Universität Stuttgart
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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 Numerical simulations of soot formation in turbulent flows(2008) Di Domenico, Massimiliano; Gerlinger, Peter (PD Dr.-Ing.)This work deals with the simulation of soot formation phenomena under gasturbine-like conditions. Main goal is the development of a reliable CFD simulation tool able to predict trends of soot formation under different operating conditions. A detailed, finite-rate chemistry combustion model is presented and validated. Since soot particles are the result of thousands of reactions involving hundreds of species, an efficient, new sectional approach for soot precursors and related reactions is chosen in this work. Effects of turbulent fluctuations in temperature and species concentration on the chemical reaction rate are included by employing an assumed Probability Density Function approach. Finally, the simulation of a semi-technical scale burner under gasturbine-like conditions will demonstrate the validity of the developed tools. Although discrepancies with experimental soot particle distributions are observed, numerical simulations are able to reproduce the pressure dependence of the peak soot volume fraction quite well.Item Open Access Investigating 3-D effects on flashing cryogenic jets with highly resolved LES(2023) Gärtner, Jan Wilhelm; Kronenburg, Andreas; Rees, Andreas; Oschwald, MichaelFor the development of upper stage rocket engines with laser ignition, the transition of oxidizer and fuel from the pure cryogenic liquid streams to an ignitable mixture needs to be better understood. Due to the near vacuum conditions that are present at high altitudes and in space, the injected fuel rapidly atomizes in a so-called flash boiling process. To investigate the behavior of flashing cryogenic jets under the relevant conditions, experiments of liquid nitrogen have been performed at the DLR Lampoldshausen. The experiments are accompanied by a series of computer simulations and here we use a highly resolved LES to identify 3D effects and to better interpret results from the experiments and existing 2D RANS. It is observed that the vapor generation inside the injector and the evolution of the spray in the combustion chamber differ significantly between the two simulation types due to missing 3D effects and the difference in resolution of turbulent structures. Still, the observed 3D spray dynamics suggest a suitable location for laser ignition that could be found in regions of relative low velocity and therefore expected low strain rates. Further, measured droplet velocities are compared to the velocities of notional Lagrangian particles with similar inertia as the measured droplets. Good agreement between experiments and simulations exists and strong correlation between droplet size and velocity can be demonstrated.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 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 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 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.Item Open 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.Item Open 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.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.)