Weckering, Jeremy (2011)
Development of Numerical Modeling Methods for Prediction of Ignition Processes in Aero-Engines.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Entwicklung von numerischen Modellierungsmethoden zur Vorhersage von Zündprozessen in Flugtriebwerken Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung von numerischen Methoden zur Vorhersage von Zündprozessen mit dem übergeordneten Ziel, die Wiederzündbarkeit von Flugtriebwerken bei großen Flughöhen numerisch ermitteln zu können. Die Motivation erwächst aus einem verstärkten technischen Interesse der Industrie, numerische Methoden zur Vorhersage der Zündbarkeit einer Brennkammer einzusetzen. In der Tat sind neue Verbrennungskonzepte zur weiteren Senkung der Emissionen von thermischen Stickoxiden durch instabile Verbrennungsbedingungen gekennzeichnet. Gleichzeitig erschweren diese Bedingungen den erfolgreichen Ablauf der Wiederzündung. Folglich ist die Entwicklung von effizienteren Flugtriebwerken durch die notwendige Sicherstellung der effektiven Wiederzündung der Brennkammer bei allen Betriebsbedingungen beeinträchtigt. Schließlich erweisen sich niedrige Drücke und niedrige Temperaturen bei großen Flughöhen als besonders ungünstig und stehen im Mittelpunkt der Bemühungen zur verbesserten Wiederzündbarkeit von Triebwerken. Darüber hinaus erfordern magere Verbrennungskonzepte komplexe Luft-Brennstoff-Mischungsprozesse. Dies führt zur komplexen Brennkammergeometrien, die als numerische Gitter mit Multi-Block Strukturen nur mit großem Aufwand vernetzt werden können. Deshalb wurde die Entwicklung eines unstrukturierten Codes zur Strömungssimulation vorangetrieben. Dieser Code, PRECISE-UNS (Predictive-System for Real Engine Combustors - Unstructured), basiert auf dem Finite Volumen Code Dolfyn, dessen Fortran Quelltext zugänglich ist. Alle dokumentierten Untersuchungen wurden mit PRECISE-UNS durchgeführt. Die erfolgreiche Zündung einer Brennkammer besteht aus mehreren Phasen, darunter die Flammen-Kern-Generierung, der Kern-Wachstum, die Kern-Konvektion, die Flammen-Ausbreitung und -Stabilisierung. Zündsequenzen sind also instationäre Phänomenen, die sich einerseits durch die Interaktion zwischen der langsamen Chemie und der turbulenten Strömung auszeichnen und andererseits ausgeprägte probabilistische Eigenschaften aufweisen. Daher wurden zwei Methoden entwickelt und verwendet, die diese Eigenschaften erfassen können. Zunächst wurde eine rechenzeit-eziente Methode mit Fortschrittsvariablen-Ansatz entwickelt. Diese Methode ermöglicht die Berücksichtigung der Interaktion zwischen der langsamen Chemie und der turbulenten Strömung durch die Anwendung von Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen. An einer, in einer heißen Begleitströmung selbstzündenden, abgehobenen, turbulenten Methan-Jet-Flamme wurde die Methode angewandt. Hierzu konnte eine abgehobene Flamme simuliert und deren Stabilisierungsmechanismus identiziert werden. Insbesondere konnte das Verlöschen von gezündeten, sehr mageren Fluid-Elementen durch schnelle Mischung mit dem kalten Jet nachgewiesen werden. Dadurch wurde die Eignung der Methode validiert, Effekte der Interaktion zwischen der langsamen Chemie und der turbulenten Strömung wiederzugeben. Der zweite wichtiger Punkt dieser Arbeit besteht in der Entwicklung einer besonders rechen-effizienten Methode zur statistischen Untersuchung von Zündprozessen. Zur Simulation instationärer Phänomenen in technischen Systemen ist die Methode der Grobstruktursimulation, im Englischen Large-Eddy Simulation (LES), besonders geeignet und wurde zur Simulation von Zündsequenzen eingesetzt. Der einhergehende große Rechenaufwand verbietet jedoch jegliche aussagekräftige Ensemble Mittelung zur Ermittlung von statistischen Werten. Die neue Methode wurde konzipiert, um Ensemble Mittelung zu ermöglichen. Zum Monitoring der Zündereignisse verbindet diese Methode die Verfolgung von Lagrangeschen Partikeln mit LES und untersucht die lokale turbulente Flammengeschwindigkeit auf den Oberächen von gezündeten Kernen. Die Methode basiert auf zwei Annahmen: (i) der Verlauf einer Zündung, von der Flammenkern-Generierung bis zum Übergang zu einer Flammenfront, ist durch das gesamte Strömungsfeld zum Zündzeitpunkt vorgegeben. (ii) Das Wachstum von Flammenkernen, inklusiv der Effekte der thermischen Expansion, kann unter Berücksichtigung von experimentellen Beobachtungen modelliert werden. Dadurch können die Oberächen von mehreren Flammenkernen gleichzeitig erfasst werden sowie Zündereignissen, die an unterschiedlichen Orten initiiert wurden, gleichzeitig simuliert werden. Schließlich wird der statistische Verlauf von Zündungsereignissen unter der Berücksichtigung der korrelierten Effekte (i) der Strömungsbedingungen am Ort der Zündvorrichtung, (ii) der Konvektion des Kerns und (iii) des Übergangs des Kerns zu einer ausbreitenden Flammenfront untersucht. Die Methode wurde an einem fremdgezündeten, nicht-vorgemischten Methan-Jet angewandt. Die konditionierten Wahrscheinlichkeiten von Flammenkern Generierung, Konvektion, Wachstum und Stabilisierung stimmen mit den experimentell gemessenen Zündwahrscheinlichkeiten gut überein.

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