dc.contributor.author
Berndt, Phillip
dc.date.accessioned
2018-06-07T19:32:41Z
dc.date.available
2016-12-08T07:38:11.671Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/6211
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-10410
dc.description.abstract
The shockless explosion combustion (SEC) is a thermodynamic cycle for pressure
gain combustion in gas turbines. It approximates constant volume combustion
and promises a huge efficiency gain over traditional operation. Its use of
weak detonations makes it unique among other processes approximating constant
volume combustion: In the process, a stratification of fuel/air is created in
a combustion tube and brought to sequential auto-ignition. The resulting
combustion yields smooth pressure waves, in contrast to the strong shock waves
in alternatives based on detonations. The SEC incorporates these waves into a
clever recharging concept that utilizes the acoustics within the tube to
create the current required for flushing and refilling the tube. This thesis
documents a first theoretical investigation of the process. In particular, it
establishes models for the process and methods for their numerical simulation.
It consists of three major parts: The first one is concerned with fuels for
the SEC process. A SEC requires specialized fuels with the property that their
auto-ignition delay time, that is, the time that it takes for the fuel to
auto-ignite at high temperatures, is largely independent of temperature. Such
fuels have complex chemistry, and traditional methods from chemical kinetics
lead to high dimensional mathematical descriptions that are expensive to
calculate in numerical simulations. This thesis introduces a low-dimensional
generic model for such fuels. The model achieves the low dimensionality by
stripping the model fuel from any off-design behaviour: Rather than to
describe the actual chemistry, it only describes the fuel's behaviour in the
context of a working SEC. Further results concerning SEC fuels are the model
reduction for and optimization of an actual prospective SEC fuel. The second
part is concerned with the creation of a numerical simulation for the process.
The reactive Euler equations are used to describe the fluid dynamics of the
system, and since a variety of temperatures is involved, the ideal gas
equation of state with temperature-dependent heat capacities is used. To be
able to solve this equation system using a finite volume framework, the part
discusses the solution of the Riemann problem in this setting and extends the
HLLEM approximate Riemann solver accordingly. In particular, it is proven that
the resulting solver has the positivity property. In addition, the well-known
issue of spurious pressure oscillations close to contact discontinuities is
discussed and linked to a physical phenomenon. The third part puts numerical
code and kinetics models together to perform simulations of the process. It is
shown that a SEC is viable, and several estimates relevant to the search for
suitable fuel blends and the process's experimental realization are obtained.
Simulations also shed a light on possible extensions of the concept and future
work.
de
dc.description.abstract
Die stoßfreie, druckerhöhende Verbrennung (shockless explosion combustion,
SEC) ist ein alternativer Betriebsmodus für Gasturbinen. Sie stellt eine
Annäherung an eine Gleichraumverbrennung mit Aussicht auf eine hohe
Effizienzsteigerung dar. Besonders macht sie dabei der aktive Einsatz
schwacher Detonationen: Der Prozess erzeugt eine Schichtung von Luft und
Treibstoff, die nach einer Weile sequentiell selbstzündet. Im Gegensatz zu den
starken Stoßwellen, die eine Detonation mit sich bringen würde, erzeugt die
folgende Verbrennung glatte Druckwellen. In der SEC wird die durch diese
Wellen erzeugte Akustik zum Spülen und Nachladen des Brennrohres verwendet.
Diese Arbeit dokumentiert eine erste, theoretische Untersuchung des Prozesses.
Dabei wird ein Modell sowie dazugehörige numerische Verfahren für seine
Simulation vorgestellt. Die Arbeit besteht aus drei Teilen: Der erste Teil
beschäftigt sich mit Treibstoffen für den SEC Prozess. Eine SEC erfordert
spezielle Treibstoffe, die die Eigenschaft haben, eine im wesentlichen
temperaturunabhängige Zündverzugszeit zu besitzen. Als Zündverzugszeit
bezeichnet man dabei die Zeit, die zwischen der Erzeugung eines Treibstoff
/Luft-Gemisches bei relativ hohen Temperaturen und seiner Selbstzündung
vergeht. Treibstoffe mit dieser Eigenschaft besitzen eine komplexe
Reaktionskinetik, die sich mit traditionellen Verfahren nur mit
hochdimensionalen Modellen beschreiben lässt. Solche Modelle sind für
qualitative Strömungssimulationen ungeeignet. In dieser Arbeit wird daher ein
generisches, niedrigdimensionales Modell für derartige Treibstoffe eingeführt.
Das Modell erreicht die Niedrigdimensionalität dabei, indem der Treibstoff auf
das geforderte Verhalten im Fall einer funktionierenden SEC reduziert wird.
Weiterhin werden Ergebnisse rund um die Modellreduktion und Optimierung eines
für die SEC vorgeschlagenen Treibstoffes vorgestellt. Der zweite Teil der
Arbeit entwickelt numerische Verfahren zur Simulation einer SEC. Zur
Beschreibung des strömungsmechanischen Verhaltens des Systems werden dabei die
reaktiven Eulergleichungen verwendet. Da das System verschiedensten
Temperaturen ausgesetzt ist, wird die ideale Gasgleichung mit
temperaturabhängigen Wärmekapazitäten verwendet. Um dieses Gleichungssystem
mit einem Finite-Volumen-Verfahren lösen zu können, wird zunächst die Lösung
des Riemannproblems für diesen Fall diskutiert. Daraufhin führt die Arbeit die
nötigen Erweiterungen für den HLLEM-Löser ein, um mit allgemeinen idealen
Gasgemischen umgehen zu können. Insbesondere wird die Positivität des sich
ergebenden Verfahrens bewiesen. Zusätzlich diskutiert der Teil der Arbeit das
bekannte Problem von Druckschwankungen an Kontaktunstetigkeiten und stellt
eine Verbindung zu einem physikalischen Phänomen her. Der dritte Teil nutzt
das entwickelte numerische Verfahren zusammen mit den Kinetikmodellen, um die
SEC zu simulieren. Es wird zunächst gezeigt, dass eine SEC prinzipiell machbar
ist. Durch weitere Simulationen gelangt der Teil dann zu Abschätzungen, die
für die Suche nach einem SEC-Treibstoff und der experimentellen Realisierung
des Prozesses von Bedeutung sind. Abschließend zeigen einige Simulationen
mögliche Erweiterungen des Konzeptes auf.
en
dc.format.extent
vi, 128 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Shockless Explosion Combustion
dc.subject
Auto-ignition delay time
dc.subject
Ideal gas Riemann solvers
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::510 Mathematik::518 Numerische Analysis
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::510 Mathematik::510 Mathematik
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
dc.title
Mathematical Modeling of the Shockless Explosion Combustion
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr.-Ing. Rupert Klein
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. rer. nat. Volker John
dc.date.accepted
2016-12-02
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000103663-7
dc.title.translated
Mathematische Modellierung der stoßfreien, druckerhöhenden Verbrennung (SEC)
de
refubium.affiliation
Mathematik und Informatik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000103663
refubium.note.author
DFG-gefördert durch den Sonderforschungsbereich 1029
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000020537
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access