06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/7

Browse

Filters

2012 - 201928

Settings

Institute: search.filters.UBSInstitut.Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)Start date: 2010End date: 2019

Search Results

Now showing 1 - 10 of 28
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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.)
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Experimentelle Charakterisierung eines atmosphärisch betriebenen, FLOX-basierten Mikrogasturbinenbrenners für Erdgas
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2016) Zanger, Jan; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    Als Baustein bei der Umsetzung der Energiewende bieten sich dezentrale, gasturbinen-basierte Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung an, da diese neben elektrischer Energie ebenfalls Wärme in einem nutzbaren Umfang zur Verfügung stellen. Gleichzeitig ermöglicht die gute Teillastfähigkeit der Mikrogasturbine (MGT) eine dynamische Pufferung von Netzschwankungen. Um MGTs im Vergleich zu Gasmotoren konkurrenzfähiger zu gestalten, ist eine weitere Optimierung des elektrischen Anlagenwirkungsgrads notwendig. Darüber hinaus würden weitere Verbesserungen der Systemkomponenten hinsichtlich Schadstoffemissionen, Brennstoffflexibilität und Zuverlässigkeit die Marktfähigkeit der MGT Systeme weiter fördern. Dabei kommt der Gasturbinenbrennkammer als einer der Kernkomponenten eine entscheidende Bedeutung zu. Ein vielversprechendes Konzept zur Erreichung der herausfordernden Ziele ist der Einsatz der Flammenlosen Oxidation (FLOX®), welche sich im Industrieofenbau durch geringe Schadstoffemissionen, hohe Brennstoffflexibilität und geringen Druckverlust auszeichnet. Auf der anderen Seite wurde dieses Verbrennungsverfahren bisher noch nie in einer Gasturbinenbrennkammer unter realen Bedingungen eingesetzt. Das Ziel ist daher die Entwicklung eines erdgasbetriebenen, FLOX®-basierten Brennersystems für eine Turbec T100 MGT, welche im gesamten gasturbinen-relevanten Lastbereich zuverlässig und emissionsarm betrieben werden kann. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der experimentellen Charakterisierung von neuen FLOX®-Brennervarianten auf einem atmosphärischen Einzelbrennerprüfstand. Dabei wurden MGT-typische Vorwärmtemperaturen und druckskalierte Massenströme realisiert, so dass eine Emulation des MGT-Betriebs möglich war. Zunächst wurden anhand eines einstufigen, teilvorgemischten FLOX®-Brenners das grundlegende Verbrennungsverhalten, die Abgasemissionen und der mögliche Arbeitsbereich als Funktion der Vorwärmtemperatur, der Luftzahl und der thermischen Leistung analysiert. Eingesetzt wurden hier sowohl die Detektion der OH*-Chemolumineszenz zur Charakterisierung der globalen Reaktionszonen als auch eine Gasanalytik zur Messung der Schadstoffemissionen. Die Brenner wiesen insgesamt einen weiten Arbeitsbereich auf mit einer Luftzahl beim mageren Verlöschen des Volllastpunkts von 3,1. Bei Teillast stiegen die erreichbaren Luftzahlen weiter an. Die Flammenuntersuchungen zeigten bei kleinen Luftzahlen diskrete, separierte Reaktionzonen oberhalb der Düsenaustritte, welche mit steigender Luftzahl zu einer homogenen Reaktionszone verschmolzen und ab einer Grenzluftzahl insgesamt ins Volumen expandierten. Ein vergleichbares Verhalten wurde beim Absenken der Vorwärmtemperatur sowie bei der Reduzierung der thermischen Leistung beobachtet. Dieses Verhalten konnte in Beziehung zur leistungs- und vorwärmtemperatur-spezifischen, mageren Verlöschgrenze gesetzt werden, was eine globale Beschreibung des Verhaltens ermöglichte. Trotz des weiten Arbeitsbereiches des einstufigen Brenners zeigte sich beim Vergleich mit der MGT-Lastlinie die Notwendigkeit zu einer Verbesserung der Stabilisierung bei Teillast. Daher wurde eine zweistufige Brennervariante mit zentral angeordneter, drall-stabilisierter Pilotstufe entwickelt. Durch den Pilotbrenner konnte bei Teillast eine deutliche Erweiterung des Arbeitsbereichs erzielt werden. Um die Interaktion zwischen Pilot- und Hauptstufe sowie die Turbulenz-Chemie-Interaktion näher untersuchen zu können, wurden an ausgewählten Lastpunkten die planare laserinduzierte Floureszenz am OH-Radikal (OH-PLIF) und Particle Image Velocimetry (PIV) in verschiedenen Lichtschnittebenen gemessen. Die Erfassung der Messsignale erfolgte an einigen Lastpunkten simultan. Anhand der aus den OH-PLIF Daten abgeleiteten lokalen Reaktionszonen konnte ebenfalls eine starke Vergrößerung des eingenommenen Reaktionsraums für steigende Luftzahlen beobachtet werden. Ferner wurde der Einfluss des Pilotbrenners auf die Stabilisierung der Hauptstufe beschrieben. Des Weiteren wurde mittels der PIV Daten eine ausgeprägte innere Rezirkulationszone quantifiziert, welche Radikale und Wärme zu den eintretenden Frischgasstrahlen zurückführt. Durch die Kombination aus OH-PLIF und PIV Daten konnte gezeigt werden, dass die Turbulenz-Chemie-Interaktion mit steigender Luftzahl stark zunimmt und das Verbrennungsverhalten signifikant beeinflusst. Ausgewählte Lastpunkte wurden dabei in das Diagramm zur Klassifizierung turbulenter Vormischflammen eingeordnet und wiesen an der Stelle, an welcher die Verbrennung ins Volumen expandierte, einen Regimeübergang auf. Abschließend wurde eine erste Optimierung der Brennstoffaufteilung zwischen Haupt- und Pilotstufe hinsichtlich der Abgasemissionen für alle MGT-relevanten Lastpunkte durchgeführt. Dabei wurden bei Vollastbedingungen NOx-Emissionen von 5 ppm (bei 15 Vol-% O2), CO-Werte von 20 ppm und UHC-Emissionen unterhalb der Nachweisgrenze erzielt. Ferner wurde ein relativer Brennerdruckverlust von 2,9% erreicht. Im Rahmen der Arbeit wurde ein im gesamten MGT-Arbeitsbereich voll funktionsfähiger, emissionsarmer, zweistufiger FLOX®-Brenner entwickelt. Mit Hilfe der eingesetzten Messtechniken wurden für die Brennervarianten eine systematische Charakterisierung des Flammenverhaltens durchgeführt und ein umfangreicher Datensatz generiert, welcher als Basis für eine Validierung der im Entwicklungsprozess eingesetzten numerischen Modelle dient.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Numerical simulations of turbulent mixing in complex flows
    (2012) Ivanova, Elizaveta; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    For an accurate gas turbine combustion simulation the quality of the mean and fluctuating velocity, temperature, and species concentration field predictions is of critical importance. A typical flow pattern of a gas turbine combustion chamber comprises several complex jet configurations intricately interacting. Numerical representation of turbulence and mixing in such flows is a challenging task. Different aspects of modeling the turbulence and turbulent scalar mixing in complex jets are considered in this dissertation. Three complex jet test cases are selected for a systematic investigation in the present work: jet in crossflow, confined coaxial swirling jets, and confined coaxial jets without swirl. A comprehensive literature overview on the previous numerical investigations of these flows is given in chapter 1. Three main goals of the present work are formulated. The first one is the critical assessment of the widespread turbulent viscosity and turbulent scalar diffusivity Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approaches in application to the flow and mixing modeling in the selected test cases. The second aim is a thorough evaluation of the statistical data obtained in Large Eddy Simulations (LES) of three main test cases. This goal is set in order to provide a more comprehensive database for validating RANS models and to obtain variables of interest which cannot be determined easily in experiments due to measurement instrumentation limitations. The third aim of the present work is to understand the potential of the Scale-Adaptive Simulation(SAS) method and of the Unsteady RANS (URANS) approach for the mixing modeling in the considered flows. The most important question here is the clarification of the ability of different methods to correctly predict the flame propagation processes in the practically relevant case of autoignition in a jet in crossflow. Chapter 2 develops the theoretical framework of this dissertation. RANS and LES concepts are introduced and common modeling closure approaches for both methods are discussed. Chapter 3 is devoted to the study of the accuracy of RANS in three main test cases and to LES data evaluation. The results of RANS mean and fluctuating velocity and scalar field simulations are validated against experimental data and the outcome of accompanying LES calculations. The LES results, for the most part, agree better with the respective experimental data. Many of the tested RANS models show a clear trend of the underestimation of turbulence and mixing in the considered complex jet configurations. The influence of different equation terms and corrections on the RANS model accuracy is investigated. For a more thorough study, the resolved data fields from LES are used for the evaluation of the Reynolds-averaged turbulent viscosities, turbulent scalar diffusivities, and the main budget terms of the turbulent kinetic energy and the turbulent scalar variance transport equations. This data is also used to extract practically important information on the turbulent Schmidt numbers in the considered flows. The turbulent Schmidt numbers given by LES data evaluation fluctuate around 0.5 for the jet in crossflow case and 0.6 - 0.9 for both confined coaxial jet cases. Other important quantities needed for the validation of the common RANS modeling assumptions, such as production to dissipation ratios, modeling coefficients of the turbulent viscosity equation, turbulent scalar to velocity time scale ratios, are evaluated from LES data as well. This builds a comprehensive database useful for the further refinement of RANS modeling in gas turbine applications. A detailed discussion on the evaluation methods and on the obtained results is provided. In chapter 4 URANS and SAS calculations of the considered complex jet flows are presented.The accuracy of SAS is assessed on all three main test cases by comparing against the RANS and the LES data. For a comparative study of SAS and URANS, the jet in crossflow configuration is selected. The quantitative validation of the results against experimental data is supplemented by the visualization of the vortex structures resolved by both methods. Furthermore, the autoignition and the flame propagation in a jet in crossflow configuration is modeled using both URANS and SAS and qualitative differences in the flame front propagation predictions are assessed.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Effiziente Rußmodellierung in laminaren und turbulenten Flammen unterschiedlicher Brennstoffe
    (2012) Blacha, Thomas; Gerlinger, Peter (PD Dr.-Ing.)
    Dass Ruß infolge unvollständiger Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe entsteht, weiß man schon seit mehreren Jahrzehnten. Ebenso sind die grundsätzlichen positiven als auch negativen Eigenschaften von Ruß schon seit langer Zeit bekannt. So hat er nicht nur eine große Bedeutung als Industrie- bzw. Füllstoffruß (z.B. in Autoreifen), sondern er sorgt auch in Flammen für eine erhöhte Wärme- und Lichtabstrahlung. Auf der anderen Seite hat sich gerade in den letzten Jahren gezeigt, dass Ruß Krebs erregend sein kann und mit aller Wahrscheinlichkeit zur verstärkten Bildung von Zirruswolken in großen Höhen beiträgt. Dennoch wird bis heute der genaue Vorgang der Rußentstehung, des Wachstums und des Abbaus nicht vollständig verstanden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Modells, welches die Vorhersage von Ruß in bestimmten Anwendungsgebieten ermöglichen soll. Während in der Literatur bereits eine Vielzahl sowohl an sehr einfachen als auch sehr detaillierten Rußmodellen erschienen ist, werden in dieser Arbeit ganz besondere Ansprüche an das zu entwickelnde Modell gestellt. Zum einen soll es nach Möglichkeit eine Genauigkeit aufweisen, die heutigen sehr detaillierten Rußmodellen entspricht, und zum anderen mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand verbunden sein. Gerade der Kompromiss zwischen Genauigkeit und Schnelligkeit stellt dabei eine hohe Herausforderung dar. Die chemischen Reaktionen gasförmiger Spezies werden mit Hilfe eines stark reduzierten kinetischen Reaktionsmechanismus erfasst, welchem je nach Interesse weitere Untermechanismen hinzugeschaltet werden können. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) werden durch einen Sektionalansatz repräsentiert und sind das Bindeglied zwischen Gasphase und Rußchemie. Die Modellierung der Rußpartikel kann wahlweise entweder über ein Zweigleichungsmodell oder einen weiteren Sektionalansatz realisiert werden. Einzelne PAH- und Ruß-Reaktionen werden dabei global betrachtet, was die separate Behandlung angeregter Zustände erspart. Zu den berücksichtigten Mechanismen gehören Bildungsreaktionen, Oxidation, Koagulation und Wachstum durch Kondensation von Acetylen. Das Gesamtrußmodell konnte erfolgreich anhand einer Vielzahl verschiedener Brennstoffe und Flammenkonfigurationen validiert werden. Dabei beschränken sich die entsprechenden Testfälle nicht nur auf vereinfachte laminare akademische Testfälle, sondern die Rußbildung in einer turbulenten Jetflamme und in einer Ringbrennkammer im Originalmaßstab konnten ebenfalls reproduziert werden. Hierbei wurde durch das Modell auch der Einfluss des Umgebungsdrucks auf die Rußproduktion korrekt wiedergegeben. Weitere Analysen verdeutlichen, dass bei Temperaturen oberhalb von 2000K die Reversibilität von PAH-Bildungsreaktionen eine sehr wichtige Rolle spielen kann, denn bei derart hohen Temperaturen wird das chemische Gleichgewicht deutlich von großen Rußvorläufern weg und hin zu kleineren Spezies verschoben. Dass diese Reversibilität in der vorliegenden Arbeit berücksichtigt werden konnte, stellt eine wichtige Errungenschaft dar und ist für eine zuverlässige Rußvorhersage von großer Bedeutung. Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Rußmodellierung - so zeigte sich - ist die starke Temperaturempfindlichkeit von Rußoxidationsmechanismen. Da insbesondere die Wahl von Rußenthalpien als auch die Modellierung von Wärmestrahlung mit Unsicherheiten behaftet sind und einen großen Einfluss auf die berechnete Temperatur haben, kann sich dies signifikant auf die Rußoxidationsraten auswirken. Zuverlässige Rußenthalpiewerte sind in der Literatur nicht verfügbar, aber es wurde in dieser Arbeit eine viel versprechende Strategie vorgestellt, welche die Bestimmung eines Näherungswertes erlaubt. Das verwendete Wärmestrahlungsmodell wurde wegen seiner hohen Recheneffizienz gewählt. Aufgrund der starken Vereinfachungen in diesem Modell ist zu erwarten, dass detailliertere Wärmestrahlungsmodelle zwar zu einer Zunahme der Rechenkosten aber auch zu einer Verbesserung in den Vorhersagen von Rußoxidationsraten führen werden. Das in dieser Arbeit entwickelte Gesamtmodell weist eine Genauigkeit auf, welche sich mit derer aktueller sehr detaillierter Rußmodelle ohne weiteres messen kann. Da es zusätzlich nicht nur durch seine vielseitige Anwendbarkeit, sondern auch seine hohe Recheneffizienz überzeugt, stellt es einen wichtigen Fortschritt in der Rußmodellierung dar, insbesondere in Bezug auf praktische Anwendungen.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von Kohlenwasserstoffen auf das Verbrennungsverhalten drallstabilisierter Sprayflammen
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2019) Grohmann, Jasper; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    Die Zusammensetzung alternativer flüssiger Brennstoffe kann sich stark von der Zusammensetzung konventioneller Brennstoffe unterscheiden. Sie kann durch die Wahl der Syntheseparameter gezielt beeinflusst werden, um das Verbrennungsverhalten zu optimieren. Vor diesem Hintergrund beschreibt diese Dissertation Untersuchungen zum Verbrennungsverhalten ausgewählter Kohlenwasserstoffe, mit dem Ziel, ein besseres Verständnis des Einflusses einzelner Bestandteile synthetischer flüssiger Brennstoffe auf das Verbrennungsverhalten zu erlangen. Dazu wurde ein Versuchsstand zum Betrieb drallstabilisierter atmosphärischer Sprayflammen aufgebaut. Die Brennkammer war optisch zugänglich, um die Anwendung optischer und laserbasierter Messmethoden zu ermöglichen. Die untersuchten Brennstoffe wurden gezielt anhand ihrer chemischen Klasse und ihrer Stoffeigenschaften ausgewählt. Die Wahl fiel auf die linearen Alkane n-Hexan, n-Nonan und n-Dodecan, das verzweigte Alkan iso-Octan, sowie Cyclohexan und Toluol als Vertreter der ringförmigen Alkane und der Aromaten. Zum Vergleich wurde Kerosin Jet A-1 untersucht. Es wurde eine Referenzflamme mit einem Äquivalenzverhältnis von 0,8 und einem Luftmassenstrom von 4,3 g/s definiert. Dies entsprach einer thermischen Leistung von ca. 10 kW. Die mageren Verlöschgrenzen und die CO und NOx-Abgasemissionen wurden über einen weiten Luftmassenstrombereich bzw. Äquivalenzbereich bestimmt. Zusätzlich zu diesen globalen Größen wurden das nichtreagierende und Teile des reagierenden Gasphasenströmungsfelds mit Particle Image Velocimetry gemessen. Außerdem wurden die Wandtemperaturen mit Phosphorthermometrie und die Sprayverteilung mittels Laserlichtstreuung gemessen. Tropfengrößen und -geschwindigkeiten wurden mit Laser-Doppler-Anemometrie und Phasen-Doppler-Interferometrie bestimmt. Die Gasphasentemperatur wurde mittels kohärenter anti-Stokes Raman-Spektroskopie gemessen. Zusätzlich wurde das Flammeneigenleuchten aufgezeichnet. Auch Randbedingungen wie die Brennstoffvorwärmtemperatur und Luftvorwärmtemperatur wurden gemessen. Bezüglich der mageren Verlöschgrenzen wurden bei den gewählten Referenzbedingungen Unterschiede zwischen Brennstoffen von bis zu 14 % festgestellt. Mit Hilfe der ergänzenden Messungen und einer umfassenden Analyse der physikalischen und chemischen Brennstoffeigenschaften konnten sowohl eine große Bedeutung der Brennstoffreaktivität, als auch ein positiver Einfluss einer heterogenen Brennstoffverteilung auf die Verlöschgrenze aufgezeigt werden. Hinsichtlich der NOx-Emissionen wurden bei den gewählten Referenzbedingungen Unterschiede zwischen Brennstoffen von mehr als einem Faktor 2 gefunden. Neben dem unmittelbaren Einfluss der adiabaten Flammentemperatur auf die NOx-Emissionen konnte ein Einfluss der lokalen Verteilung des flüssigen Brennstoffs und der resultierenden gemessenen Gasphasentemperaturverteilung herausgearbeitet werden. Die Brennstoffe lieferten keine nennenswerten Unterschiede in den CO-Emissionen. Es wurde ein umfassender quantitativer experimenteller Datensatz zur Validierung numerischer Modelle und zum besseren Verständnis des Einflusses physikalischer und chemischer Eigenschaften einzelner Brennstoffkomponenten auf das Verbrennungsverhalten erstellt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass bereits ein atmosphärischer Prüfstand mit kleiner thermischer Leistung und entsprechend geringen Kosten geeignet sein kann, relevante Trends des Brennstoffeinflusses, zum Beispiel im Rahmen eines Zertifizierungsprozesses, aufzuzeigen.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Experimentelle Untersuchungen zur laserinduzierten und elektrischen Sprayzündung von Luftfahrtbrennstoffen
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2017) Gebel, Gregor C.; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    Die vorliegende Dissertation trägt zur Entwicklung der direkten Magerverbrennung für Brennkammern von Strahltriebwerken bei. Diese bietet durch hohe Verbrennungswirkungsgrade bei kontrollierten Flammentemperaturen ein großes Potential für die Vermeidung von Stickoxiden. Jedoch sind die Bedingungen für eine erfolgreiche Zündung in großen Flughöhen wegen der hohen Luftmassenströme in der Primärzone und des Abstandes der Zündkerze von der Pilotstufe gegenüber der weit verbreiteten Fett-Mager-Verbrennung ungünstiger. Daher ist die Entwicklung von Vorhersagemethoden der Zündfähigkeit in Abhängigkeit von den globalen und lokalen Brennkammerbedingungen sowie der Position und den technischen Eigenschaften des Zündsystems im Sinne einer kostengünstigen und zügigen Brennkammerentwicklung erstrebenswert. Als mit den Untersuchungen zu dieser Dissertation begonnen wurde, hatten die numerischen Möglichkeiten zur Simulation transienter Sprayflammen bereits einen hohen Reifegrad erreicht. Im Gegensatz dazu existierte de facto kein Wissen über die Prozesse bei der Entstehung eines Sprayflammenkerns aus einem Zündfunken, welcher in seiner physikalischen Natur ein Plasma ist. Daher wird dieser Vorgang in numerischen Simulationen durch einfache Modelle substituiert, weshalb absolute Aussagen zur Zündfähigkeit einer Brennkammer bislang nicht möglich sind. Dieser Umstand kann nur mithilfe besserer Modelle geändert werden, deren Entwicklung aber Kenntnisse über die physikalische Realität bedarf. Daher wurde die experimentelle Erforschung der grundlegenden Prozesse bei der Entstehung von Sprayflammenkernen aus Zündfunken als zentrales Thema für diese Dissertation ausgewählt. Zusätzlich wurde die Weiterentwicklung eines Flammenkerns zu einer Sprayflamme genauer betrachtet, wobei der Fokus auf dem Vergleich zwischen Kerosin der Sorte Jet A-1 und einem kerosinähnlichen Gas-to-Liquid-Brennstoff (GtL-SPK) lag, um der zunehmenden Relevanz alternativer Luftfahrtbrennstoffe Rechnung zu tragen.