnisse mit den Messungen im atmosphärischen Prüfstand verglichen. Um für den Aufheizvorgang des Hybridkraftwerks Erdgas als Brennstoff einsetzen zu können, werden weitere Versuche unter Verwendung von Erdgas durchgeführt und vorgestellt. Abschließend werden die im Rahmen dieser Arbeit geleisteten Fortschritte in der Entwicklung eines Brennkammersystems für das Hybridkraftwerk zusammengefasst und diskutiert.Item Open Access Reaction mechanism development and numerical modeling of biomass gasification process(2021) Fernando, Niranjan; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Item Open Access Quantification and mitigation of PIV bias errors caused by intermittent particle seeding and particle lag by means of large eddy simulations(2021) Martins, Fabio J. W. A.; Kirchmann, Jonas; Kronenburg, Andreas; Beyrau, FrankIn the present work, a standard large eddy simulation is combined with tracer particle seeding simulations to investigate the different PIV bias errors introduced by intermittent particle seeding and particle lag. The intermittency effect is caused by evaluating the velocity from tracer particles with inertia in a region where streams mix with different seeding densities. This effect, which is different from the vastly-discussed particle lag, is frequently observed in the literature but scarcely addressed. Here, bias errors in the velocity are analysed in the framework of a turbulent annular gaseous jet weakly confined by low-momentum co-flowing streams. The errors are computed between the gaseous flow velocity, obtained directly from the simulation, and the velocities estimated from synthetic PIV evaluations. Tracer particles with diameters of 0.037, 0.37 and 3.7 µm are introduced into the simulated flow through the jet only, intermediate co-flowing stream only and through both regions. Results quantify the influence of intermittency in the time-averaged velocities and Reynolds stresses when only one of the streams is seeded, even when tracers fulfil the Stokes-number criterion. Additionally, the present work proposes assessing unbiased velocity statistics from large eddy simulations, after validation of biased seeded simulations with biased PIV measurements. The approach can potentially be applied to a variety of flows and geometries, mitigating the bias errors.Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchung einer inversen Mikrogasturbine(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2020) Agelidou, Eleni; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access A study on auto-ignition of poly(oxymethylene) dimethyl ethers and their mixtures with the primary reference fuel 90(2023) Ngugi, John Mburu; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat)Presently, the transportation sector is struggling to reduce its share of fossil fuels, by employing renewable fuels which are carbon-neutral and, in addition, may reduce engine-out emissions of soot and particulate matter. Among the renewables, poly(oxymethylene) dimethyl ethers (OMEn, n = 1-5; collectively named as OMEs) have an excellent soot reduction potential and can act as a drop-in fuel component in conventional engines due to their high cetane numbers and fast evaporation rates. A comprehensive understanding of the fundamental combustion properties of OMEs, such as ignition delay times (IDTs) and laminar burning velocities (LBVs), is essential for the evaluation of their engine application potential and the development of safer and more fuel-efficient engines (LBVs). In this work, IDTs of stoichiometric mixtures of dimethyl ether (OME0), OME1, OME2, iso-OME2 (trimethyl orthoformate, i.e., HC(OCH3)3), and OME4 with synthetic air diluted 1:5 with nitrogen were measured behind reflected shock waves in a shock tube at T = 800-2000 K for atmospheric (1 bar) and elevated pressures at 4 and 16 bar. In addition, since OMEs are discussed as suitable alternative blending compounds for fossil-based fuels, the effect of the addition of OME1, OME2, and iso-OME2 to a gasoline surrogate, the primary reference fuel 90 (PRF90: 90% iso-octane + 10% n-heptane by liquid vol.), on IDTs was investigated. In detail, IDTs of mixtures of PRF90 / synthetic air and of blends (by liquid vol.) of 70%OME1 + 30% PRF90, 70%OME2 + 30% PRF90, and 70% iso-OME2 + 30% PRF90 with synthetic air, all diluted 1:5 with nitrogen at stoichiometric condition, were measured in a shock tube in the temperature range T = 950-2000 K for pressures between 1-16 bar. The experimentally determined IDT data sets have been compared with the results of predictions made using the in-house reaction DLR-Concise model by Kathrotia et al. [1] and public domain reaction models taken from the literature. Furthermore, the data obtained for IDTs of the neat and blended fuels are supplemented with corresponding experimental data for the laminar burning velocities (LBVs) published by Ngugi et al. [2-6]. These measurements were performed using the cone angle method at p / bar = 1, 3, and 6, fuel-air ratios (φ) ranging between 0.6 and 1.8, and at a constant preheat temperature of 473 K. The results obtained are augmenting the data sets for evaluating the performance of the used reaction models. The comparison of the experimental data obtained under similar conditions for the IDTs - as well as for the LBVs of pure OMEs (OME0, OME1, OME2, and OME4)-are made to bring out the effect of chain length on the reactivity of OMEs. The measured values for IDTs of the four OMEs converge at temperatures above 1450 K independent of pressure, whereas at temperatures below 1450 K, the measured IDTs are shortest for OME4 and longest for OME0 (DME). From this observation, it is concluded that the reactivity of OMEs increases with an increase in the chain length. This finding is supported by the results of laminar burning velocity measurements, which are highest for OME4 at all pressures and over the entire equivalence ratio range considered. Further, the IDT data for OME2 and OME4 are close for all the conditions investigated indicating that for OMEs, the increase in reactivity is reducing as chain length increases. Similar to this, LBV values of OME2 and OME4 are close for φ ≤ 1.0. The comparison between measurements and predictions using DLR-Concise [1], Cai et al. [7], and Niu et al. [8] models reveal that the three models satisfactorily predict the measured IDTs of pure OMEs for most of the conditions. On the other hand, larger deviations were observed between measured and calculated laminar flame speeds (LFSs) for most of the OME-air mixtures and conditions covered. The measured IDT data revealed that OME2 and OME4 exhibit a pre-ignition behavior at T ≤ 1100 K, particularly at 4 and 16 bar, as demonstrated by an earlier increase in OH* and CH* before the main ignition. A strong perturbation on the pressure profile due to pre-ignition heat release was also observed. The comparison between measurements and predictions using the DLR-Concise [1] as well as the models of Cai et al. [7] and Niu et al. [8] indicates that the models satisfactorily predict the main ignitions within experimental uncertainty. Further, the models of Cai et al. [7] and Niu et al. [8] adequately account for the pre-ignition behavior observed in the measurements. The results show that pre-ignition is a consequence of the reaction behavior at low temperatures. Since the low-temperature chemistry is absent in the DLR-Concise mechanism, the modeling results do not show pre-ignition. The comparison of the measured data for iso-OME2 and OME2 shows that the two fuels have similar IDTs. Similar to the IDTs, the measured LBVs of iso-OME2 and OME2 are relatively similar in the fuel-lean up to the stoichiometric domain. However, under fuel-rich conditions, the LBVs of OME2 are significantly higher, i.e., by up to 30% at fuel-air ratio φ > 1.50 and 1 bar. For all pressures, the DLR-Concise model matches the measured ignition delay times data of iso-OME2 for T ≥ 1250 K, but overpredicts the measured LBVs in the whole stoichiometry regime. The results obtained for the blended fuels are compared to those of the pure fuels (OME1, OME2, and iso-OME2) and PRF90 for the same conditions. The results show that IDTs of the fuel blends (OME1 / PRF90, OME2 / PRF90, and iso-OME2 / PRF90) are shorter than those of PRF90 and longer than those of the pure OMEs, showing that the addition of OMEs increases the reactivity of PRF90 since the reactivity of pure OMEs is significantly higher than that of PRF90. This finding is also demonstrated by an increase in the LBVs of the fuel blends [2-6]. The impact of increasing the OME1 fraction from 0-100% on the IDTs of OME1 / PRF90 blends is inferred from measurements as well as from predictions with the DLR-Concise model. The results show that IDTs of the blends decrease in a weakly non-linear fashion by increasing OME1 fractions from 0-50%. The reduction of IDTs of the blend is stronger for blends with over 50%OME1 fractions. The comparison of measured and predicted data showed that the DLR-Concise model satisfactorily reproduced the experimental data for IDTs and LBVs of the blended and the neat fuels within the experimental uncertainty. In the current study, significant new data for ignition delay time data of pure OMEs (OME0, OME1, OME2, iso-OME2, and OME4) and of blends of OME1, OME2, and iso-OME2 with a gasoline surrogate (PRF90) in the mid- to the high-temperature regime (T = 800-2000 K) at atmospheric (1 bar) and elevated pressures at 4 and 16 bar were obtained. In particular, this work characterizes pre-ignition behavior, which was observed in the shock tube experiments in the low-temperature regime. The results make it possible to test the implementation of low-temperature chemistry of OME2 and OME4 in the chemical kinetic reaction models. The results of this systematic analysis of the five neat fuels and the blended fuels under consideration have broadened the experimental data sets in terms of the chosen experimental conditions (pressure, temperature, and fuel-to-air ratio) required for rigorous testing, thus improving chemical kinetic models focusing on fundamental combustion properties for OMEs.Item Open Access Implementierung eines Verfahrens höherer Ordnung zur numerischen Simulation reaktiver Strömungen auf unstrukturierten Rechengittern(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2024) Setzwein, Florian; Gerlinger, Peter (apl. Prof. Dr.-Ing.)Diskretisierungsverfahren hoher Ordnung, die sich auf unstrukturierten Rechengittern einsetzen lassen, bieten ein großes Potential zur Reduzierung der Rechenzeiten von detaillierten Grobstruktursimulationen. Gleichzeitig lässt sich gegenüber strukturierten Diskretisierungsansätzen eine hohe geometrische Flexibilität für die Generierung der Rechengitter realisieren. Viele Verfahren, die eine höhere Rekonstruktionsordnung auf unstrukturierten Gittern ermöglichen, beruhen auf der Einführung von zusätzlichen Freiheitsgraden innerhalb der Berechnungselemente. Ihre Implementierung in etablierte Finite-Volumen Strömungslöser ist jedoch aufgrund großer Unterschiede in den Datenstrukturen mit einem hohen Aufwand verbunden. Doch auch unstrukturierte Finite-Volumen Verfahren, welche eine höhere räumliche Fehlerordnung durch eine nicht-kompakte Rekonstruktion ermöglichen, verlangen einen hohen Implementierungsaufwand, um eine parallele Skalierbarkeit zu realisieren. Ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der räumlichen Genauigkeit von etablierten unstrukturierten Finite-Volumen-Lösern stellt das k-exakte Multi-Korrekturverfahren dar. Der Schlüssel der Methode ist eine sukzessive Korrektur von approximativen Green-Gauss-Ableitungen, die eine Rekonstruktion hoher Ordnung mit guten Parallelisierungseigenschaften und einem moderatem Implementierungsaufwand ermöglicht. In dieser Arbeit wird der k-exakte Multi-Korrekturansatz, welcher ursprünglich für kompressible Strömungsprobleme und für zellzentrierte Rechengitter entwickelt wurde, für die Anwendung auf einer knotenzentrierten Gitterrepräsentation erweitert und für die Exaktheiten k = 1 und k = 2 in den DLR Strömungslöser ThetaCOM implementiert. Des Weiteren wird die Methode mit einem Druckkorrektur-Verfahren für die zeitgenaue Diskretisierung der Erhaltungsgleichungen reaktiver Fluide bei niedrigen Mach-Zahlen kombiniert. Hierfür werden entsprechende Korrekturterme hergeleitet. Des Weiteren wird die in ThetaCOM implementierte Approximation der konvektiven und diffusiven Flüsse mit dem k-exakten Rekonstruktionsansatz vereint. Für die Berechnung der konvektiven Flüsse wird außerdem ein Ansatz vorgestellt, mit dem sich die Bestimmung der numerischen Dissipation zur Stabilisierung des Verfahrens auf ein Minimum reduzieren lässt. Dieser beruht auf der Herleitung einer Stabilitätsgleichung, welche aus einer Von-Neumann-Stabilitätsanalyse für eine lineare Advektions-Diffusion-Gleichung hervorgeht und deren Lösung zur Beschleunigung des Verfahrens indirekt in einem Verbund aus kompakten neuronalen Netzwerk-Modellen tabelliert wird. Dieser Ansatz wird mit einem Verfahren zur Gradientenlimitierung gekoppelt, um mit dem Diskretisierungsverfahren eine akkurate Auflösung von steilen Lösungsgradienten zu ermöglichen, welche in Verbrennungssimulationen in unmittelbarer Nähe zur Flammenfront auftreten. Für das implementierte Multi-Korrekturverfahren wird die räumliche Genauigkeit der verschiedenen numerischen Operatoren durch zahlreiche kanonische Testfälle verifiziert. Es wird gezeigt, dass sich die räumlichen Gradienten der Feldgrößen infolge der k-exakten Korrekturen mit einer wesentlich höheren Genauigkeit approximieren lassen. Des Weiteren lässt sich der diffusive Transport durch beide Schemata mit einer zweiten räumlichen Fehlerordnung und der konvektive Transport für k = 1 und k = 2 mit jeweils einer zweiten beziehungsweise dritten Fehlerordnung approximieren. Durch die Simulation zahlreicher laminarer und turbulenter Strömungsprobleme werden die beiden k-exakten Diskretisierungsverfahren mit experimentellen und numerischen Referenzdaten aus der Literatur validiert. Dabei wird der Einfluss der höheren Ordnung auf die räumliche Genauigkeit im Vergleich zu einem konventionellen Diskretisierungsverfahren beleuchtet. Hierbei wird insbesondere das Potential der beiden k-exakten Verfahren hinsichtlich der Einsparung von Rechenzeit und Freiheitsgraden dargestellt, sowie deren Fähigkeit zur Erhaltung der parallelen Skalierungseigenschaften von ThetaCOM. Ein weiterer Fokus liegt auf dem neuen Ansatz zur adaptiven Bestimmung der numerischen Dissipation und dessen Kopplung mit der implementierten Methode zur Gradientenlimitierung. Im Vergleich zur Rekonstruktion hoher Ordnung mit einer konstanten numerischen Dissipation liefert die vorgestellte adaptive Methode konsistente und genaue Ergebnisse, unabhängig vom Strömungsproblem und ohne eine Feinjustierung von empirischen Parametern. Abschließend wird für den Testfall einer turbulenten Wasserstoff-Luft-Diffusionsflamme demonstriert, dass sich beide Verfahren zur Simulation von turbulenten, reaktiven Strömungen auf vollständig unstrukturierten Rechengittern einsetzen lassen und eine deutliche Verbesserung des Simulationsergebnisses im Vergleich zu einem konventionellen Diskretisierungsansatzes bewirken.Item Open Access Uncertainty quantification in the simulation of turbulent spray combustion(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Enderle, Benedict; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Um risikobehaftete Entscheidungen in der simulationsbasierten Entwicklung von Flugzeugkomponenten treffen zu können, müssen Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen systematisch mitberücksichtigt werden. Dies betrifft insbesondere Entscheidungen mit weitreichenden Konsequenzen hinsichtlich finanzieller Risiken, Sicherheit im Betrieb sowie letztlich Menschenleben. Eine Anwendung der simulationsbasierten Entwicklung, der eine Vielzahl an Unsicherheiten mit komplexen Simulationsmodellen und einer großen Auswirkung auf die Systemleistung- und Sicherheit kombiniert, ist die Simulation von Verbrennungsprozessen in Triebwerksbrennkammern. Da die Qualität des Brennstoffsprays den Verbrennungsprozess signifikant beeinflusst, sind Unsicherheiten in den Randbedingungen für das Brennstoffspray eine Hauptquelle für Unsicherheiten in solchen Simulationen. Aufgrund des hohen Rechenzeitaufwands für deren Quantifizierung werden diese Unsicherheiten momentan noch nicht mit in die Simulation einbezogen. Auch wenn die Notwendigkeit der Quantifizierung von Unsicherheiten in Verbrennungssimulationen bereits identifiziert wurde, lassen sich nur wenige Anwendungsbeispiele in der Literatur finden. Ziel dieser Arbeit ist daher, aktuelle Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten auf Simulationsprobleme aus dem Bereich der turbulente Sprayverbrennung anzuwenden. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Quantifizierung von Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen aufgrund von unvollständigem Wissen bei der Konstruktion der Sprayrandbedingungen. Mögliche Unsicherheiten in den Eingangs- und Ausgangsgrößen werden mittels Wahrscheinlichkeitstheorie charakterisiert. Die Ausbreitung der Unsicherheiten durch die komplexen Simulationsprobleme werden mit einem effizienten, nichtintrusiven Workflow analysiert, welcher auf Surrogatmodellen aufbaut. Durch den Einsatz von Surrogatmodellen wird das komplexe Simulationsmodell in einem eingeschränkten Parameterbereich mittels eines Modells reduzierter Komplexität approximiert. Dieses Verfahren reduziert den Rechenaufwand drastisch, insbesondere bei einer hohen Anzahl an unsicheren Eingangsgrößen. Die Methodik wird auf zwei Testfälle mit unterschiedlicher Komplexität angewandt. Zuerst wird eine Ethanolsprayflamme im Labormaßstab betrachtet, für die umfangreiche experimentelle Daten vorliegen. Der einfache Aufbau des Experiments sowie die Möglichkeit, diese Flamme mit stationären Simulationen bereits gut abbilden zu können ermöglicht eine detaillierte Analyse des Testfalls sowie der verwendeten Methodik. In einer Screening-Studie werden die unsicheren Parameter der Simulation priorisiert, woraus sich eine Reduktion auf die einflussreichsten Parameter ergibt. Anhand des Testfalls werden zwei unterschiedliche Surrogatmodelle verglichen und analysiert. Durch die Berechnung der Wahrscheinlichkeitsgrenzen für die Temperaturprofile können umfangreiche Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen im Bereich der Reaktionszone identifiziert werden. Mittels einer anschließenden Sensitivitätsanalyse kann der Hauptteil dieser Unsicherheiten auf Unsicherheiten hinsichtlich des Öffnungswinkels der Spraykegels zurückgeführt werden. Um die Methodik zur Quantifizierung von Unsicherheiten auch in einer technisch relevanten Problemstellung zu bewerten, wird anschließend ein drallstabilisierter Spraybrenner betrachtet, der einige der wesentlichen Eigenschaften moderner Triebwerksbrennkammern aufweist. Um kostspielige Experimente zur Charakterisierung der Sprayrandbedingung zu vermeiden, wird ein algebraisches Primärzerfallsmodell zur Berechnung der Sprayrandbedingung verwendet. Die daraus resultierende Datenlücke wird mittels Wahrscheinlichkeitstheorie als Unsicherheit charakterisiert. Aufgrund ihrer besonderen Bedeutung im Entwurfsprozess von Brennkammern werden die Flammenposition und die Temperaturverteilung als Hauptindikatoren betrachtet. Die systematische Quantifizierung der Unsicherheiten zeigt moderate Unsicherheiten der Simulation hinsichtlich der Flammenposition und Temperaturverteilung. Anhand von Genauigkeitsmetriken wird schließlich die Vorhersagefähigkeit der Simulation unter den gegebenen Unsicherheiten abgeschätzt. Beide Testfälle zeigen erfolgreich das Potential von Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten in der Simulation turbulenter Sprayverbrennung. Aus dem ersten Testfall kann gefolgert werden, dass die Identifizierung und umfassende Charakterisierung möglicher Quellen von Unsicherheiten in den Entwurf von Validierungsexperimenten eingeschlossen werden sollten. Der zweite Testfall zeigt deutlich den Mehrwert der systematischen Quantifizierung von Unsicherheiten auf, wenn nur begrenztes Wissen hinsichtlich der Sprayrandbedingungen vorhanden ist. Da diese Wissenslücke klar in den Simulationsergebnissen wiedergespiegelt wird, können aus dem Vergleich mit den geforderten Leistungsparametern Risiken quantitativ identifiziert werden. Mit dieser zusätzlichen Information kann die simulationsbasierte Entscheidungsfindung im Entwicklungsprozess systematisch unterstützt und schließlich ausgeweitet werden, beispielsweise auf die virtuelle Zertifizierung von Flugzeugkomponenten.Item Open Access Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines Betriebskonzepts für die Mikrogasturbine in einem MGT/SOFC Hybridkraftwerk(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2020) Hohloch, Martina; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Ein Hybridkraftwerk, eine Kopplung von Gasturbine (GT) und Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), bietet langfristig gesehen den höchsten elektrischen Wirkungsgrad. Durch seine gute Skalierbarkeit ist das Hybridkraftwerk sowohl im dezentralen Bereich als auch im Bereich der Großkraftwerke einsetzbar. Hierbei können je nach Anlagengröße elektrische Wirkungsgrade von 60 % bei kleinen Anlagen bis hin zu 70 % bei Großanlagen erreicht werden. Die Firma Siemens Westinghouse konnte mit einem Demonstrator bereits im Jahre 2000 die generelle Machbarkeit eines Hybridkraftwerks zeigen. Die Firma Mitsubishi Hitachi Power Systems führt seit 2016 Demonstrationstests durch. Für die Weiterentwicklung des Hybridkraftwerks und für das Verständnis der Zusammenhänge im System ist jedoch, aufgrund der Unterschiede der beiden Subsysteme Gasturbine und SOFC, noch ein hoher Forschungsaufwand notwendig. Während bei Gasturbinen typischerweise hohe Druck- und Temperaturgradienten auftreten, stellt die SOFC ein träges System dar, bei dem strenge Limitierungen in den genannten Gradienten sowie Druckdifferenzen einzuhalten sind. Um bei der Untersuchung der einzelnen Subsysteme unter Hybridkraftwerksbedingungen das Risiko einer Beschädigung der jeweiligen anderen Komponente zu umgehen, bietet sich der Einsatz von Hybridkraftwerksversuchsanlagen an, bei welchen ein Subsystem durch einen Simulator ersetzt wird, der die Eigenschaften der realen Komponente möglichst genau nachbilden kann. Prinzipiell sind in einem Hybridkraftwerk unterschiedliche Verschaltungen der Subsysteme denkbar. Dabei kann die SOFC unter Druck oder atmosphärisch betrieben werden. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurden mittels numerischer Untersuchungen verschiedene Varianten hinsichtlich Wirkungsgrad und Betriebsbereich analysiert. Als Basis für die Simulationen wurde eine kommerziell erhältliche Turbec T100PH Mikrogasturbine (MGT) mit einer elektrischen Leistung von 100 kWel und ein tubulares SOFC System der Firma Siemens ausgewählt. Dabei zeigte sich, dass der höchste elektrische Wirkungsgrad erreicht werden kann, wenn die SOFC in den Gasturbinenkreislauf zwischen Rekuperator und Turbine integriert wird. Die SOFC sollte dabei eine Größe von 1152 Zellen haben um einen möglichst großen Betriebsbereich zu bieten. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines Betriebskonzepts für die Turbec T100PH Mikrogasturbine in einem MGT/SOFC Hybridkraftwerk. Dabei sollten das bestehende Steuerungs- und Regelungssystem und die Komponenten der originalen Mikrogasturbine mit nur möglichst geringen Modifikationen übernommen werden. Das Betriebskonzept umfasst den Start, Aufheiz- und Abkühlvorgänge an der SOFC, Lastwechsel und das Herunterfahren der Anlage sowie den Einsatz von Notfallmanövern in kritischen Betriebszuständen. Als Grundlage für die Untersuchungen wurde auf Basis der Turbec T100PH ein Prüfstand aufgebaut und detailliert instrumentiert. Die Mikrogasturbine wurde sowohl in transienten Manövern als auch in stationären Punkten charakterisiert. Mit Hilfe der Untersuchungen konnte ein Basisdatensatz erzeugt werden, der sowohl für den Vergleich mit der Hybridkraftwerksversuchsanlage herangezogen, als auch zur Validierung von numerischen Modellen eingesetzt werden kann. Für die Hybridkraftwerksversuchsanlage wurde anstelle einer realen SOFC ein Simulator entworfen und aufgebaut, der das Volumen der Kathodenseite, den Druckverlust, die Aufenthaltszeit und die Austrittstemperatur einer SOFC nachbilden kann. Der SOFC Simulator wurde über ein Rohrleitungssystem mittels verschiedener Stränge mit der Mikrogasturbine gekoppelt. Über den Hauptpfad ist er zwischen Rekuperatoraustritt und Brennkammereintritt integriert und kann über einen Bypass-Strang umgangen werden. Ein weiterer Strang, der vom Verdichteraustritt zum Simulator führt, kann für Aufheiz- und Abkühlvorgänge eingesetzt werden. Die Komponenten des Hybridkraftwerksaufbaus wurden schrittweise in den MGT Prüfstand integriert, um ihren Einfluss auf den stabilen Betriebsbereich und das Betriebsverhalten der MGT zu analysieren. Die Untersuchungen zeigten dabei einen eingeschränkten Betriebsbereich der Hybridkraftwerksversuchsanlage aufgrund des erhöhten Druckverlusts, der durch die Komponenten zwischen Verdichter und Turbine aufgebracht wird. Die transienten Manöver Start, Stopp und Lastwechsel, sowie Strangumschaltungen und Notfallmanöver wurden in unterschiedlichen Varianten mit Hilfe der verschiedenen Stränge getestet und hinsichtlich ihrer Eignung für das Betriebskonzept bewertet. Dabei konnte gezeigt werden, dass alle für einen Hybridkraftwerksbetrieb notwendigen Manöver trotz gewisser Einschränkungen durchführbar sind. Gleichzeitig wurden Optimierungspotenziale an der MGT für ein real gekoppeltes Hybridkraftwerk aufgezeigt. Darüber hinaus wurde der Effekt unterschiedlicher SOFC Austrittstemperaturen auf den Betrieb der Gesamtanlage untersucht. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse wurden die am besten geeigneten Vorgehensweisen für die jeweiligen Manöver ausgewählt und nochmals mit dem Fokus auf das SOFC System analysiert, bevor in einem letzten Schritt das Betriebskonzept abgeleitet wurde. Für ein Hybridkraftwerk auf Basis einer kommerziellen Turbec T100PH konnte somit erfolgreich ein erstes Betriebskonzept aufgestellt werden. Gleichzeitig zeigt die Arbeit aber auch Optimierungspotenziale an der MGT, vor allem im Bereich der Brennkammer, um einen weiten, stabilen Betriebsbereich zu erreichen.Item Open Access Large-Eddy Simulation und Analyse turbulenter, rußender Flammen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2023) Grader, Martin; Gerlinger, Peter (apl. Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit untersucht die Rußevolution in drei turbulenten, rußenden, halb-technischen Ethylenflammen, die mit Hilfe von Grobstruktursimulation (LES, „large-eddy simulation“) und einem Finite-Raten Chemie (FRC) Verbrennungsmodell simuliert werden. Bei den Flammen handelt es sich um eine abgehobene Freistrahlflamme (AFF), eine flammenhalterstabilisierte Strahlflamme (FSF) und eine Modellbrennkammer (MBK) für Fluggasturbinen. Für die MBK werden drei Betriebspunkte betrachtet. Die Ziele dieser Arbeit sind die Durchführung der komplexen Simulationen und die ausführliche Analyse der Ergebnisse. Dadurch sollen Weiterentwicklungsmöglichkeiten für Rußmodelle für halb-technischen Flammen identifiziert und das generelle Verständnis der Rußevolution in solchen Flammen verbessert werden. Ruß entsteht bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit lokalem Brennstoffüberschuss. Gelangt Ruß in die Umwelt, hat dies direkte, negative Folgen nicht zuletzt für den Menschen und das Klima. Die Rußemissionen des Luftverkehrs fördern beispielsweise die Kondensstreifenbildung und damit die Erderwärmung. Außerdem ist Ruß krebserregend. Die Vielzahl an negativen Folgen von Rußemissionen macht deren Reduktion unumgänglich. Auch aus technischer Sicht ist Ruß oft unerwünscht, da seine Präsenz zu Wärmeverlusten führt und ein Zeichen unvollständiger Verbrennung ist. Daher besteht ein hoher Bedarf an genauen Modellen zur Rußvorhersage in Flugtriebwerksbrennkammern. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Rußevolution besser verstehen, was wiederum die Entwicklung schadstoffarmer Triebwerke erleichtert. Aus chemischer Sicht ist die Rußevolution sehr komplex, da eine Vielzahl an Reaktionen, die in nichtlinearer Weise von Temperatur und Mischung abhängen, zur Rußbildung, -wachstum und -oxidation beitragen. Zudem ist die Rußbildung nicht vollständig verstanden. Daher ist die Rußmodellierung immer noch Gegenstand der Forschung. Das in dieser Arbeit genutzte Rußmodell wurde zuletzt von Eberle [70] weiterentwickelt und wird im Folgenden als „DLR-Rußmodell“ bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein Sektionalmodell für die Rußvorhersage in Ethylenflammen, welches sehr detailliert und dadurch beim Einsatz in LES relativ teuer ist. Um sinnvolle Weiterentwicklungsmöglichkeiten aufzuzeigen, führt diese Arbeit die Modellvalidierung des DLR-Rußmodells in turbulenten Flammen fort und vergleicht sie mit der bereits erfolgten Validierung in laminaren Flammen. Erstmals wird auch ein Vergleich der Partikelgrößenverteilung (PSD, „particle size distribution“) zwischen verschiedenen laminaren und turbulenten Flammen gezeigt. Zum besseren Verständnis der Rußevolution werden die sehr umfangreichen, zeitaufgelösten Ergebnisdatensätzen der fünf LES, je nach Qualität der Rußvorhersage, ausführlich analysiert. Die Rußvorhersage in der AFF ist exzellent, was eine Untersuchung zum Einfluss der Vormischung auf die Rußevolution ermöglicht. In der MBK werden Rußbildung und -wachstum vom DLR-Rußmodell sehr gut wiedergegeben, was eine Analyse der Rußdynamik unter Berücksichtigung des Einflusses verschiedener Betriebsbedingungen erlaubt. Die Form der Rußverteilung in der FSF wird vom DLR-Rußmodell zwar gut vorhergesagt, die Rußkonzentration aber deutlich überschätzt. Daher ergänzt die FSF vor allem den Vergleich zwischen laminaren und turbulenten Flammen, während eine Analyse lediglich die PSD betrachtet. Diese Arbeit verdeutlicht, dass die Rußevolution in turbulenten Flammen, insbesondere in der MBK, bei höheren Temperaturen und über einen breiteren Mischungsbereich stattfindet, als in den laminaren Flammen, die typischerweise zur Validierung von Rußmodellen genutzt werden. Daraus folgt, dass alle Rußmodelle die in turbulenten Flammen eingesetzt werden sollen, auch unter solchen Bedingungen validiert werden müssen. Dies kann beispielsweise durch das vermehrte Einbeziehen von Stoßrohrexperimenten geschehen. Außerdem unterstreichen die durchgeführten Auswertungen den Bedarf an geeigneten Experimenten zur Validierung der Rußoxidation durch das OH-Radikal. Des Weiteren zeigt die Analyse die Vorteile auf, die eine Modellvalidierung an verlässlichen korrelierten Messungen und an Messungen der PSD bieten würden. Eindeutiges Verbesserungspotenzial besteht in der Modellierung der nicht-aufgelösten Turbulenz-Ruß-Interaktion. Auch für das DLR-Rußmodell beleuchtet diese Arbeit Möglichkeiten zur Optimierung. Allerdings wird das Hinzufügen neuer Teilmodelle, wie einem Rußalterungsmodell, nicht empfohlen, da der Nutzen den gesteigerten Rechenzeitbedarf nicht rechtfertigt. Die Analyse der AFF zeigt, dass das Abheben der Flamme zu einer Vormischung von Brennstoff und Oxidator führt und Rußbildung und -wachstum dadurch hauptsächlich im vorgemischten Verbrennungsregime stattfinden. Der Vergleich der PSDs offenbart große Unterschiede zwischen den untersuchten Flammen. Effiziente Rußmodelle, die zukünftig zur Anwendung in technischen Flammen entwickelt werden, sollten daher in der Lage sein, den Einfluss der PSD-Form und der Vormischung auf die Rußevolution abzubilden. Die erstmalige, quantitative Analyse von Rußdynamiken mittels „multiresolution proper orthogonal decomposition“ (MRPOD) ermöglicht es, die intermittente Rußevolution in der MBK zu verstehen. Sie wird in allen untersuchten Betriebspunkten von einer symmetrischen, niederfrequenten Dynamik im Mischungsbruchfeld nahe des Injektors verursacht, die wiederum durch Dynamiken im Strömungsfeld beeinflusst wird. Die Sekundärlufteinblasung der MBK erhöht die Intensität der Intermittenz, während eine erhöhte Brennstoffzufuhr die Amplitude der Intermittenz verringert. Zwar lässt diese Analyse wegen des speziellen Designs der MBK nur wenig Rückschlüsse auf die Rußevolution in realen Flugtriebwerksbrennkammern zu, allerdings kann die entwickelte Vorgehensweise ohne weitere Anpassungen auf Simulationen solcher Brennkammern übertragen werden.
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