Universität Stuttgart

Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1

Browse

Filters

2020 - 202625

Settings

Subject: search.filters.subject.620Start date: 2020Institute: search.filters.UBSInstitut.Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)

Search Results

Now showing 1 - 10 of 25
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Entwicklung eines jet-stabilisierten Brennkammersystems für niederkalorische Brennstoffzellenabgase
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Bücheler, Sandro; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    Eine Technologie, welche die Ansprüche eines hocheffizienten und sauberen Kraft-Wärme-Kopplungssystems mit höchster Last- und Brennstoffflexibilität verspricht, ist das sogenannte SOFC/MGT-Hybridkraftwerk. Bei diesem Konzept wird eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) mit einer Mikrogasturbine (MGT) kombiniert, um die hochtemperierten und niederkalorischen SOFC-Abgase für die weitere Energieumwandlung in der nachgeschalteten Mikrogasturbine zu nutzen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen wesentlichen Beitrag zur Realisierung eines Hybridkraftwerks durch die Entwicklung eines geeigneten Brennkammersystems zu leisten, welches die Kopplung der beiden Teilsysteme SOFC und MGT ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf der Entwicklung eines kompakten Brennkammerprototypen, der sowohl den Anforderungen einer SOFC als auch denen einer Mikrogasturbine genügt. Zum Nachweis der Funktionalität und zur Ermittlung des Betriebsbereichs des Brennkammerprototypen unter Verwendung von SOFC-Abgasen werden atmosphärische Brennkammerversuche durchgeführt. Die Ergebnisse aus den OH* Chemolumineszenz- und Abgasemissionsmessungen werden im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert. Desweiteren werden zur Validierung der verwendeten CFD-Methoden für die Auslegung mit SOFC-Abgasen die Simulationsergebnisse mit den Messungen im atmosphärischen Prüfstand verglichen. Um für den Aufheizvorgang des Hybridkraftwerks Erdgas als Brennstoff einsetzen zu können, werden weitere Versuche unter Verwendung von Erdgas durchgeführt und vorgestellt. Abschließend werden die im Rahmen dieser Arbeit geleisteten Fortschritte in der Entwicklung eines Brennkammersystems für das Hybridkraftwerk zusammengefasst und diskutiert.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Piloted simulation of the rotorcraft wind turbine wake interaction during hover and transit flights
    (2022) Štrbac, Alexander; Greiwe, Daniel Heinrich; Hoffmann, Frauke; Cormier, Marion; Lutz, Thorsten
    Helicopters are used for offshore wind farms for maintenance and support flights. The number of helicopter operations is increasing with the expansion of offshore wind energy, which stresses the point that the current German regulations have not yet been validated through scientific analysis. A collaborative research project between DLR, the Technical University of Munich, the University of Stuttgart and the University of Tübingen has been conducted to examine the sizes of the flight corridors on offshore wind farms and the lateral safety clearance for helicopter hoist operations at offshore wind turbines. This paper details the results of piloted helicopter simulations in a realistic offshore wind farm scenario. The far-wake of rotating wind turbines and the near-wake of non-rotating wind turbines have been simulated with high-fidelity computational fluid dynamics under realistic turbulent inflow conditions. The resulting flow fields have been processed by superposition during piloted simulations in the research flight simulator AVES to examine the flight corridors in transit flights and the lateral safety clearance in hovering flights. The results suggest a sufficient size for the flight corridor and sufficient lateral safety clearance at the offshore wind turbines in the considered scenarios.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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.)
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Implementierung eines Verfahrens höherer Ordnung zur numerischen Simulation reaktiver Strömungen auf unstrukturierten Rechengittern
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2024) Setzwein, Florian; Gerlinger, Peter (apl. Prof. Dr.-Ing.)
    Diskretisierungsverfahren hoher Ordnung, die sich auf unstrukturierten Rechengittern einsetzen lassen, bieten ein großes Potential zur Reduzierung der Rechenzeiten von detaillierten Grobstruktursimulationen. Gleichzeitig lässt sich gegenüber strukturierten Diskretisierungsansätzen eine hohe geometrische Flexibilität für die Generierung der Rechengitter realisieren. Viele Verfahren, die eine höhere Rekonstruktionsordnung auf unstrukturierten Gittern ermöglichen, beruhen auf der Einführung von zusätzlichen Freiheitsgraden innerhalb der Berechnungselemente. Ihre Implementierung in etablierte Finite-Volumen Strömungslöser ist jedoch aufgrund großer Unterschiede in den Datenstrukturen mit einem hohen Aufwand verbunden. Doch auch unstrukturierte Finite-Volumen Verfahren, welche eine höhere räumliche Fehlerordnung durch eine nicht-kompakte Rekonstruktion ermöglichen, verlangen einen hohen Implementierungsaufwand, um eine parallele Skalierbarkeit zu realisieren. Ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der räumlichen Genauigkeit von etablierten unstrukturierten Finite-Volumen-Lösern stellt das k-exakte Multi-Korrekturverfahren dar. Der Schlüssel der Methode ist eine sukzessive Korrektur von approximativen Green-Gauss-Ableitungen, die eine Rekonstruktion hoher Ordnung mit guten Parallelisierungseigenschaften und einem moderatem Implementierungsaufwand ermöglicht. In dieser Arbeit wird der k-exakte Multi-Korrekturansatz, welcher ursprünglich für kompressible Strömungsprobleme und für zellzentrierte Rechengitter entwickelt wurde, für die Anwendung auf einer knotenzentrierten Gitterrepräsentation erweitert und für die Exaktheiten k = 1 und k = 2 in den DLR Strömungslöser ThetaCOM implementiert. Des Weiteren wird die Methode mit einem Druckkorrektur-Verfahren für die zeitgenaue Diskretisierung der Erhaltungsgleichungen reaktiver Fluide bei niedrigen Mach-Zahlen kombiniert. Hierfür werden entsprechende Korrekturterme hergeleitet. Des Weiteren wird die in ThetaCOM implementierte Approximation der konvektiven und diffusiven Flüsse mit dem k-exakten Rekonstruktionsansatz vereint. Für die Berechnung der konvektiven Flüsse wird außerdem ein Ansatz vorgestellt, mit dem sich die Bestimmung der numerischen Dissipation zur Stabilisierung des Verfahrens auf ein Minimum reduzieren lässt. Dieser beruht auf der Herleitung einer Stabilitätsgleichung, welche aus einer Von-Neumann-Stabilitätsanalyse für eine lineare Advektions-Diffusion-Gleichung hervorgeht und deren Lösung zur Beschleunigung des Verfahrens indirekt in einem Verbund aus kompakten neuronalen Netzwerk-Modellen tabelliert wird. Dieser Ansatz wird mit einem Verfahren zur Gradientenlimitierung gekoppelt, um mit dem Diskretisierungsverfahren eine akkurate Auflösung von steilen Lösungsgradienten zu ermöglichen, welche in Verbrennungssimulationen in unmittelbarer Nähe zur Flammenfront auftreten. Für das implementierte Multi-Korrekturverfahren wird die räumliche Genauigkeit der verschiedenen numerischen Operatoren durch zahlreiche kanonische Testfälle verifiziert. Es wird gezeigt, dass sich die räumlichen Gradienten der Feldgrößen infolge der k-exakten Korrekturen mit einer wesentlich höheren Genauigkeit approximieren lassen. Des Weiteren lässt sich der diffusive Transport durch beide Schemata mit einer zweiten räumlichen Fehlerordnung und der konvektive Transport für k = 1 und k = 2 mit jeweils einer zweiten beziehungsweise dritten Fehlerordnung approximieren. Durch die Simulation zahlreicher laminarer und turbulenter Strömungsprobleme werden die beiden k-exakten Diskretisierungsverfahren mit experimentellen und numerischen Referenzdaten aus der Literatur validiert. Dabei wird der Einfluss der höheren Ordnung auf die räumliche Genauigkeit im Vergleich zu einem konventionellen Diskretisierungsverfahren beleuchtet. Hierbei wird insbesondere das Potential der beiden k-exakten Verfahren hinsichtlich der Einsparung von Rechenzeit und Freiheitsgraden dargestellt, sowie deren Fähigkeit zur Erhaltung der parallelen Skalierungseigenschaften von ThetaCOM. Ein weiterer Fokus liegt auf dem neuen Ansatz zur adaptiven Bestimmung der numerischen Dissipation und dessen Kopplung mit der implementierten Methode zur Gradientenlimitierung. Im Vergleich zur Rekonstruktion hoher Ordnung mit einer konstanten numerischen Dissipation liefert die vorgestellte adaptive Methode konsistente und genaue Ergebnisse, unabhängig vom Strömungsproblem und ohne eine Feinjustierung von empirischen Parametern. Abschließend wird für den Testfall einer turbulenten Wasserstoff-Luft-Diffusionsflamme demonstriert, dass sich beide Verfahren zur Simulation von turbulenten, reaktiven Strömungen auf vollständig unstrukturierten Rechengittern einsetzen lassen und eine deutliche Verbesserung des Simulationsergebnisses im Vergleich zu einem konventionellen Diskretisierungsansatzes bewirken.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    CHEMampere : technologies for sustainable chemical production with renewable electricity and CO2, N2, O2, and H2O
    (2022) Klemm, Elias; Lobo, Carlos M. S.; Löwe, Armin; Schallhart, Verena; Renninger, Stephan; Waltersmann, Lara; Costa, Rémi; Schulz, Andreas; Dietrich, Ralph‐Uwe; Möltner, Lukas; Meynen, Vera; Sauer, Alexander; Friedrich, K. Andreas
    The chemical industry must become carbon neutral by 2050, meaning that process‐, energy‐, and product‐related CO2 emissions from fossil sources are completely suppressed. This goal can only be reached by using renewable energy, secondary raw materials, or CO2 as a carbon source. The latter can be done indirectly through the bioeconomy or directly by utilizing CO2 from air or biogenic sources (integrated biorefinery). Until 2030, CO2 waste from fossil‐based processes can be utilized to curb fossil CO2 emissions and reach the turning point of global fossil CO2 emissions. A technology mix consisting of recycling technologies, white biotechnology, and carbon capture and utilization (CCU) technologies is needed to achieve the goal of carbon neutrality. In this context, CHEMampere contributes to the goal of carbon neutrality with electricity‐based CCU technologies producing green chemicals from CO2, N2, O2, and H2O in a decentralized manner. This is an alternative to the e‐Refinery concept, which needs huge capacities of water electrolysis for a centralized CO2 conversion with green hydrogen, whose demand is expected to rise dramatically due to the decarbonization of the energy sector, which would cause a conflict of use between chemistry and energy. Here, CHEMampere's core reactor technologies, that is, electrolyzers, plasma reactors, and ohmic resistance heating of catalysts, are described, and their technical maturity is evaluated for the CHEMampere platform chemicals NH3, NOx, O3, H2O2, H2, CO, and CxHyOz products such as formic acid or methanol. Downstream processing of these chemicals is also addressed by CHEMampere, but it is not discussed here.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Uncertainty quantification in the simulation of turbulent spray combustion
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Enderle, Benedict; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    Um risikobehaftete Entscheidungen in der simulationsbasierten Entwicklung von Flugzeugkomponenten treffen zu können, müssen Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen systematisch mitberücksichtigt werden. Dies betrifft insbesondere Entscheidungen mit weitreichenden Konsequenzen hinsichtlich finanzieller Risiken, Sicherheit im Betrieb sowie letztlich Menschenleben. Eine Anwendung der simulationsbasierten Entwicklung, der eine Vielzahl an Unsicherheiten mit komplexen Simulationsmodellen und einer großen Auswirkung auf die Systemleistung- und Sicherheit kombiniert, ist die Simulation von Verbrennungsprozessen in Triebwerksbrennkammern. Da die Qualität des Brennstoffsprays den Verbrennungsprozess signifikant beeinflusst, sind Unsicherheiten in den Randbedingungen für das Brennstoffspray eine Hauptquelle für Unsicherheiten in solchen Simulationen. Aufgrund des hohen Rechenzeitaufwands für deren Quantifizierung werden diese Unsicherheiten momentan noch nicht mit in die Simulation einbezogen. Auch wenn die Notwendigkeit der Quantifizierung von Unsicherheiten in Verbrennungssimulationen bereits identifiziert wurde, lassen sich nur wenige Anwendungsbeispiele in der Literatur finden. Ziel dieser Arbeit ist daher, aktuelle Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten auf Simulationsprobleme aus dem Bereich der turbulente Sprayverbrennung anzuwenden. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Quantifizierung von Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen aufgrund von unvollständigem Wissen bei der Konstruktion der Sprayrandbedingungen. Mögliche Unsicherheiten in den Eingangs- und Ausgangsgrößen werden mittels Wahrscheinlichkeitstheorie charakterisiert. Die Ausbreitung der Unsicherheiten durch die komplexen Simulationsprobleme werden mit einem effizienten, nichtintrusiven Workflow analysiert, welcher auf Surrogatmodellen aufbaut. Durch den Einsatz von Surrogatmodellen wird das komplexe Simulationsmodell in einem eingeschränkten Parameterbereich mittels eines Modells reduzierter Komplexität approximiert. Dieses Verfahren reduziert den Rechenaufwand drastisch, insbesondere bei einer hohen Anzahl an unsicheren Eingangsgrößen. Die Methodik wird auf zwei Testfälle mit unterschiedlicher Komplexität angewandt. Zuerst wird eine Ethanolsprayflamme im Labormaßstab betrachtet, für die umfangreiche experimentelle Daten vorliegen. Der einfache Aufbau des Experiments sowie die Möglichkeit, diese Flamme mit stationären Simulationen bereits gut abbilden zu können ermöglicht eine detaillierte Analyse des Testfalls sowie der verwendeten Methodik. In einer Screening-Studie werden die unsicheren Parameter der Simulation priorisiert, woraus sich eine Reduktion auf die einflussreichsten Parameter ergibt. Anhand des Testfalls werden zwei unterschiedliche Surrogatmodelle verglichen und analysiert. Durch die Berechnung der Wahrscheinlichkeitsgrenzen für die Temperaturprofile können umfangreiche Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen im Bereich der Reaktionszone identifiziert werden. Mittels einer anschließenden Sensitivitätsanalyse kann der Hauptteil dieser Unsicherheiten auf Unsicherheiten hinsichtlich des Öffnungswinkels der Spraykegels zurückgeführt werden. Um die Methodik zur Quantifizierung von Unsicherheiten auch in einer technisch relevanten Problemstellung zu bewerten, wird anschließend ein drallstabilisierter Spraybrenner betrachtet, der einige der wesentlichen Eigenschaften moderner Triebwerksbrennkammern aufweist. Um kostspielige Experimente zur Charakterisierung der Sprayrandbedingung zu vermeiden, wird ein algebraisches Primärzerfallsmodell zur Berechnung der Sprayrandbedingung verwendet. Die daraus resultierende Datenlücke wird mittels Wahrscheinlichkeitstheorie als Unsicherheit charakterisiert. Aufgrund ihrer besonderen Bedeutung im Entwurfsprozess von Brennkammern werden die Flammenposition und die Temperaturverteilung als Hauptindikatoren betrachtet. Die systematische Quantifizierung der Unsicherheiten zeigt moderate Unsicherheiten der Simulation hinsichtlich der Flammenposition und Temperaturverteilung. Anhand von Genauigkeitsmetriken wird schließlich die Vorhersagefähigkeit der Simulation unter den gegebenen Unsicherheiten abgeschätzt. Beide Testfälle zeigen erfolgreich das Potential von Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten in der Simulation turbulenter Sprayverbrennung. Aus dem ersten Testfall kann gefolgert werden, dass die Identifizierung und umfassende Charakterisierung möglicher Quellen von Unsicherheiten in den Entwurf von Validierungsexperimenten eingeschlossen werden sollten. Der zweite Testfall zeigt deutlich den Mehrwert der systematischen Quantifizierung von Unsicherheiten auf, wenn nur begrenztes Wissen hinsichtlich der Sprayrandbedingungen vorhanden ist. Da diese Wissenslücke klar in den Simulationsergebnissen wiedergespiegelt wird, können aus dem Vergleich mit den geforderten Leistungsparametern Risiken quantitativ identifiziert werden. Mit dieser zusätzlichen Information kann die simulationsbasierte Entscheidungsfindung im Entwicklungsprozess systematisch unterstützt und schließlich ausgeweitet werden, beispielsweise auf die virtuelle Zertifizierung von Flugzeugkomponenten.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Tolerance of silicon oxide‐coated Pt/C catalyst toward CO and H2S contamination in hydrogen for proton exchange membrane fuel cells
    (2023) Prass, Sebastian; Nerlich, Leon; Singh, Rajveer; Godoy, Andres O.; Jankovic, Jasna; Friedrich, K. Andreas; Zamel, Nada
    Platinum on graphitized low surface area carbon (Pt/C) is coated with a silicon oxide thin film and is employed as anode catalyst to manipulate the tolerance of proton exchange membrane fuel cells toward carbon monoxide and hydrogen sulfide contamination. The SiO2 coating, prepared by successive hydrolysis of 3-aminopropyl-triethoxisilane and tetraethoxysilane, forms clusters in proximity to Pt in sizes comparable to the catalyst particles, leaving most of the carbon surfaces free. The performance with and without CO is investigated in situ at relative humidities (RH) of 100%, 70%, and 40%. When operated with neat hydrogen, SiO2-Pt/C shows marginally better performance owing to an improved protonic conduction due to the water retaining hydrophilic SiO2. Upon operation with CO-contaminated fuel, the SiO2-Pt/C performs worse than that of Pt/C particularly at high RH. CO stripping measurements reveal an increase in CO oxidation potential for the SiO2-Pt/C, suggesting an increased CO coverage and consequently higher anode overpotentials during operation with CO-contaminated fuel. Upon operation with H2S in the fuel, the SiO2 coating extends the lifetime until the cell voltage broke down, which is attributed to the enhanced water retention due to SiO2 and the solubility of sulfuric species.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Data-based methods for the screening and design of jet fuels
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2024) Hall, Clemens Alexander; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    To achieve climate neutrality in the aviation sector, research on new sustainable aviation fuels (SAF) is needed as the growing demand will exceed the production potential of established sustainable pathways. The focus is thereby not only on the exploration of sustainable feedstocks and the development of new production processes but also on the facilitation and acceleration of the whole fuel development process, from its conceptualization to its approval. The critical evaluation of a new production pathway guarantees the safe application and performance of a new fuel. The approval poses a major challenge for fuel producers, requiring a tremendous commitment of time, fuel volume and cost. Concepts that allow a fast-iterative, low-cost screening and design of new candidate fuels, to assess and optimize their chances for approval are thereby seen as key enablers. Established fuel screening concepts rely on model-based prediction, which, together with state- of-the-art compositional analytics, allow the fast assessment of SAF candidates from volumes as low as 5 mL. The design of new fuels, on the other hand, requires a comprehensive understanding of the composition of a jet fuel and properties considered critical for the fuel approval. This work describes the research and development of tools for the screening and design of jet fuels. Focusing on data-based methods, the tools are built from a database composed of both jet fuels and fuel components. It is thereby investigated whether and how data-based tools are able to support the screening and design of new SAF candidates and what their limitations are. For the jet fuel screening, three different modeling methods to predict physicochemical properties from compositional measurements are adapted and investigated: Direct correlation (DC), Mean Quantitative Structure-Property Relationship Modeling (M-QSPR) and Quantitative Structure-Property Relationship Modeling (QSPR) with sampling. All developed models are probabilistic, since the safety-relevant use case of jet fuel screening makes the consideration of uncertainties necessary. Rather than estimating one deterministic property value, probabilistic models estimate a distribution of values and with it the associated uncertainty. The predictive capabilities of the developed models are assessed using specially developed metrics and compared on the prediction of conventional and synthetic jet fuels. To put the developed models into reference, they are compared to established deterministic models from the literature. Identifying strengths and limitations of the different approaches, the models are applied to jet fuel screening to test theiradequacy for the assessment of new SAF candidates. To support the design of new SAF candidates, the relationships between the fuel composition and critical physicochemical properties are investigated. The relationships are investigated on the basis of fuel components and the influence of their chemical families as well as the structural aspects size and the branching. Trends and relations are characterized with graphs and quantitative metrics that illustrate correlation and state the average value for a change in composition. Both the developed models and design tools are applied to the use case of screening and then optimizing a real SAF candidate to maximize its chances for successful fuel approval. The SAF candidate and three optimized fuel variants with reformulated compositions are thereby screened to assess the most suitable production route. Afterwards, a blending analysis of the SAF candidate and the variants is conducted to estimate their maximum volume fraction in the mixture with representative conventional jet fuels, considering both the safety requirements as well as the potential reduction of CO2 and soot emissions. As potential next steps, this work identifies the need for advancements in the analytics of the fuel composition as well as the extension of the existing fuel property databases. The former would reduce the uncertainty in the property modeling, while the latter would increase both the predictive capability of the models and the understanding of the fuel property relations.
  • Thumbnail Image
    ItemUnknown
    Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines Betriebskonzepts für die Mikrogasturbine in einem MGT/SOFC Hybridkraftwerk
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2020) Hohloch, Martina; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    Ein Hybridkraftwerk, eine Kopplung von Gasturbine (GT) und Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), bietet langfristig gesehen den höchsten elektrischen Wirkungsgrad. Durch seine gute Skalierbarkeit ist das Hybridkraftwerk sowohl im dezentralen Bereich als auch im Bereich der Großkraftwerke einsetzbar. Hierbei können je nach Anlagengröße elektrische Wirkungsgrade von 60 % bei kleinen Anlagen bis hin zu 70 % bei Großanlagen erreicht werden. Die Firma Siemens Westinghouse konnte mit einem Demonstrator bereits im Jahre 2000 die generelle Machbarkeit eines Hybridkraftwerks zeigen. Die Firma Mitsubishi Hitachi Power Systems führt seit 2016 Demonstrationstests durch. Für die Weiterentwicklung des Hybridkraftwerks und für das Verständnis der Zusammenhänge im System ist jedoch, aufgrund der Unterschiede der beiden Subsysteme Gasturbine und SOFC, noch ein hoher Forschungsaufwand notwendig. Während bei Gasturbinen typischerweise hohe Druck- und Temperaturgradienten auftreten, stellt die SOFC ein träges System dar, bei dem strenge Limitierungen in den genannten Gradienten sowie Druckdifferenzen einzuhalten sind. Um bei der Untersuchung der einzelnen Subsysteme unter Hybridkraftwerksbedingungen das Risiko einer Beschädigung der jeweiligen anderen Komponente zu umgehen, bietet sich der Einsatz von Hybridkraftwerksversuchsanlagen an, bei welchen ein Subsystem durch einen Simulator ersetzt wird, der die Eigenschaften der realen Komponente möglichst genau nachbilden kann. Prinzipiell sind in einem Hybridkraftwerk unterschiedliche Verschaltungen der Subsysteme denkbar. Dabei kann die SOFC unter Druck oder atmosphärisch betrieben werden. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurden mittels numerischer Untersuchungen verschiedene Varianten hinsichtlich Wirkungsgrad und Betriebsbereich analysiert. Als Basis für die Simulationen wurde eine kommerziell erhältliche Turbec T100PH Mikrogasturbine (MGT) mit einer elektrischen Leistung von 100 kWel und ein tubulares SOFC System der Firma Siemens ausgewählt. Dabei zeigte sich, dass der höchste elektrische Wirkungsgrad erreicht werden kann, wenn die SOFC in den Gasturbinenkreislauf zwischen Rekuperator und Turbine integriert wird. Die SOFC sollte dabei eine Größe von 1152 Zellen haben um einen möglichst großen Betriebsbereich zu bieten. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines Betriebskonzepts für die Turbec T100PH Mikrogasturbine in einem MGT/SOFC Hybridkraftwerk. Dabei sollten das bestehende Steuerungs- und Regelungssystem und die Komponenten der originalen Mikrogasturbine mit nur möglichst geringen Modifikationen übernommen werden. Das Betriebskonzept umfasst den Start, Aufheiz- und Abkühlvorgänge an der SOFC, Lastwechsel und das Herunterfahren der Anlage sowie den Einsatz von Notfallmanövern in kritischen Betriebszuständen. Als Grundlage für die Untersuchungen wurde auf Basis der Turbec T100PH ein Prüfstand aufgebaut und detailliert instrumentiert. Die Mikrogasturbine wurde sowohl in transienten Manövern als auch in stationären Punkten charakterisiert. Mit Hilfe der Untersuchungen konnte ein Basisdatensatz erzeugt werden, der sowohl für den Vergleich mit der Hybridkraftwerksversuchsanlage herangezogen, als auch zur Validierung von numerischen Modellen eingesetzt werden kann. Für die Hybridkraftwerksversuchsanlage wurde anstelle einer realen SOFC ein Simulator entworfen und aufgebaut, der das Volumen der Kathodenseite, den Druckverlust, die Aufenthaltszeit und die Austrittstemperatur einer SOFC nachbilden kann. Der SOFC Simulator wurde über ein Rohrleitungssystem mittels verschiedener Stränge mit der Mikrogasturbine gekoppelt. Über den Hauptpfad ist er zwischen Rekuperatoraustritt und Brennkammereintritt integriert und kann über einen Bypass-Strang umgangen werden. Ein weiterer Strang, der vom Verdichteraustritt zum Simulator führt, kann für Aufheiz- und Abkühlvorgänge eingesetzt werden. Die Komponenten des Hybridkraftwerksaufbaus wurden schrittweise in den MGT Prüfstand integriert, um ihren Einfluss auf den stabilen Betriebsbereich und das Betriebsverhalten der MGT zu analysieren. Die Untersuchungen zeigten dabei einen eingeschränkten Betriebsbereich der Hybridkraftwerksversuchsanlage aufgrund des erhöhten Druckverlusts, der durch die Komponenten zwischen Verdichter und Turbine aufgebracht wird. Die transienten Manöver Start, Stopp und Lastwechsel, sowie Strangumschaltungen und Notfallmanöver wurden in unterschiedlichen Varianten mit Hilfe der verschiedenen Stränge getestet und hinsichtlich ihrer Eignung für das Betriebskonzept bewertet. Dabei konnte gezeigt werden, dass alle für einen Hybridkraftwerksbetrieb notwendigen Manöver trotz gewisser Einschränkungen durchführbar sind. Gleichzeitig wurden Optimierungspotenziale an der MGT für ein real gekoppeltes Hybridkraftwerk aufgezeigt. Darüber hinaus wurde der Effekt unterschiedlicher SOFC Austrittstemperaturen auf den Betrieb der Gesamtanlage untersucht. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse wurden die am besten geeigneten Vorgehensweisen für die jeweiligen Manöver ausgewählt und nochmals mit dem Fokus auf das SOFC System analysiert, bevor in einem letzten Schritt das Betriebskonzept abgeleitet wurde. Für ein Hybridkraftwerk auf Basis einer kommerziellen Turbec T100PH konnte somit erfolgreich ein erstes Betriebskonzept aufgestellt werden. Gleichzeitig zeigt die Arbeit aber auch Optimierungspotenziale an der MGT, vor allem im Bereich der Brennkammer, um einen weiten, stabilen Betriebsbereich zu erreichen.