06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Verbrennungstechnik der Luft- und RaumfahrtStart date: 2018End date: 2018

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    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.
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    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.)
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    Numerische Simulation von Raketenbrennkammern mit transkritischer Einspritzung
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2018) Seidl, Martin; Gerlinger, Peter (apl. Prof. Dr.-Ing.)
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    Low temperature oxidation of cyclohexane: uncertainty of important thermo-chemical properties
    (2018) Abbasi, Mehdi; Slavinskaya, Nadezda; Riedel, Uwe
    The study of the standard formation enthalpy, entropy, and heat capacity for key species relevant to the low-temperature combustion of cyclohexane has been performed by applying the group additivity method of Benson. The properties of 18 Benson groups (8 of them for the first time), and 10 ring correction factors for cyclic species were estimated through different empirical and semi-empirical methods. The method validation proceeded through comparison of predicted values for certain number of newly estimated groups and available literature data derived from quantum chemistry estimations. Further validations of the estimated properties of groups have been provided by comparing estimated properties of test species with data in literature and kinetic databases. Also the standard deviation between prediction and reported values has been evaluated for each validation case. A similar approach has been applied for validation of the estimated ring correction groups. For selected well-studied cyclic molecules the predicted values and the literature data have been compared with each other, and the standard deviations have been also reported. The evaluated properties of the cyclohexane relevant species were also compared with similar ones available in other kinetic models and in databases. At the end the estimated properties have been presented in a tabulated form of NASA polynomial coefficients with extrapolation up to 3500 K.
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    Erstellung und Validierung eines modularen Simulationswerkzeugs zur Analyse des dynamischen Verhaltens von Mikrogasturbinen
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2018) Henke, Martin; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    Mikrogasturbinen (MGT) haben aufgrund ihrer schadstoffarmen Verbrennung und der hohen Gesamteffizienz im Blockheizkraftwerksbetrieb gute Voraussetzungen, um sich im aufsteigenden Markt der dezentralen Energieversorgung zu behaupten. Aufgrund ihrer hohen Brennstoffflexibilität können sie auch mit regenerativen Brennstoffen oder niederkalorischen Industrieabgasen betrieben werden. Die MGT-Technologie stellt zudem eine wichtige Forschungsbasis für eine Vielzahl zukünftiger Entwicklungen dar. So kann beispielsweise durch eine geänderte Verschaltung der Komponenten ein Inverted Brayton Cycle realisiert werden, mit dem niedrige Leistungsbereiche effizient erschlossen werden können. Ebenfalls kann die MGT mit einer Festoxidbrennstoffzelle als Hybridkraftwerk betrieben werden, mit einem prognostizierten elektrischen Wirkungsgrad von über 65 %. Numerische Prozesssimulationen sind ein wichtiges Werkzeug zur Verwirklichung dieser Konzepte. Mit ihnen kann das dynamische Verhalten der Anlagen im Vorfeld simuliert werden, um Betriebs- und Regelkonzepte zu entwerfen, transiente Manöver zu untersuchen und Systemabhängigkeiten festzustellen. Die hierfür eingesetzten 0D/1D Modelle werden in der Literatur oftmals eingeteilt in hochdetaillierte, nichtlineare Modelle, die weite Betriebsbereiche genau abbilden können, und einfachere Modelle, die schnelle Berechnungen ermöglichen und damit für umfangreiche Parameterstudien geeignet sind. Demgegenüber beschreibt die vorliegende Dissertation die Entwicklung und Validierung eines Simulators, der beiden Anforderungen gerecht wird. Das transiente, nichtlineare Verhalten MGT-basierter Kraftwerke wird detailliert abgebildet. Dabei übertrifft die Rechengeschwindigkeit bei der Simulation einer MGT der 100 kWel-Klasse die Prozessgeschwindigkeit um das Fünffache. Zu Beginn der Arbeit wird das Konzept der recheneffizienten Kopplung von Simulationsmodellen präsentiert. Dieses Konzept ermöglicht es beliebige Kreisläufe modular zu verschalten, ohne algebraische Abhängigkeiten zu schaffen, die rechenzeitintensiv gelöst werden müssten. Darauf aufbauend wird das Gas- und Thermodynamikmodell vorgestellt. Das Modell erlaubt durch seinen Ansatz der überlappenden Kontrollräume die korrekte Berücksichtigung des Gasvolumens in den Bilanzgleichungen der Energie, der Spezies, der Masse und des Impulses. Ebenso wird die Softwarearchitektur der in Fortran geschriebenen Simulationsumgebung beschrieben und die Interaktion ihrer Komponenten veranschaulicht. Daraufhin werden alle zur MGT-Simulation benötigten Bauteilmodelle hergeleitet und Möglichkeiten zur Erhöhung der Recheneffizienz und Modellgenauigkeit diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Simulator anhand von Messdaten eines Turbec T100 MGT-Prüfstands validiert. Hierfür wird ein Modell der T100 MGT erstellt und im Anschluss das Vorgehen zur Identifikation der Modellparameter beschrieben. Für die Validierung werden alle angefahrenen, stationären Betriebspunkte der MGT berücksichtigt und neben unterschiedlichen Lastwechselmanövern auch ein Kaltstartmanöver und ein Abfahrmanöver untersucht. Die Validierungsergebnisse bestätigen, dass der Simulator den komplette Lastbereich und die transienten Manöver in guter Übereinstimmung mit den Messdaten wiedergeben kann. Zusätzlich wird anhand von Simulationen mit reduzierten Bauteilwärmekapazitäten der Einfluss der Bauteilwände auf die Prozessdynamik diskutiert und die Notwendigkeit der Wärmestrom- und -speichermodelle demonstriert.