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 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 Numerische Simulation der Rußbildung bei der Verbrennung komplexer Brennstoffe(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2019) Steinbach, Alexander; Gerlinger, Peter (apl. Prof. Dr.-Ing.)Ein wichtiger Aspekt der Verbrennung ist die Schadstoffbildung. Insbesondere Ruß gewinnt in diesem Zusammenhang aufgrund seiner umwelt- und gesundheitsschädlichen Wirkung zunehmend an Bedeutung. Die Entwicklung neuer Brennkammerkonzepte soll möglichst mit einer Reduktion der Rußbildung einhergehen. Hierbei kann der Einsatz geeigneter numerischer Modelle den Auslegungsprozess maßgeblich unterstützen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Rußmodell vorgestellt und im Verbrennungscode PRECISE-UNS (Predictive-system for Real Engine Combustors with Improved Submodels and Efficiency - Unstructured) zur Vorhersage der Rußbildung in Flugtriebwerken eingesetzt. Das Modell nutzt einen detaillierten Chemielöser, der zunächst implementiert wurde und dessen Funktionsweise ebenfalls ausführlich beschrieben ist. Der Bildungsprozess von Ruß ist in Untermodelle für die Gasphase, die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons/PAH) und die Rußpartikel unterteilt. Die Gasphase wird dabei über einen detaillierten Reaktionsmechanismus beschrieben, der für die Vorhersage der Verbrennung verschiedener Brennstoffe (z.B. Jet A1) ausgelegt ist und die Reaktionspfade bis hin zu den kleinsten, aromatischen Ringstrukturen, wie Benzol (A1) und Toluol (C7H8), berücksichtigt. Die Modellierung größerer PAHs erfolgt über einen Sektionalansatz, der die auftretenden PAHs in Klassen zusammenfasst, wobei für jede Klasse eine entsprechende Transportgleichung zu lösen ist. Zwei weitere Transportgleichungen werden für die Berechnung des Massenanteils und der Teilchendichte der Rußpartikel verwendet. Das Modell berücksichtigt die Hauptmerkmale der PAH- und Rußkinetik, wie Bildung,Wachstum, Kollisionen und Oxidation. Die Formulierung dieser Prozesse erfolgt über globale Reaktionen, sodass ein hohes Maß an Recheneffizienz gewährleistet ist. Im Gegensatz zu vorangegangenen Arbeiten verwendet das Modell einige Neuentwicklungen, wie das reversible Wachstum der PAH-Klassen, das Rußwachstum durch Anlagerung von Polyinen und eine verbesserte Reaktionsrate für die Rußoxidation. Wie noch gezeigt wird, sind diese Merkmale wichtig für die genaue Vorhersage der Rußkonzentration. Die Modellvalidierung erfolgt zunächst an zahlreichen Stoßrohrexperimenten, bei denen verschiedene kurz- und langkettige sowie aromatische Brennstoffe eingesetzt wurden und die einen weiten Temperatur- und Druckbereich umfassen. Das Ergebnis dieser Experimente sind entweder Verläufe der Spezieskonzentrationen oder der Rußerträge, die als Funktion der anfänglichen Stoßrohrtemperatur angegeben werden. Aus diesem Grund eignen sie sich sowohl zur Validierung der reinen Reaktionskinetik als auch der Rußbildung. Außerdem ist die Simulation solcher Experimente einfach und benötigt nur wenig Rechenzeit. Diese Tatsache ermöglicht ausführliche Untersuchungen der kinetischen Prozesse. Insgesamt erzielen die Simulationsergebnisse eine gute Übereinstimmung mit den Validierungsdaten für jeden Testfall. Diese Gegebenheit weist die Brennstoffflexibilität des Modells sowie seine vielseitige Anwendbarkeit auf verschiedene Betriebsbedingungen nach. Weiterhin werden die Einflüsse einiger Neuentwicklungen gezeigt und ihre Bedeutung für die genaue Vorhersage der Rußbildung hervorgehoben. Anschließend wird die Modellvalidierung an laminaren, rotationssymmetrischen Diffusionsflammen fortgesetzt. Zu den Testfällen zählen in diesem Zusammenhang eine nicht-rauchenden und eine rauchende Ethylen-Flamme (C2H4), aber auch Flammen mit komplexen Brennstoffen wie n-Dekan (nC10H22) und Jet A1. Letztgenannte Brennstoffe werden vorverdampft und treten gasförmig in den Brennraum ein. Anhand der C2H4-Flammen kann die Verbesserung durch das neue Oxidationsmodell nachgewiesen werden. Diese Flammen zeigen auch den starken Einfluss der Wärmestrahlung auf die Rußoxidation auf. Die Simulation der Jet A1-Flamme untersucht den Einfluss des aromatischen Anteils in der Formulierung des Ersatzbrennstoffes. Hierbei führt die Berücksichtigung größerer, aromatischer Komponenten zu höheren Rußkonzentrationen. Alle Simulationen der laminaren Flammen stimmen gut mit den entsprechenden Experimenten überein. Somit wird die hohe Genauigkeit des Rußmodells erneut nachgewiesen. Abschließend wird das Modell zur Vorhersage der Rußbildung in einer Flugtriebwerksbrennkammer eingesetzt. Hierzu werden vier Betriebpunkte unter realen Bedinungen, die sich stark voneinander unterscheiden, simuliert und die Ergebnisse hieraus mit den experimentell bestimmten Daten der Smoke Number verglichen. Für die Untersuchung der Turbulenz-Chemie-Interaktion kommt eine angenommenen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (assumed probability density function/aPDF) für Temperaturfluktuationen zum Einsatz. Die Simulation gibt das Experiment gut wieder und sagt insbesondere den Verlauf der Smoke Number über dem Schub der einzelnen Betriebspunkte in guter Übereinstimmung vorher. Da das Modell sehr effizient ist, sind hierfür nur annehmbar geringe Rechenzeiten notwendig. Folglich kann die Anwendbarkeit des Modells zur Auslegung neuer, technischer Systeme belegt werden.Item Open Access Effiziente, stochastische Vorhersage von turbulentem Brennkammerlärm(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2017) Grimm, Felix; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Breitbandlärm spielt heutzutage in vielen technischen Anwendungen eine große Rolle. Dessen akkurate numerische Simulation im Bereich der turbulenten Verbrennung ist das Ziel der vorliegenden Arbeit. Lärm kann mithilfe direkter, kompressibler Methoden und Modelle bereits vorhergesagt werden. Allerdings sind solche Verfahren sehr rechenzeitintensiv und nach wie vor wenig validiert. Daher wird hier ein hybrides, stochastisches Verfahren zur Bestimmung turbulenten Verbrennungslärms weiterentwickelt und validiert, um diesen Lärm in komplexen und technisch relevanten Problemstellungen effizient und zuverlässig vorhersagen zu können. Das neue Verfahren FRPM-CN (Fast Random Particle Method for Combustion Noise Prediction) wird zunächst anhand eines generischen Testfalls verifiziert. Die anschließende Modellvalidierung erfolgt mit offenen und eingehausten Strahlflammen. Experimentell ermittelte Druckspektren dienen als Referenz. Im Zuge der Validierungsstudien wird die Erweiterung auf volle räumliche und zeitliche Auflösung sowie die Vorhersagequalität absoluter Schalldruckpegel getestet. Ein im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes, semi-analytisches Modell zur Bestimmung der Strahlflammenspektren dient als Kontrollinstanz und Analysetool. 3D FRPM-CN mit der Modellierung physikalischer Schallausbreitung und dreidimensionaler Schall- quellen sagt absolute Schalldruckpegel der Strahlflammenkonfigurationen für unterschiedliche Richtcharakteristiken des turbulenten Lärms voraus. Hierfür ist praktisch keine künstliche Amplitudenskalierung notwendig. Die Validierung der Methode für komplexe Fragestellungen erfolgt durch die Simulation zweier drallstabilisierter Brenner im Labormaßstab unter atmosphärischen Bedingungen. Der Doppeldrallbrenner sowie der PRECCINSTA Brenner werden mithilfe einer Variation unterschiedlicher Modell- und Simulationsparameter untersucht. In beiden Fällen werden absolute Schalldruckpegel mit 3D FRPM-CN allein auf Grundlage integraler Turbulenzstatistiken und einer Verteilung der Temperaturvarianz in einem definierten Quellgebiet genau wiedergegeben.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 Large eddy simulation of turbulent reacting multi-phase flows(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2018) Eckel, Georg; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Entwicklung eines Holzgas-Brennkammersystems für die Mikrogasturbine Turbec T100(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2019) Zornek, Timo; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Die thermische Vergasung ermöglicht die Nutzung fester Biomasse für die Kraft-Wärme-Kopplung. Bislang konnte sich die Technologie noch nicht etablieren, da eine Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen häufig nicht erreicht wird. Die schwankende Zusammensetzung des erzeugten Brenngases sowie die darin enthaltenen Verunreinigungen verursachen hohe Wartungskosten und erschweren die Zuverlässigkeit der Anlagen. Da Mikrogasturbinen als brennstoffflexibel und wartungsarm gelten, stellen sie eine mögliche Alternative zu den mit Vergasern überwiegend eingesetzten Verbrennungsmotoren dar. Allerdings sind die auf dem Markt erhältlichen Mikrogasturbinen zumeist für konventionelle Brennstoffe wie Erdgas ausgelegt, weshalb sich die vorhandenen Brennkammersysteme nicht für das niederkalorische Brenngas eignen. Bei letzteren ist aufgrund des niedrigen Heizwerts ein erheblich größerer Brennstoffmassenstrom für die gleiche thermische Leistung erforderlich. Weiterhin unterscheiden sich die Verbrennungseigenschaften von dem aus der Vergasung stammenden Holzgas deutlich gegenüber Erdgas. Daher ist das Ziel der vorliegenden Arbeit die Entwicklung eines neuen Brennkammersystems, das den Einsatz von Holzgas in der Mikrogasturbine Turbec T100 ermöglicht. Dabei soll ein schadstoffarmer und zuverlässiger Betrieb bei schwankenden Gasqualitäten gewährleistet werden. Hierfür wird in der Arbeit ein Konzept erstellt und bis zur Erprobung eines Prototypen in realer Einsatzumgebung entwickelt. Ein Schwerpunkt bildet die Untersuchung der Brennstoffflexibilität des Systems. Zudem wird das Betriebsverhalten der Turbec T100 mit niederkalorischem Brenngas umfangreich charakterisiert sowie Optimierungspotentiale identifiziert. Das gewählte Konzept enthält zwei Brennerstufen, die unterschiedliche Techniken der Flammenstabilisierung verwenden. Die Geometrie der Hauptstufe, in der mehr als 90 % des Brennstoffs eingebracht werden, ist abgeleitet von dem als schadstoffarm und brennstoffflexibel geltenden FLOX®-Brenner. Als Pilotstufe hingegen dient ein für Holzgas ebenfalls neu entwickelter Drallbrenner, der konzentrisch zur Hauptstufe stromaufwärts angeordnet ist. Die experimentelle Untersuchung des Prototypen erfolgt in vier Schritten. Das Verbrennungsverhalten wird zuerst in einem atmosphärischen Prüfstand durch Messung der OH*-Chemolumineszenz, der Schadstoffemissionen sowie des Druckverlustes analysiert. Die hierfür relevanten Betriebsparameter werden mit einem stationären Mikrogasturbinen-Simulationsprogramm ermittelt und auf atmosphärische Bedingungen skaliert. Durch getrennte Variation der Parameter Luftverhältnis, thermische Leistung, 13Brennstoffzusammensetzung, Lufteintrittstemperatur und Brennstoffstufung erfolgt die Auswahl eines geeigneten Betriebsbereichs für die Mikrogasturbine. Im zweiten Schritt charakterisiert die Arbeit das Betriebsverhalten der mit dem Brennkammersystem ausgerüsteten Turbec T100 unter Verwendung synthetisch gemischter Brenngase. Die Messungen legen ein erfolgreiches Anfahren sowie ein stabiles Betriebsverhalten bei verschiedenen Gaszusammensetzungen und Lastpunkten dar. Am Prüfstand zeigen sich Betriebsgrenzen der Turbec T100 beim Einsatz niederkalorischer Brenngase, da sich durch den enormen Brennstoffmassenstrom die Betriebspunkte von Luftverdichter und Leistungselektronik im Vergleich zum Erdgasbetrieb bedeutend verschieben. Trotzdem erreicht die Turbec T100 elektrische Leistungen von 50 kW bis 100 kW bei deutlicher Unterschreitung der Schadstoffemissionsgrenzwerte. Anhand der Messdaten und numerischen Simulationen werden die Optimierungspotentiale der Turbec T100 für die Nutzung von niederkalorischen Brenngasen aufgezeigt. Zur Untersuchung des Verbrennungsverhaltens des entwickelten Brennkammersystems und zur näheren Betrachtung der Brennstoffflexibilität dient eine an die Turbec T100 angeflanschte optische Brennkammer. Diese ermöglicht die Messung der OH*-Chemolumineszenz sowie der OH-PLIF in einer Ebene durch die Düsen der Hauptstufe. Die damit gewonnenen Ergebnisse belegen das robuste Verhalten, da sich die Position und Form der Flammen in der Hauptstufe für verschiedene Leistungen vernachlässigbar gering verändern. Die Reduktion des Wasserstoffanteils im Brenngas weit unter die in Holzgas üblichen Konzentrationen zeigt eine deutlich veränderte Flammenstabilisierung für Brenngasmischungen, die keinen oder nur geringe Konzentrationen von Wasserstoff aufweisen. Hierbei wird die Bedeutung des Wasserstoffs und der Einfluss der durch den Wasserstoffanteil beeinflussten Zündverzugszeit ersichtlich. Die positiven Ergebnisse aus den Prüfständen werden durch die Erprobung der entwickelten Brennkammer in einer Demonstrationsanlage, bei der eine bestehende Holzvergaseranlage mit einem neu aufgebauten MikrogasturbinenBHKW gekoppelt wird, bestätigt. Zwar zeigen sich beim gekoppelten Betrieb Probleme im Anfahrvorgang mit Heizwerten geringer als 3 MJ/kg, dies beruht jedoch darauf, dass sich der Vergaser dieser Anlage im Fackelbetrieb nicht ausreichend aufheizen lässt. Im stationären Betrieb belegen die Ergebnisse das robuste Verhalten der Mikrogasturbine bei schlagartig schwankenden Gasqualitäten. Mit Abschluss der Arbeit liegt ein Brennkammersystem vor, dass die Kopplung der Mikrogasturbine mit Festbettvergasern ermöglicht. Ein stabiler Betrieb wird von 50 kWel bis 100 kWel erreicht, wobei die gesetzlichen Grenzwerte der Schadstoffemissionen im gesamten Bereich weit unterschritten werden. Die hohe Brennstoffflexibilität des Brennkammersystems gewährleistet zum einen den stabilen Betrieb mit Vergasern zum anderen bietet es auch Potentiale zur Nutzung anderer niederkalorischer Brenngase. Neben den technischen Errungenschaften demonstriert die Arbeit eine erfolgreiche Vorgehensweise zur Auslegung und Implementierung eines Brennkammersystems für Mikrogasturbinen.Item Open Access Measurement of soot precursor particles under atmospheric and low pressure conditions by means of time-of-flight mass spectrometry(2009) González Baquet, Tania; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)During the last decades a great progress has been achieved in the understanding of the combustion of hydrocarbons. The gas phase reactions governing the first steps in the combustion process are well understood. The existing models describing the growth of soot particles and the formation of soot aggregates are widely accepted, as well. However, the so-called inception, i.e. the mechanism leading to the formation of the first solid particles from gas phase molecules, is still a controversial issue. This is mainly due to the lack of adequate experimental techniques capable of detecting particles in the low nanometer range like those created in the nucleation process in flames. At present most of the combustion models stress the importance of PAH formation and growth in the soot formation process. Other models, however, propose a soot formation mechanism based on the formation of large three dimensional structures without crystallinity. In the present work, the detection and characterization of soot precursor particles, as transition species between gas phase molecules and solid soot particles in the combustion process, is attempted by means of mass spectrometry. To this end a ”custom-built” reflectron time-of-flight mass spectrometer of high sensitivity and with a large mass range is used. Measurements are carried out in different premixed ethylene laboratory flames at different pressures and in a wide range of stoichiometries. Additionally, the exhaust of a gasoline and a diesel engine is investigated. These measurements require the development of a sampling technique capable of transporting the sample from atmospheric conditions to the high vacuum of the mass spectrometer. The resulting fast pulsed sampling system minimizes undesirable sampling line effects while it enables the generation of an optimized molecular beam. Photo ionization of the sample is provided by an excimer laser. The main findings of this work can be summarized as follows: 1. Different types of soot precursor particles can coexist in the flame. For the first time two different types of soot precursor particles with diameters ranging from approximately 1 to 5 nm have been simultaneously detected. The different soot precursor particle modes, in the following referred to as mode A and mode B, show different features. Thus, the existence of at least two different types of soot precursor particles is postulated. Mode A particles are found in a wide range of flame stoichiometries. They are characterized by an ionization order close to two and show a fragmentation threshold of around 0.12 MW/cm2. These particles are considered amorphous, more characteristic of low temperature flames and associated to the soot precursor particles described by D’Alessio et al.. Mode B particles are only observed in a limited stoichiometric range associated with rather high flame temperatures. Mode B particles show an ionization order close to one and a relatively high fragmentation threshold close to 2.24 MW/cm2. These particles are considered to be similar to the ones described by Dobbins et al., i.e. stacks of planar PAHs. 2. Soot precursor particles, although considered to be very reactive, can survive the flame and be emitted. 3. Soot precursor particles are found in significant amounts only at flame stoichiometries above the soot threshold. The lower stoichiometric limit for particle generation is still an issue discussed in the combustion community. All results of this study indicate that the onset of particle formation takes place at flame stoichiometries close to the soot threshold. Consequently, the emission of soot precursor particles seems not to be an outstanding problem in the case of gasoline combustion engines, since the latter work under fairly stoichiometric burning conditions and are characterized by a homogeneous fuel-mixture. This is confirmed by the measurements carried out in the exhaust gas of a gasoline generator. Conventional diesel engines work under globally lean burning conditions but are characterized by a heterogeneous fuel-mixture. Consequently, high particle emissions are expected. The measurements carried out in the exhaust gas of a diesel generator, however, show negligible soot precursor particle emissions. In this case soot precursor particles are oxidized due to the excess of oxygen in the exhaust gas. Soot precursor particle losses due to coagulation with soot particles are also expected. This work demonstrates the utility of time-of-flight mass spectrometry for the detection and study of soot precursor particles. The experimental data presented in this thesis provide new information about the transition region between gas phase molecules and soot particles in the combustion process. This improves the understanding of the soot formation process and stimulates the revision of current combustion models.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.