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.
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.
