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Experimentelle Untersuchung der Strömung und Vermischung in einem Drallbrennermodell

Palm, Roland :
Experimentelle Untersuchung der Strömung und Vermischung in einem Drallbrennermodell.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle Untersuchung der Strömung und Vermischung in einem Drallbrennermodell
Language: German
Abstract:

Die experimentelle Arbeit beschäftigte sich mit der Aerodynamik und Vermischung innerhalb eines Flammrohres vom Typ „Tuboannular Combustion Chamber“ und wurde vom Ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziell unterstützt. Solch eine Strömung ist hochgradig turbulent und durch den Drall mit stark gekrümmten Stromlinien versehen. Diese Strömung lässt sich analytisch nicht mehr beschreiben. Statt kostspielige und aufwendige Experimente durchzuführen, ist es wirtschaftlicher, moderne Strömungssimulationsverfahren einzusetzen, um Strömungsphänomene innerhalb der Brennkammer zu simulieren. Zur Beschreibung der Strömung verwenden Numeriker Turbulenzmodelle, für deren Verifizierung und Validierung experimentelle Daten erforderlich sind. Die Verifikationsexperimente können an wesentlich einfacheren Modellen erfolgen und sind somit trotz der notwendigen Experimente wirtschaftlicher, gegenüber einer vollständigen experimentellen Vermessung. Zur Bestimmung dieser essentiellen Daten wurde ein Drallbrennermodell aufgebaut. Mit diesen wurden unter betriebsnahen Bedingungen (Reynoldszahlen, Erweiterungsverhältnis und Flammrohrabmessungen) isotherme Strömungsuntersuchungen im Flammrohr simuliert. Zur Erfassung der Strömungsgrößen kamen diverse Lasermessverfahren zum Einsatz. Der Vorteil der eingesetzten Messverfahren lag in der berührungslosen und somit störungsfreien Erfassung der relevanten Größen. Die Laser-Doppler-Technik (LDA) zeichnet sich durch eine hohe zeitliche Auflösung aus und wurde zu Messungen der Randbedingungen eingesetzt. Ausstehende Fragen bezüglich Geschwindigkeitsgradienten und deren Vorzeichen konnten beantwortet werden. Weitere dimensionslose Kenngrößen, wie die normierte turbulente kinetische Energie und die experimentelle Drallintensität S, lassen die Charakterisierung der Strömung im Einlass zu. Die eingesetzte Partikel-Image-Velocimetry (PIV) ermöglichte die Erfassung der Entstehungsdynamik von Rezirkulationszonen. Die Entstehung der Rezirkulationszone kann in fünf Schritte unterteilt werden, wobei sich drei verschiedene Ringstrukturen herauskristallisiert haben. Der konzentrische Ringstruktur zwischen Hauptstrom und Koaxialstrom, die tordierte Ringstruktur zwischen Hauptstrom und Koaxialstrom und die klassische Rezirkulationszone in der Mitte des Flammrohres. Die Konzentrationsmessungen innerhalb des Flammrohres wurden auf der Basis des quantitativen Laserlichtschnittverfahrens (QLS) durchgeführt. Das Verfahren beruht auf der Streuung von Licht an kleinen Partikeln, die einem der beiden Luftströme zugesetzt werden. Es wurde vorausgesetzt, dass das gestreute Licht proportional zur Massenstromkonzentration ist. Das Verfahren basiert auf der Mie-Streuung und wird in Längenmaßen aufgelöst, die mit der Streulichtkonzentration zusammenhängen. Für die Bildverarbeitung wurde eine Software entwickelt, die störende Einflussgrößen bei voller Bildauflösung korrigiert. Zur Klassifizierung der untersuchten Betriebsparameter wurde eine neue Definition der mittleren Konzentration und der Unvermischtheit eingeführt, die erstmals eine lokale Beschreibung der Konzentrations-verteilung in Bezug auf eine globale mittlere Konzentration zulässt. Die ermittelte Datenbasis diente der Beschreibung von Vermischungsvorgängen und wurde in dieser Form bisher noch nicht erstellt. Die erzielten wissenschaftlichen Ergebnisse sind sowohl für Turbulenzforscher als auch für Brennkammerhersteller und für Messtechniker von großem Interesse. Die Ergebnisse dienen u. a. der Erhöhung des Ausbrandgrades und somit der Reduzierung von Emissionen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The experimental investigation deals with the aerodynamics and mixing inside of a flue and was financially supported by the German Ministry for Education and Science (BMBF). The design of the model combustion chamber is based on a „Tuboannular Combustion Chamber“. The air flows inside the combustion chamber is characterised by high turbulence and strong streamline curvature. These air flows cannot be determined analytically. Instead of doing expensive measurements, it is more economical to introduce modern computational processes to predict the air flow phenomena inside the combustion chamber. To compute the air flow, turbulent models are used. For their verification and validation an experimental data base is required. The necessary verification experiments can be achieved with a simplified design of a test rig and is therefore more economical than doing the measurements with a real combustion chamber. To determine the essential data base, such a test rig was manufactered. With this test rig, the isothermal air flow inside the Combustion Chamber can be simulated under real working conditions (Reynolds’number, expansion ratio and the geometry of the flue). A laser measurement technique was used to characterise the air flow. The advantage is a non-touching and thus undisturbed determination of these essential data. The Laser-Doppler-Velocimetry (LDV) is marked out with a high time resolution and was used to measure the inlet conditions. Outstanding questions with respect to the gradients and the sign of the velocity profiles were answered. Further dimensionless values were determined, including the normalized turbulent kineticl energy and the experimental swirl intensity S. These values are necessary to characterise the inlet air flow before the sudden expansion in the flue occurs. The Particle-Image-Velocimetry (PIV) records the formation of a full developed recirculation zone. The formation of the recirculatiuon zone occurs in five steps, whereby three different structures are observed (a concentric ring structure, a torsioned ring structure and the full developed recirculation zone in the center of the flue). The concentration measurement technique, which was used, is called the Quantitative Light Sheet Process (QLS).This kind of concentration measurement technique is based on the elastic scattering of laser light (Mie rays) from particles uniformly in the main flow. It is assumed that the local intensity of the scattered light is proportional to the concentration of the particles in the light sheet. The setup includes a commercial PIV system. The resolution of the concentration measurement technique depends on the scattered light concentration. The steps of image processing are described, with respect to seeding intensity fluctuations, the laser beam intensity profile, the laser divergence, angular depence of the scattering, background light, dark current and noise of camera. Therefore new software was developed to correct all the influences with respect to full image resolution. For classification of mixing processes, a new defination of the averaged concentration and the unmixedness was introduced, which allows a local concentration distribution with respect to a global averaged concentration. These helps to understand the physics of mixing within the combustor and was not examined before this work. The obtained data are of great interest for developers of turbulence models, for engineers who design combustion chambers and for researchers who study the physics of mixture processes. The results can be used to increase the efficiency of combustion and to reduce emissions.English
Uncontrolled Keywords: Drallbrennermodell, Konzentrationsmessungen, Rezirkulationszone, Einlaufbedingungen
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Drallbrennermodell, Konzentrationsmessungen, Rezirkulationszone, EinlaufbedingungenGerman
Tuboannular Combustion Chamber model, concentration measurement technique, vortex breakdown, inlet conditionsEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000723
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7231
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Schröder, Prof. Dr.- Wolfgang and Jakirlic, Priv.-Doz. Suad
Advisors: Tropea, Prof. Dr.- Cameron
Refereed: 19 April 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/723
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