Schlüsselwort: Mehrphasenströmung

Numerische Untersuchungen des Primärzerfalls an Kraftstoffdüsen für Flugtriebwerke

Numerische Untersuchungen des Primärzerfalls an Kraftstoffdüsen für Flugtriebwerke von Dauch, Thilo
Um den schädlichen Einfluss des Luftverkehrs auf die Umwelt zu reduzieren, wird in die Reduktion von Schadstoffemissionen durch Luftfahrtantriebe investiert. Wie vorangehende Arbeiten aufgezeigt haben, besteht ein Zusammenhang zwischen den Eigenschaften des Kraftstoffsprays, das in die Brennkammer des Triebwerks eingebracht wird, und der Entstehung von Schadstoffen bei der Verbrennung. Die Geometrie der Brennstoffdüse beeinflusst die Eigenschaften des Kraftstoffsprays und damit die Entstehung von Schadstoffen. Methoden zur Berechnung der Primärzerfallscharakteristik von Kraftstoff im Nahfeld einer Brennstoffdüse unter triebwerksrealistischen Bedingungen unterliegen jedoch erheblichen Einschränkungen. An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Das Ziel der Arbeit besteht in der Entwicklung und Anwendung einer Methodik, mit deren Hilfe der Primärzerfall an einem Airblast-Zerstäuber bei triebwerksrealistischen Bedingungen berechnet werden kann. Dazu wird auf die partikelbasierte "Smoothed Particle Hydrodynamics" (SPH) -Methode zurückgegriffen. Es wird ein Rechengebiet vorgeschlagen, das die Auflösung des Primärzerfalls an einer Kraftstoffdüse bei gleichzeitiger Minimierung des numerischen Aufwands ermöglicht. An einem konkreten Beispiel wird die Eignungder Methodik dargelegt. Anhand von Feldern des Finiten-Lyapunov-Exponenten (FTLE) wird die Interaktion zwischen Kraftstoff und Luft an der Phasengrenze analysiert und die Sensitivität der Primärzerfallscharakteristik bei Variation der Düsengeometrie untersucht.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Wärmeauskopplung aus heißen Partikelschüttungen zur Dampferzeugung

Wärmeauskopplung aus heißen Partikelschüttungen zur Dampferzeugung von Baumann, Torsten
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Wanderbettwärmeübertragers für den Einsatz in solarthermischen Kraftwerken, in denen Partikelschüttungen als Wärmeträger- und -speichermaterial eingesetzt werden. Im Rahmen der Arbeit wurde zunächst eine Charakterisierung geeigneter Materialien vorgenommen. Anschließend wurden mithilfe eines CFD-Mehrphasenmodells Geometrie- und Parameterstudien durchgeführt. Unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften wurde daraufhin ein angepasstes Wärmeübertragerdesign für die Zielanwendung entwickelt. Ein auf diesem Entwurf basierender Wärmeübertrager wurde mithilfe von CFD-Berechnungen hinsichtlich des granularen Strömungsverhaltens und der thermischen Leistungsfähigkeit untersucht. Durch Experimente im Labormaßstab wurden die Simulationsergebnisse validiert und gleichzeitig die Funktionalität des Wärmeübertragers nachgewiesen. Das angepasste Design des Wanderbettwärmeübertragers zeigt im Vergleich mit einer herkömmlichen Rohrbündelkonfiguration eine deutliche Verbesserung der thermischen Leistungsfähigkeit. Daraus ergibt sich ein hohes Potential für den Einsatz im solaren Kraftwerksbereich.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Numerische Simulation von Stofftransportphänomenen an bewegten fluiden Phasengrenzen mit Hilfe von CFD-basierten Methoden

Numerische Simulation von Stofftransportphänomenen an bewegten fluiden Phasengrenzen mit Hilfe von CFD-basierten Methoden von Schulz, Andreas
In dieser Arbeit werden Stofftransportvorgänge an bewegten fluiden Partikeln mit Hilfe numerischer Methoden untersucht. Dazu wird das open-source CFD (Computational Fluid Dynamics) Paket OpenFoam verwendet. Die bewegliche Phasengrenze wird dabei mit einer Level-Set-Methode beschrieben. Es wurden zwei Methoden zur Erfassung der Stofftransportvorgänge entwickelt. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden diese ausführlich beschrieben und validiert. Die erste Methode verwendet große Manipulationsparameter, um die Randbedingungen an der Phasengrenze zu erzwingen. Bei der zweiten Methode wird die Phasengrenze mittels eines PLIC (piecewise linear interface construction) Algorithmus rekonstruiert und die Randbedingungen direkt an der rekonstruierten Grenzfläche formuliert. Die zweite Methode wird darüber hinaus für die Simulation von Mehrkomponentenstofftransport inklusive der dabei auftretenden Diffusionskreuzeffekte erweitert. Die beiden Methoden können den Stofftransport in flüssig-flüssig Systemen mit moderater Bewegung der Phasengrenze zuverlässig beschreiben. Im Falle von gas-flüssig Systemen oder großer Bewegung der Grenzfläche kann Stofftransport jedoch nur mit der PLIC-basierten Methode hinreichend genau erfasst werden. In umfangreichen Studien wird herausgearbeitet, dass die akkurate Auswertung der dünnen Konzentrationsgrenzschicht und die Vermeidung von numerisch bedingtem, unphysikalischen Stoffübergang die wichtigsten Kriterien für die Genauigkeit der Methoden sind. Abschließend wird der Einfluss von Diffusionskreuzeffekten in quaternären Stoffsystemen sowie von Marangoni-Effekten auf den Stoffübergang mit Hilfe der PLIC-basierten Methode aufgezeigt.
Aktualisiert: 2023-01-19
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Wärmeübergang bei der Kondensation von Kohlenwasserstoffen im horizontalen Rohr

Wärmeübergang bei der Kondensation von Kohlenwasserstoffen im horizontalen Rohr von Fries, Simon
Wärmeübergang und Druckverlust, während des Abkühlungsvorganges von Propylen und Propan in horizontalen Rohren, werden experimentell untersucht. Dies umfasst die Abkühlung vom überhitzen Dampf und unterkühlter Flüssigkeit, sowie die Kondensation. Als Versuchsrohre werden ein Glattrohr aus Baustahl und eines aus Kupfer verwendet. Die Oberflächenrauheit der Innenseite beider Rohre wird bestimmt. Es wird nachgewiesen, dass der Einfluss der Oberflächenrauheit auf den einphasigen Druckverlust von der Literatur überschätzt wird. Grenzschichtbetrachtungen zeigen, dass der Sandrauheitsansatz den realen Strömungsvorgang ungenau beschreibt. Es wird vorgeschlagen für diesen Ansatz die realen Rauheitsparameter zu verwenden. Der exp. Wärmeübergang der unterkühlten Flüssigkeit stimmt mit der Literatur überein. Beim überhitzen Dampf sind die auftretenden Abweichungen auf die Druckabhängigkeit der Enthalpie nahe des Nassdampfgebietes zurückzuführen. Die Literatur berücksichtigt diese Effekte nicht, da stets von idealen Gasen ausgegangen wird. Die Erweiterung der Korrelationen aus der Literatur mit dem Realgasfaktor wird empfohlen, um den Einfluss der Druckabhängigkeit der Enthalpie abzubilden. Die bekannten Auswirkungen des Druckes, der Massenstromdichte und des Dampfgehaltes auf den Wärmeübergang und Druckverlust bei der Kondensation werden bestätigt. Die besten Übereinstimmungen haben die exp. Ergebnisse mit der Methode von Shah für den Wärmeübergang und der Korrelation von Friedel für den Druckverlust. Ein geringer Einfluss der Oberflächenrauheit auf den zweiphasigen Druckverlust ist zu beobachten. Bei hohen Massenstromdichten entsteht Entrainment, welches den Wärmeübergangskoeffizienten erhöht. Eine bekannte Korrelation nach dem VDI-Wärmeatlas zum Wärmeübergang wird modifiziert. Die beobachteten Entrainmenteffekte werden berücksichtigt. Die modifizierte Korrelation wird mit eigenen Daten und denen anderer Autoren verglichen. Die maximale Abweichung beträgt 25%.
Aktualisiert: 2021-12-30
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Abschlussbericht zum Vorhaben: Entwicklung thermo- und fluiddynamischer Grundlagen neuartiger Casing Gaskompressoren zur Druckerhöhung mehrphasiger Fluide des Verbundprojekts: EHCR – Boost – Kompakt vernetzte Mehrphasen Transportsysteme mit neuen Casing Gas Kompressoren zur Erhöhung der Ausförderrate maritimer Öl- und Gas-felder

Abschlussbericht zum Vorhaben: Entwicklung thermo- und fluiddynamischer Grundlagen neuartiger Casing Gaskompressoren zur Druckerhöhung mehrphasiger Fluide des Verbundprojekts: EHCR – Boost – Kompakt vernetzte Mehrphasen Transportsysteme mit neuen Casing Gas Kompressoren zur Erhöhung der Ausförderrate maritimer Öl- und Gas-felder von Luke, Andrea
Für die Förderung komplexer fluider Kohlenwasserstoffgemische mit hohem Begleitgasanteil sind neue effiziente, sichere und umweltschonende Technologien notwendig. Dies betrifft insbesondere die Förderung in sensiblen Gebieten wie in der Tiefsee und in polaren Regionen. Die Auslegung solcher maritimer Mehrphasentransportsysteme bedarf der genauen Kenntnisse der vorliegenden physikalischen Mechanismen während des Energiewandlungsprozesses. Ein neuartiger Casing Gas Kompressor mit externer Prozessfluidzufuhr wird entwickelt. Ausgehend von Vorversuchen im Labormaßstab wird die Thermo- und Fluiddynamik des neuartigen Casing Gas Kompressors im Technikumsmaßstab experimentell erforscht und die Ergebnisse simulativ abgebildet. Die Prozessfluidzufuhr führt zu einer Reduktion der thermischen Belastung um bis zu 66% und verschiebt die Fördergrenze hin zu höheren Gasgehalten bzw. Differenzdrücken. Die numerisch berechneten Temperatur- und Druckprofile werden für mehrphasige Verdichtungsprozesse mit volumetrischen Gasgehalten bis 90% sehr gut wieder gegeben. Für volumetrische Gasgehalte größer 90% weicht die berechnete Temperaturerhöhung zunehmend von der aus den Experimenten ab und wird u. a. mit der adiabaten Nebenbedingung im Model begründet. Das beste Förderverhalten weist der CGC für eine druckseitige Einspritzung auf. Dieses Ergebnis wird anhand von lokal gemessenen Temperaturen und Drücken bestätigt. Erstmals werden drei in Reihe geschaltete Mehrphasen Downhole Pumpen hydraulisch gekoppelt angetrieben. Die Experimente zeigen, dass die sonst sehr starren Förderkennlinien entsprechend des vorherrschenden Lastzustands in Abhängigkeit der jeweiligen Phasenzusammensetzung durch den gemeinsamen Antrieb ange-passt werden. Im Falle einer Gas-Flüssigkeitsförderung, d.h. unterschiedliche Pha-senzusammensetzung bzw. Lastzuständen vor jeder MDA, führt dies zu einer auto-matischen Drehzahlanpassung, die ausgehend von der höchsten Drehzahl der ersten MDA sukzessive pro MDA abnimmt.
Aktualisiert: 2021-12-30
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Numerische Untersuchungen des Primärzerfalls an Kraftstoffdüsen für Flugtriebwerke

Numerische Untersuchungen des Primärzerfalls an Kraftstoffdüsen für Flugtriebwerke von Dauch, Thilo
Um den schädlichen Einfluss des Luftverkehrs auf die Umwelt zu reduzieren, wird in die Reduktion von Schadstoffemissionen durch Luftfahrtantriebe investiert. Wie vorangehende Arbeiten aufgezeigt haben, besteht ein Zusammenhang zwischen den Eigenschaften des Kraftstoffsprays, das in die Brennkammer des Triebwerks eingebracht wird, und der Entstehung von Schadstoffen bei der Verbrennung. Die Geometrie der Brennstoffdüse beeinflusst die Eigenschaften des Kraftstoffsprays und damit die Entstehung von Schadstoffen. Methoden zur Berechnung der Primärzerfallscharakteristik von Kraftstoff im Nahfeld einer Brennstoffdüse unter triebwerksrealistischen Bedingungen unterliegen jedoch erheblichen Einschränkungen. An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Das Ziel der Arbeit besteht in der Entwicklung und Anwendung einer Methodik, mit deren Hilfe der Primärzerfall an einem Airblast-Zerstäuber bei triebwerksrealistischen Bedingungen berechnet werden kann. Dazu wird auf die partikelbasierte "Smoothed Particle Hydrodynamics" (SPH) -Methode zurückgegriffen. Es wird ein Rechengebiet vorgeschlagen, das die Auflösung des Primärzerfalls an einer Kraftstoffdüse bei gleichzeitiger Minimierung des numerischen Aufwands ermöglicht. An einem konkreten Beispiel wird die Eignungder Methodik dargelegt. Anhand von Feldern des Finiten-Lyapunov-Exponenten (FTLE) wird die Interaktion zwischen Kraftstoff und Luft an der Phasengrenze analysiert und die Sensitivität der Primärzerfallscharakteristik bei Variation der Düsengeometrie untersucht.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Fluiddynamische Instabilitäten haftender Tropfen unter Gravitation, mechanischer Schwingungsanregung und aerodynamischer Krafteinwirkung

Fluiddynamische Instabilitäten haftender Tropfen unter Gravitation, mechanischer Schwingungsanregung und aerodynamischer Krafteinwirkung von Barwari, Beawer
The dynamic wetting of liquid droplets on surfaces under the influence of external forces is of great importance in many technical fields. Many interesting questions about the fluid dynamic instabilities associated with the superposition of forces have not yet been clearly understood. Hence, the fragmentary description of droplet physics requires a detailed analysis of the individual phenomena. The present experimental investigation provides the first contribution towards gaining an understanding of the influence of superposition of airflow, downward force of gravity and surface vibration on the droplet behavior. The objective of this work is to develop models to predict the critical velocity for the droplet detachment. A test bench is set up and various measurement techniques are used to perform the investigation of adhering droplets on surfaces under superposition. For the analysis of the wetting properties and rheology of the droplet, different liquid solutions of water-glycerin and water-ethanol are compared. Moreover, two differently wetted materials are contrasted and several droplet volumes are measured. For further investigations, the excitation parameters frequency and acceleration, the surface inclination and the airflow velocity are modified. The obtained results show, that contact forces are compensated when the airflow is superimposed with both the mechanical surface vibration and the downward force of gravity. In the range of the first two eigenfrequencies of the droplet as well as with increasing the excitation acceleration or the inclination of the surface, a decline of the critical velocity can be expected. The droplet detachment process is facilitated by a low surface energy of the material and a small contact angle hysteresis.
Aktualisiert: 2021-05-06
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