Universität Stuttgart
Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1
Browse
68 results
Search Results
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 Experimentelle und numerische Untersuchung eines drallstabilisierten Mikrogasturbinenbrennkammersystems(2019) Monz, Thomas; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)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 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 Assessment of numerical accuracy and parallel performance of OpenFOAM and its reacting flow extension EBIdnsFoam(2023) Zirwes, Thorsten; Sontheimer, Marvin; Zhang, Feichi; Abdelsamie, Abouelmagd; Pérez, Francisco E. Hernández; Stein, Oliver T.; Im, Hong G.; Kronenburg, Andreas; Bockhorn, HenningOpenFOAM is one of the most widely used open-source computational fluid dynamics tools and often employed for chemical engineering applications. However, there is no systematic assessment of OpenFOAM’s numerical accuracy and parallel performance for chemically reacting flows. For the first time, this work provides a direct comparison between OpenFOAM’s built-in flow solvers as well as its reacting flow extension EBIdnsFoam with four other, well established high-fidelity combustion codes. Quantification of OpenFOAM’s numerical accuracy is achieved with a benchmark suite that has recently been established by Abdelsamie et al. (Comput Fluids 223:104935, 2021. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2021.104935 ) for combustion codes. Fourth-order convergence can be achieved with OpenFOAM’s own cubic interpolation scheme and excellent agreement with other high-fidelity codes is presented for incompressible flows as well as more complex cases including heat conduction and molecular diffusion in multi-component mixtures. In terms of computational performance, the simulation of incompressible non-reacting flows with OpenFOAM is slower than the other codes, but similar performance is achieved for reacting flows with excellent parallel scalability. For the benchmark case of hydrogen flames interacting with a Taylor-Green vortex, differences between low-Mach and compressible solvers are identified which highlight the need for more investigations into reliable benchmarks for reacting flow solvers. The results from this work provide the first contribution of a fully implicit compressible combustion solver to the benchmark suite and are thus valuable to the combustion community. The OpenFOAM cases are publicly available and serve as guide for achieving the highest numerical accuracy as well as a basis for future developments.Item Open Access Charakterisierung numerischer Methoden für die Auslegung FLOX-basierter Brennkammersysteme(2015) Panne, Tobias; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit untersucht numerische Modelle bezüglich ihrer Eignung für die aero- und thermodynamische Auslegung FLOX®-basierter Brennkammersysteme mit dem Ziel, die Brennkammergeometrie bereits über CFD-Simulationen und ohne eine große Anzahl an kosten- und zeitintensiven Experimenten festlegen zu können. Dazu ist es notwendig, die heute zur Verfügung stehenden numerischen Modelle darauf hin zu untersuchen, inwieweit sie die physikalischen Effekte in einem FLOX®-Brennkammersystem abbilden können. Der Fokus liegt dabei auf Modellen, deren Zeit- und Ressourcenbedarf möglichst gering sind, um so den wirtschaftlichen Vorteil der numerischen Simulation gegenüber einer experimentell gestützten Entwicklung möglichst gut ausschöpfen zu können. Detaillierte numerische Modelle, wie sie beispielsweise zur genauen Berechnung der Schadstoffentstehung oder der Vorhersage thermoakustischer Instabilitäten benötigt werden, werden folglich im Rahmen dieser Studie nicht betrachtet. Zur Erreichung des oben skizzierten Ziels wird in drei Schritten vorgegangen. Zunächst erfolgt die Validierung der numerischen Modelle. Dazu werden anhand eines experimentell vermessenen akademischen Testfalls, der das Grundprinzip der flammenlosen Oxidation (FLOX®) widerspiegelt, numerische und experimentelle Daten verglichen. Die höchste Vorhersagegenauigkeit wird dabei mit dem SST-Turbulenzmodell von Menter beim Einsatz des kombinierten EDC/FRC-Verbrennungsmodells erzielt. Von den betrachteten Reaktionsmechanismen liegen die Mechanismen von Westbrook und Dryer sowie der DLR-interne 14-Schritt-mechanismus in guter Übereinstimmung zu den Versuchsergebnissen, wobei letzerer bei der Simulation komplexerer Geometrien keine realistische Lage der Wärmefreisetzungszone vorhersagt. Weiterhin wird gezeigt, dass die Wahl thermischer Randbedingungen einen signifikanten Einfluss auf die numerischen Resultate hat, während die Vernachlässigung von Strahlungsverlusten zu keiner deutlichen Veränderung der Vorhersagegenauigkeit führt. Im zweiten Schritt wird die Eignung der zuvor validierten Modelle für die numerische Auslegung technischer Brennkammergeometrien geprüft. Dazu werden anhand eines Mikrogasturbinen-Brennkammersystems exemplarisch ausgewählte Geometrieparameter mittels Parameteranalysen untersucht. Basierend auf den Simulationsergebnissen kann der Einfluss der entsprechenden Parameter auf das Strömungsfeld und die Temperaturverteilung bewertet werden. Neben dieser rein qualitativen Beurteilung wird der jeweilige Effekt über eine Regressionsanalyse quantifiziert, wobei gezeigt wird, dass die Vorhersagegenauigkeit in hohem Maße von der gewählten Ansatzfunktion abhängig ist. Zur Bewertung der Aussagekraft der durchgeführten Parameterstudien wird im letzten Abschnitt eine Modellverifizierung durchgeführt. Dazu wird ein technisches Brennkammersystem, das im atmosphärischen Versuch vermessen wurde, mit den zuvor validierten und für die Auslegungsrechnungen genutzten Modellen nachgerechnet. Durch den direkten Vergleich zwischen den experimentellen Daten und den Ergebnissen der numerischen Simulation, die eine sehr gute Übereinstimmung aufweisen, wird somit der Nachweis erbracht, dass die in der Validierung am akademischen Testfall erzielte hohe Vorhersagegenauigkeit auch auf deutlich komplexere, technische Geometrien übertragbar ist.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 Quantification and mitigation of PIV bias errors caused by intermittent particle seeding and particle lag by means of large eddy simulations(2021) Martins, Fabio J. W. A.; Kirchmann, Jonas; Kronenburg, Andreas; Beyrau, FrankIn the present work, a standard large eddy simulation is combined with tracer particle seeding simulations to investigate the different PIV bias errors introduced by intermittent particle seeding and particle lag. The intermittency effect is caused by evaluating the velocity from tracer particles with inertia in a region where streams mix with different seeding densities. This effect, which is different from the vastly-discussed particle lag, is frequently observed in the literature but scarcely addressed. Here, bias errors in the velocity are analysed in the framework of a turbulent annular gaseous jet weakly confined by low-momentum co-flowing streams. The errors are computed between the gaseous flow velocity, obtained directly from the simulation, and the velocities estimated from synthetic PIV evaluations. Tracer particles with diameters of 0.037, 0.37 and 3.7 µm are introduced into the simulated flow through the jet only, intermediate co-flowing stream only and through both regions. Results quantify the influence of intermittency in the time-averaged velocities and Reynolds stresses when only one of the streams is seeded, even when tracers fulfil the Stokes-number criterion. Additionally, the present work proposes assessing unbiased velocity statistics from large eddy simulations, after validation of biased seeded simulations with biased PIV measurements. The approach can potentially be applied to a variety of flows and geometries, mitigating the bias errors.Item Open Access 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.