Maximilian Paßmann beschreibt detailliert die Auslegungsverfahren für die einzelnen Bauteile (Kontraktion und Diffusor) und die Konstruktion der modularen Testsektion eines geschlossenen Windkanals für ORC-Fluide. Während die Kontraktion mithilfe eines semianalytischen Verfahrens entworfen wird, beruht die Auslegung des Diffusors auf numerischen Simulationen, deren Ergebnisse mit analytischen Verfahren aus der Literatur verglichen werden. Hierbei geht der Autor besonders auf die konzeptionellen Vorteile eines Stufendiffusors ein. Abschließend stellt er die gesamte Testsektion unter besonderer Beachtung des modularen Aufbaus vor.
Aktualisiert: 2023-05-30
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Maximilian Paßmann beschreibt detailliert die Auslegungsverfahren für die einzelnen Bauteile (Kontraktion und Diffusor) und die Konstruktion der modularen Testsektion eines geschlossenen Windkanals für ORC-Fluide. Während die Kontraktion mithilfe eines semianalytischen Verfahrens entworfen wird, beruht die Auslegung des Diffusors auf numerischen Simulationen, deren Ergebnisse mit analytischen Verfahren aus der Literatur verglichen werden. Hierbei geht der Autor besonders auf die konzeptionellen Vorteile eines Stufendiffusors ein. Abschließend stellt er die gesamte Testsektion unter besonderer Beachtung des modularen Aufbaus vor.
Aktualisiert: 2023-05-30
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Dieses umfassende Handbuch widmet sich den physikalisch-mathematischen Grundlagen der Aerodynamik – von Grund auf und bis ins letzte Detail nachrechenbar. Es räumt mit wissenschaftlichen Halbwahrheiten auf, die das Teilgebiet der Strömungslehre über die letzten Jahrzehnte dominiert haben. Durch die Korrektur überholter Annahmen rollt es die Lehre der Aerodynamik neu auf und liefert wertvolle Impulse für Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Anlagen- und Fahrzeugbau.
Folgende Themen werden behandelt:
- Elementare Grundlagen: Newtonsche Axiome, Auftriebskraft, Strömungsumlenkung bei längs gekrümmten Oberflächen
- Bestimmung aerodynamischer Kräfte und Momente aus Druckverteilungen
- Dimensionsanalyse, Ähnlichkeitsgesetze und Modellregeln: Buckinghamsches Π-Theorem, dimensionslose Kenngrößen
- Strömungsmechanische Grundlagen: Eulersche Gleichungen, Bernoulli-Gleichung, Impulssatz für stationäre Strömungen
- Einfache ebene und räumliche Potentialströmungen: Laplace-Gleichung, Zirkulation, Stromfunktion
- Komplexe Strömungsfunktionen: Rechnen mit komplexen Zahlen, Grundlagen der komplexen Analysis in der Aerodynamik
- Konforme Abbildungen
Mit modernsten Mitteln der Simulation zeigt der Autor, wie sich Luft bei der Umströmung von Körpern verhält. Für Berechnungen, die mehr Aufwand erfordern, stellt er Programme und eine Grafikausgabe bereit, die zusammen mit den dazugehörigen Quellcodes auf plus.hanser-fachbuch.de heruntergeladen werden können. Aufwendig gestaltete Abbildungen, die so in keiner anderen Veröffentlichung zur Aerodynamik zu finden sind, runden den Inhalt ab.
Aktualisiert: 2023-05-25
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Eine wichtige Zielstellung bei der Entwicklung moderner Flugtriebwerke ist die weitere Steigerung der Effizienz bei gleichzeitiger Reduktion von Schadstoffemissionen und Lärm. Hierfür müssen neue und innovative Brennkammerkonzepte entwickelt und validiert werden, da die Art der Verbrennungsführung und die Positionierung der Flamme in der Brennkammer die Emissionscharakteristiken entscheidend bestimmt. Die Verbrennungsführung wiederum wird maßgeblich durch die Zerstäubung des flüssigen Kraftstoffs beeinflusst. Bisher war jedoch der Vorgang der Primärzerstäubung des Brennstoffes einer vollständigen numerischen Beschreibung nicht zugänglich. Die große Spanne unterschiedlicher Längenskalen der Gas- und Flüssigphase während des Zerfallsprozesses bedingt einen immensen numerischen Aufwand, der durch die Notwendigkeit der physikalisch exakten Beschreibung der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen und den dort vorherrschenden Phänomenen und Prozessen noch zusätzlich erhöht wird.
Im vorliegenden Forschungsbericht wendet der Autor die relativ junge numerische Methode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) erstmals für die Berechnung des Primärzerfalls von Brennstoff in luftgestützten Zerstäuberdüsen an. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Steigerung der numerischen Leistungsfähigkeit der SPH Methode im Vergleich zu klassischen gitterbasierten Verfahren. Weiterhin wird auf Aspekte der Implementierung eingegangen, welche den erfolgreichen Einsatz der Methode auf modernen Hochleistungsrechnern ermöglichen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Validierung des Verfahrens mit Hilfe von am Institut für Thermische Strömungsmaschinen vorhandenen detaillierten Messergebnissen einer generischen planaren Zerstäuberdüse. Sowohl die Validierungsergebnisse als auch die numerische Leistungsfähigkeit unterstreichen das hohe Potential von SPH zur numerischen Berechnung komplexer Mehrphasenströmungen mit starker Phasenwechselwirkung
Aktualisiert: 2023-05-15
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Der Bedarf an effizienteren und emissionsarmen Flugzeugtriebwerken führt aufgrund der hierzu notwendigen steigenden Wellendrehzahl zu einer stetig wachsenden thermischen und mechanischen Belastung der eingesetzten Wälzlager. Die Bereitstellung einer robusten Ölversorgung zur Schmierung und vor allem Kühlung der Wälzkörper, welche in der Regel über einen Freistrahl zum Rotor beziehungsweise Lager realisiert wird, ist daher unerlässlich für den zuverlässigen und sicheren Betrieb eines solchen Flugzeugtriebwerks. Um dem wachsenden Bedarf an mehr Kühl- beziehungsweise Schmiermittel gerecht zu werden, ist eine optimierte Ölzuführung und ein somit effizienteres Ölsystem vonnöten.
Daran schließt die vorliegende Arbeit an. Mittels einer umfassenden experimentellen Untersuchung einer Ölzuführung via Freistrahl zum Triebwerkskugellager erfolgt die Identifizierung der Einflussgrößen einer solche Zuführung. Zusätzlich werden deren Auswirkung auf die Effizienz der Ölversorgung analysiert. In dieser Arbeit wird nachgewiesen, dass diese Einflussgrößen über einen Parameter zusammengefasst werden können, um die Auslegung einer Ölversorgung eines Triebwerkskugellagers zu bewerten. Unterstützt wird dieser Nachweis durch begleitend durchgeführte numerische Simulationen der vorliegenden Ölversorgung mittels der Volume of Fluid Methode (VoF), welche sich als geeignete Methode für die numerische Vorhersage der Ölversorgungseffizienz erweist.
Aktualisiert: 2023-05-15
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In den letzten Jahrzehnten wurde ein starker Anstieg des Energiebedarfs in allen
Bereichen der globalen Wirtschaft und der Gesellschaft verzeichnet. Dieser Trend wird auch zukünftig anhalten. Um die Folgen der daraus resultierenden Klimaerwärmung auf den Planeten einzudämmen müssen hocheffiziente Prozesse zur drastischen Senkung der Schadstoffemissionen und zur Verringerung des Verbrauchs von
Primärenergieträgern entwickelt werden. Zur Optimierung von Energieumwandlungsprozessen kommen sowohl experimentelle als auch numerische Methoden zum Einsatz. Vertrauenswürdige und validierte numerische Verfahren ermöglichen detaillierte Vorhersagen der vorherrschenden Phänomene in relativ kurzer Zeit bei klar definierten Randbedingungen.
An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Es werden detaillierte numerische Vorhersagen des Verhaltens von mono- und bifluiden Einzeltropfen unter geringer stoßartiger aerodynamischer Last mit Hilfe der Lagrangeschen Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH) untersucht. Im Focus stehen die Deformation, die Schwingung und die Trajektorie der Tropfen. In dieser Arbeit wird nachgewiesen, dass die eingesetzte SPH-Methode die komplexen mehrphasigen Vorgänge bei erzwungenen Formschwingungen in hoher Genauigkeit wiedergibt. Zudem wird die Methode durch ein allgemeines Dreiphaseninteraktionsmodell erweitert und als Werkzeug zur Plausibilisierung, Kalibrierung und Neuentwicklung von vereinfachten Modellen und Methoden verwendet.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Die Aufbereitung des flüssigen Kraftstoffes in Brennkammern von Gasturbinen beeinflusst maßgeblich die entstehenden Schadstoffe. In modernen Brennkammern von Flugtriebwerken erfolgt die Aufbereitung des Luft-Brennstoff-Gemischs durch luftgestützte Brennstoffdüsen, sogenannten "Airblast-Zerstäubern". Der aufgeprägte Kraftstofffilm wird unter der Einwirkung von Luft in Ligamente und Tropfen zerteilt. Falls ausreichend große aerodynamische Kräfte an diesen Ligamenten und Tropfen vorherrschen, werden diese nachzerstäubt. Diese Nachzerstäubung wird als Sekundärzerfall bezeichnet. Der flüssige Kraftstoff breitet sich weiterhin aus und verdunstet, bevor er verbrennt.
Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung der Zerstäubung und Ausbreitung des Kraftstoffes in Triebwerksbrennkammern. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf dem Sekundärzerfall. Basierend auf früheren Arbeiten am Institut für Thermische Strömungsmaschinen des Karlsruher Instituts für Technologie wird ein Modell zur Beschreibung des Sekundärzerfalls erweitert. Anschließend wird anhand von numerischen Berechnungen der Frage nachgegangen, inwiefern sich das Sekundärzerfallsmodell auf die berechnete Ausbreitung des Kraftstoffes in einer Flugtriebwerksbrennkammer auswirkt.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Dieses umfassende Handbuch widmet sich den physikalisch-mathematischen Grundlagen der Aerodynamik – von Grund auf und bis ins letzte Detail nachrechenbar. Es räumt mit wissenschaftlichen Halbwahrheiten auf, die das Teilgebiet der Strömungslehre über die letzten Jahrzehnte dominiert haben. Durch die Korrektur überholter Annahmen rollt es die Lehre der Aerodynamik neu auf und liefert wertvolle Impulse für Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Anlagen- und Fahrzeugbau.
Folgende Themen werden behandelt:- Elementare Grundlagen: Newtonsche Axiome, Auftriebskraft, Strömungsumlenkung bei längs gekrümmten Oberflächen- Bestimmung aerodynamischer Kräfte und Momente aus Druckverteilungen- Dimensionsanalyse, Ähnlichkeitsgesetze und Modellregeln: Buckinghamsches Π-Theorem, dimensionslose Kenngrößen- Strömungsmechanische Grundlagen: Eulersche Gleichungen, Bernoulli-Gleichung, Impulssatz für stationäre Strömungen- Einfache ebene und räumliche Potentialströmungen: Laplace-Gleichung, Zirkulation, Stromfunktion- Komplexe Strömungsfunktionen: Rechnen mit komplexen Zahlen, Grundlagen der komplexen Analysis in der Aerodynamik- Konforme Abbildungen
Mit modernsten Mitteln der Simulation zeigt der Autor, wie sich Luft bei der Umströmung von Körpern verhält. Für Berechnungen, die mehr Aufwand erfordern, stellt er Programme und eine Grafikausgabe bereit, die zusammen mit den dazugehörigen Quellcodes auf plus.hanser-fachbuch.de heruntergeladen werden können. Aufwendig gestaltete Abbildungen, die so in keiner anderen Veröffentlichung zur Aerodynamik zu finden sind, runden den Inhalt ab.
Aktualisiert: 2023-03-09
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Dieses umfassende Handbuch widmet sich den physikalisch-mathematischen Grundlagen der Aerodynamik – von Grund auf und bis ins letzte Detail nachrechenbar. Es räumt mit wissenschaftlichen Halbwahrheiten auf, die das Teilgebiet der Strömungslehre über die letzten Jahrzehnte dominiert haben. Durch die Korrektur überholter Annahmen rollt es die Lehre der Aerodynamik neu auf und liefert wertvolle Impulse für Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Anlagen- und Fahrzeugbau.
Folgende Themen werden behandelt:
- Elementare Grundlagen: Newtonsche Axiome, Auftriebskraft, Strömungsumlenkung bei längs gekrümmten Oberflächen
- Bestimmung aerodynamischer Kräfte und Momente aus Druckverteilungen
- Dimensionsanalyse, Ähnlichkeitsgesetze und Modellregeln: Buckinghamsches Π-Theorem, dimensionslose Kenngrößen
- Strömungsmechanische Grundlagen: Eulersche Gleichungen, Bernoulli-Gleichung, Impulssatz für stationäre Strömungen
- Einfache ebene und räumliche Potentialströmungen: Laplace-Gleichung, Zirkulation, Stromfunktion
- Komplexe Strömungsfunktionen: Rechnen mit komplexen Zahlen, Grundlagen der komplexen Analysis in der Aerodynamik
- Konforme Abbildungen
Mit modernsten Mitteln der Simulation zeigt der Autor, wie sich Luft bei der Umströmung von Körpern verhält. Für Berechnungen, die mehr Aufwand erfordern, stellt er Programme und eine Grafikausgabe bereit, die zusammen mit den dazugehörigen Quellcodes auf plus.hanser-fachbuch.de heruntergeladen werden können. Aufwendig gestaltete Abbildungen, die so in keiner anderen Veröffentlichung zur Aerodynamik zu finden sind, runden den Inhalt ab.
Aktualisiert: 2023-03-14
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Nasslaufende, permanenterregte Synchronmaschinen eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften für den Einsatz im Fahrzeug. Um das thermische Verhalten frühzeitig im Entwicklungsprozess abbilden zu können, ist ein geeigneter Modellierungsansatz notwendig. Seine Analyse der Schlüsselfaktoren in Bezug auf die Wärmequellen/-senken und den Wärmetransport führt den Autor zu den Haupteinflussparametern der Kühlungssimulation. Durch die Wahl geeigneter Modellierungssätze zur Berücksichtigung der relevanten Einflussparameter kann Christopher Beck die Bauteiltemperaturen der nasslaufenden Synchronmaschine in Dauerbetriebspunkten bei adäquater Rechenzeit ermitteln.
Aktualisiert: 2023-04-01
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Nasslaufende, permanenterregte Synchronmaschinen eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften für den Einsatz im Fahrzeug. Um das thermische Verhalten frühzeitig im Entwicklungsprozess abbilden zu können, ist ein geeigneter Modellierungsansatz notwendig. Seine Analyse der Schlüsselfaktoren in Bezug auf die Wärmequellen/-senken und den Wärmetransport führt den Autor zu den Haupteinflussparametern der Kühlungssimulation. Durch die Wahl geeigneter Modellierungssätze zur Berücksichtigung der relevanten Einflussparameter kann Christopher Beck die Bauteiltemperaturen der nasslaufenden Synchronmaschine in Dauerbetriebspunkten bei adäquater Rechenzeit ermitteln.
Aktualisiert: 2023-04-04
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Die Aufbereitung des flüssigen Kraftstoffes in Brennkammern von Gasturbinen beeinflusst maßgeblich die entstehenden Schadstoffe. In modernen Brennkammern von Flugtriebwerken erfolgt die Aufbereitung des Luft-Brennstoff-Gemischs durch luftgestützte Brennstoffdüsen, sogenannten "Airblast-Zerstäubern". Der aufgeprägte Kraftstofffilm wird unter der Einwirkung von Luft in Ligamente und Tropfen zerteilt. Falls ausreichend große aerodynamische Kräfte an diesen Ligamenten und Tropfen vorherrschen, werden diese nachzerstäubt. Diese Nachzerstäubung wird als Sekundärzerfall bezeichnet. Der flüssige Kraftstoff breitet sich weiterhin aus und verdunstet, bevor er verbrennt.
Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung der Zerstäubung und Ausbreitung des Kraftstoffes in Triebwerksbrennkammern. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf dem Sekundärzerfall. Basierend auf früheren Arbeiten am Institut für Thermische Strömungsmaschinen des Karlsruher Instituts für Technologie wird ein Modell zur Beschreibung des Sekundärzerfalls erweitert. Anschließend wird anhand von numerischen Berechnungen der Frage nachgegangen, inwiefern sich das Sekundärzerfallsmodell auf die berechnete Ausbreitung des Kraftstoffes in einer Flugtriebwerksbrennkammer auswirkt.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Der Bedarf an effizienteren und emissionsarmen Flugzeugtriebwerken führt aufgrund der hierzu notwendigen steigenden Wellendrehzahl zu einer stetig wachsenden thermischen und mechanischen Belastung der eingesetzten Wälzlager. Die Bereitstellung einer robusten Ölversorgung zur Schmierung und vor allem Kühlung der Wälzkörper, welche in der Regel über einen Freistrahl zum Rotor beziehungsweise Lager realisiert wird, ist daher unerlässlich für den zuverlässigen und sicheren Betrieb eines solchen Flugzeugtriebwerks. Um dem wachsenden Bedarf an mehr Kühl- beziehungsweise Schmiermittel gerecht zu werden, ist eine optimierte Ölzuführung und ein somit effizienteres Ölsystem vonnöten.
Daran schließt die vorliegende Arbeit an. Mittels einer umfassenden experimentellen Untersuchung einer Ölzuführung via Freistrahl zum Triebwerkskugellager erfolgt die Identifizierung der Einflussgrößen einer solche Zuführung. Zusätzlich werden deren Auswirkung auf die Effizienz der Ölversorgung analysiert. In dieser Arbeit wird nachgewiesen, dass diese Einflussgrößen über einen Parameter zusammengefasst werden können, um die Auslegung einer Ölversorgung eines Triebwerkskugellagers zu bewerten. Unterstützt wird dieser Nachweis durch begleitend durchgeführte numerische Simulationen der vorliegenden Ölversorgung mittels der Volume of Fluid Methode (VoF), welche sich als geeignete Methode für die numerische Vorhersage der Ölversorgungseffizienz erweist.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Maximilian Paßmann beschreibt detailliert die Auslegungsverfahren für die einzelnen Bauteile (Kontraktion und Diffusor) und die Konstruktion der modularen Testsektion eines geschlossenen Windkanals für ORC-Fluide. Während die Kontraktion mithilfe eines semianalytischen Verfahrens entworfen wird, beruht die Auslegung des Diffusors auf numerischen Simulationen, deren Ergebnisse mit analytischen Verfahren aus der Literatur verglichen werden. Hierbei geht der Autor besonders auf die konzeptionellen Vorteile eines Stufendiffusors ein. Abschließend stellt er die gesamte Testsektion unter besonderer Beachtung des modularen Aufbaus vor.
Aktualisiert: 2023-04-02
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Eine detaillierte Befundung des Zustands von Flugtriebwerken, insbesondere zur Lokalisierung und Identifikation von betriebsbedingten Defekten, ist ohne Demontage bisher nur eingeschränkt möglich. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Konzeptionierung einer berührungslosen, „on-Wing"-Zustandsbeurteilung von Triebwerksbrennkammern, um den Maintenance, Repair and Overhaul-Prozess zu optimieren.
Dem methodischen Ansatz liegt zugrunde, dass Fehlerzustände im Inneren eines Triebwerks die Strömung beeinflussen und sich bis zum Austritt aus der Turbine nur wenig vermischen. Optische, berührungsfreie Messverfahren ermöglichen eine Analyse der beeinflussten Strömung im Abgasstrahl. Auf Basis numerischer Simulationen können außerhalb der Brennkammer gemessene Anomalien auf einem virtuellen Pfad identifiziert und einer Fehlerquelle zugeordnet werden. An einer hierfür entwickelten, optisch zugänglichen Modellbrennkammer mit acht ringförmig angeordneten, vorgemischt betriebenen Brennern, wird der methodische Ansatz mit der Strömungsmesstechnik Particle Image Velocimetry sowie mit numerischer Simulation untersucht. Eine Übertragung des Ansatzes auf eine reale Triebwerksbrennkammer wird simulativ durchgeführt. Der Regenerationsprozess kann unter Anwendung der erforschten Methodik zur Zustandsbeurteilung von Triebwerksbrennkammern zuverlässiger, schneller und weniger kostenintensiv gestaltet werden.
Aktualisiert: 2020-01-01
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In den letzten Jahrzehnten wurde ein starker Anstieg des Energiebedarfs in allen
Bereichen der globalen Wirtschaft und der Gesellschaft verzeichnet. Dieser Trend wird auch zukünftig anhalten. Um die Folgen der daraus resultierenden Klimaerwärmung auf den Planeten einzudämmen müssen hocheffiziente Prozesse zur drastischen Senkung der Schadstoffemissionen und zur Verringerung des Verbrauchs von
Primärenergieträgern entwickelt werden. Zur Optimierung von Energieumwandlungsprozessen kommen sowohl experimentelle als auch numerische Methoden zum Einsatz. Vertrauenswürdige und validierte numerische Verfahren ermöglichen detaillierte Vorhersagen der vorherrschenden Phänomene in relativ kurzer Zeit bei klar definierten Randbedingungen.
An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Es werden detaillierte numerische Vorhersagen des Verhaltens von mono- und bifluiden Einzeltropfen unter geringer stoßartiger aerodynamischer Last mit Hilfe der Lagrangeschen Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH) untersucht. Im Focus stehen die Deformation, die Schwingung und die Trajektorie der Tropfen. In dieser Arbeit wird nachgewiesen, dass die eingesetzte SPH-Methode die komplexen mehrphasigen Vorgänge bei erzwungenen Formschwingungen in hoher Genauigkeit wiedergibt. Zudem wird die Methode durch ein allgemeines Dreiphaseninteraktionsmodell erweitert und als Werkzeug zur Plausibilisierung, Kalibrierung und Neuentwicklung von vereinfachten Modellen und Methoden verwendet.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Eine detaillierte Befundung des Zustands von Flugtriebwerken, insbesondere zur Lokalisierung und Identifikation von betriebsbedingten Defekten, ist ohne Demontage bisher nur eingeschränkt möglich. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Konzeptionierung einer berührungslosen, „on-Wing"-Zustandsbeurteilung von Triebwerksbrennkammern, um den Maintenance, Repair and Overhaul-Prozess zu optimieren.
Dem methodischen Ansatz liegt zugrunde, dass Fehlerzustände im Inneren eines Triebwerks die Strömung beeinflussen und sich bis zum Austritt aus der Turbine nur wenig vermischen. Optische, berührungsfreie Messverfahren ermöglichen eine Analyse der beeinflussten Strömung im Abgasstrahl. Auf Basis numerischer Simulationen können außerhalb der Brennkammer gemessene Anomalien auf einem virtuellen Pfad identifiziert und einer Fehlerquelle zugeordnet werden. An einer hierfür entwickelten, optisch zugänglichen Modellbrennkammer mit acht ringförmig angeordneten, vorgemischt betriebenen Brennern, wird der methodische Ansatz mit der Strömungsmesstechnik Particle Image Velocimetry sowie mit numerischer Simulation untersucht. Eine Übertragung des Ansatzes auf eine reale Triebwerksbrennkammer wird simulativ durchgeführt. Der Regenerationsprozess kann unter Anwendung der erforschten Methodik zur Zustandsbeurteilung von Triebwerksbrennkammern zuverlässiger, schneller und weniger kostenintensiv gestaltet werden.
Aktualisiert: 2019-11-07
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Eine wichtige Zielstellung bei der Entwicklung moderner Flugtriebwerke ist die weitere Steigerung der Effizienz bei gleichzeitiger Reduktion von Schadstoffemissionen und Lärm. Hierfür müssen neue und innovative Brennkammerkonzepte entwickelt und validiert werden, da die Art der Verbrennungsführung und die Positionierung der Flamme in der Brennkammer die Emissionscharakteristiken entscheidend bestimmt. Die Verbrennungsführung wiederum wird maßgeblich durch die Zerstäubung des flüssigen Kraftstoffs beeinflusst. Bisher war jedoch der Vorgang der Primärzerstäubung des Brennstoffes einer vollständigen numerischen Beschreibung nicht zugänglich. Die große Spanne unterschiedlicher Längenskalen der Gas- und Flüssigphase während des Zerfallsprozesses bedingt einen immensen numerischen Aufwand, der durch die Notwendigkeit der physikalisch exakten Beschreibung der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen und den dort vorherrschenden Phänomenen und Prozessen noch zusätzlich erhöht wird.
Im vorliegenden Forschungsbericht wendet der Autor die relativ junge numerische Methode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) erstmals für die Berechnung des Primärzerfalls von Brennstoff in luftgestützten Zerstäuberdüsen an. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Steigerung der numerischen Leistungsfähigkeit der SPH Methode im Vergleich zu klassischen gitterbasierten Verfahren. Weiterhin wird auf Aspekte der Implementierung eingegangen, welche den erfolgreichen Einsatz der Methode auf modernen Hochleistungsrechnern ermöglichen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Validierung des Verfahrens mit Hilfe von am Institut für Thermische Strömungsmaschinen vorhandenen detaillierten Messergebnissen einer generischen planaren Zerstäuberdüse. Sowohl die Validierungsergebnisse als auch die numerische Leistungsfähigkeit unterstreichen das hohe Potential von SPH zur numerischen Berechnung komplexer Mehrphasenströmungen mit starker Phasenwechselwirkung
Aktualisiert: 2023-04-17
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Maximilian Paßmann beschreibt detailliert die Auslegungsverfahren für die einzelnen Bauteile (Kontraktion und Diffusor) und die Konstruktion der modularen Testsektion eines geschlossenen Windkanals für ORC-Fluide. Während die Kontraktion mithilfe eines semianalytischen Verfahrens entworfen wird, beruht die Auslegung des Diffusors auf numerischen Simulationen, deren Ergebnisse mit analytischen Verfahren aus der Literatur verglichen werden. Hierbei geht der Autor besonders auf die konzeptionellen Vorteile eines Stufendiffusors ein. Abschließend stellt er die gesamte Testsektion unter besonderer Beachtung des modularen Aufbaus vor.
Aktualisiert: 2023-04-03
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Die Berücksichtigung der aeroelastischen Eigenschaften einer Flugzeugkonfiguration ist eine wichtige Fragestellung in der Auslegung moderner Verkehrsflugzeuge. Hierbei stellt die Berechnung der Strömung eine besondere Herausforderung dar. Zur Lösung des Strömungsproblems innerhalb aeroelastischer Analysen werden bereits vielfach potentialtheoretische, lineare Verfahren eingesetzt. Diese Verfahren liefern zuverlässige Ergebnisse im subsonischen Flugbereich.
Im transsonischen Bereich hingegen, in welchem die Reisefluggeschwindigkeiten der meisten modernen Flugzeuge liegen, treten verstärkt nichtlineare aerodynamische Effekte auf. Diese Effekte werden durch die linearen Verfahren nicht abgebildet, weshalb diese Methoden nur begrenzt eingesetzt werden können. Hochwertigere numerische Lösungsverfahren können nichtlineare Effekte zwar abbilden, benötigen jedoch einen erheblichen Aufwand an Rechenzeit und -ressourcen, weshalb diese Verfahren nicht in großem Umfang eingesetzt werden.
Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Ansatz entwickelt, welcher die Erstellung eines Ersatzmodells auf der Basis einer begrenzten Zahl an aufwändigen, numerischen Strömungsanalysen ermöglicht. Dieses Ersatzmodell ist darauf ausgelegt, die für aeroelastische Analysen relevanten Strömungsgrößen in vergleichbarer Qualität wie das numerische Verfahren vorherzusagen und dabei lediglich einen Bruchteil der Rechenzeit und -ressourcen zu benötigen. Zudem soll das Ersatzmodell auf hochdimensionale nichtlineare Felder anwendbar sein, damit auch der Einsatz bei komplexeren dreidimensionalen Problemen ermöglicht wird.
Die Praxistauglichkeit des entwickelten Ansatzes wird in dieser Arbeit an drei verschiedenen aeroelastischen Modellen demonstriert. Hierbei wird zunächst das zweidimensionale NLR7301-Profil mit zwei Bewegungsfreiheitsgraden untersucht, welches signifikante nichtlineare aerodynamische Eigenschaften besitzt. Anschließend wird als einfacher dreidimensionaler Fall der AGARD445.6-Flügel betrachtet, bei welchem mit dem Ersatzmodell eine Flatteruntersuchung im transsonischen Bereich durchgeführt wird. Schließlich wird der Ersatzmodellansatz auf die realitätsnahe dreidimensionale HIRENASD-Konfiguration angewendet, welche als ein Fall industrieller Größenordnung betrachtet wird. Es wird die Robustheit und Stabilität des Ansatzes anhand der Variationen des Strukturmodells als auch des Anstellwinkels gezeigt. Als Ausblick für weiterführende Entwicklungen wird die Böenvorhersage mittels des Ersatzmodells untersucht.
Der entwickelte Ansatz stellt sich in den Testfällen als ein effektives, ergänzendes Hilfsmittel bei hochwertigen numerischen aeroelastischen Untersuchungen heraus.
Aktualisiert: 2020-05-11
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