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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Modellstrahltriebwerks für die Anwendung im Modellflug. Ein Team aus vier Teilnehmer hatte die Aufgabe ein Modellstrahltriebwerk aus konstruktiver und fertigungstechnischer Sicht zu entwerfen. Dazu wurden die aktuell gängigen Modellstrahltriebwerke am Markt analysiert und eine Variante entworfen, die den Anwendungsbereich mit optimalen Bedingungen abdeckt. Die Arbeit beschäftigt sich spezifiziert mit der Auslegung und Konstruktion des Triebwerks, um eine sichere und zugleich effiziente Bauweise zu garantieren. Ebenso Teil dieser Arbeit ist ein Prüfstand, welcher den Schub in Abhängigkeit der Drehzahl des Triebwerks misst. Diese Aufgabe wurde in Arbeitspakete auf die einzelnen Teilnehmer aufgeteilt. Weiters ist der optimale Betriebszustand des Triebwerks ein Teil dieser Arbeit, welcher den CO2-Ausstoß in Hinblick auf den spezifischen Verbrauch berücksichtigt. This thesis deals with the development of a model jet engine for use in model flight. A team of four participants had the task of designing a model jet engine from a design and manufacturing perspective. For this purpose, the current model jet engines on the market were analyzed and a variant was designed that covers the application range with optimal conditions. The work deals specifically with the design and construction of the engine in order to guarantee a safe and at the same time efficient design. Also part of this work is a test bench, which measures the thrust as a function of the engine speed. This task was divided into work packages among the individual participants. Furthermore, the optimal operating condition of the engine is part of this work, which takes into account the CO2 emissions in terms of specific consumption.

In the frame of the DLR interdisciplinary project \"Future Fuels\" the DLR Institutes of Space Propulsion, Combustion Technology and Structures and Design are developing different green propellant systems for the use in rocket engines in the sub-project Advanced Rocket Propellants (TP5). Besides the propellants itself, also combustion chamber structures made of a variety of light-weight and high temperature stable ceramic matrix composites (CMC) are in the focus. These so-called C/C-SiC and SiC/SiCN materials are based on carbon or silicon carbide fibers, embedded in carbon and silicon carbide (C/C-SiC) or silicon carbon nitride (SiC/SiCN) matrices. C/C-SiC materials have been developed at DLR since the late 1980s and are manufactured via the liquid silicon infiltration (LSI) process. The LSI process is based on three process steps. In the first step, carbon fibre reinforced polymer (CFRP) preforms are manufactured in near net shape technique. For the tubular combustion chambers, CFRP tubes with an inner diameter of 36 mm have been made based on three different carbon fibre types (high tenacity (HT), intermediate modulus (IM) and ultra-high modulus (UHM)) and two different manufacturing methods. HT fibre based CFRP tubes were made via the so-called prepreg wrapping method, using 2D carbon fibre fabric, pre-impregnated with phenolic resin, as well as via wet filament winding technique. For IM and UHM fibre-based tubes, wet filament winding with a phenolic resin precursor was used, only. In the second process step, the CFRP tubes were pyrolyzed at a maximum temperature of 1650 C in nitrogen atmosphere, leading to carbon fibre reinforced carbon (C/C) preforms. In the third and last process step, the C/C preforms were siliconized at 1650 C in vacuum. Thereby, molten Si was infiltrated in the porous C/C by capillary forces and the SiC matrix was built up by a chemical reaction of Si and C, leading to dense C/C-SiC tubes. Since C-fibres are prone to oxidation at temperatures exceeding 450C and water vapour degradation beyond 800C and are thus limited to short term applications at high temperatures, a new approach with higher oxidation and corrosion resistant SiC-fibres was considered. Therefore, SiC-fibres were filament wound on a mandrel and infiltrated with a Si-based preceramic polymer (polysilazane) via resin transfer moulding (RTM). After curing and pyrolysis, the porous SiC/SiCN tube was densified by repeated cycles of precursor infiltration and pyrolysis. (PIP-method), leading to fairly dense SiC/SiCN tubes. The mechanical properties of the CMC tubes were determined by internal pressure tests, using an adapted test set-up for hydraulic testing at room temperature. Material composition was investigated on samples in the scanning electron microscope. The tube quality was controlled by process-accompanying inspections as well as by computer tomography. In this presentation, the manufacture of the different CMC tubes and liners is described in detail. Test results are shown and correlated to the fiber types and manufacturing methods. Furthermore, a new concept and manufacturing method for a cooled combustion chamber, based on a sandwich structure, will be presented.

形態: カラー図版あり, Physical characteristics: Original contains color illustrations, Accepted: 2019-10-14, 資料番号: PA2020017000

Abstract Records of the time-varying temperature profile at flight relevant operating conditions are acquired at the exit of a combustion chamber fitted with a staged, lean-burn fuel injector using high-speed laser induced fluorescence (LIF) at a sample rate of 10 kHz. Temperatures are estimated from the concentration dependent fluorescence of the hydroxyl (OH) radical under the assumption of local equilibrium. Beyond the time-series analysis, the acquired data is correlated with simultaneously acquired OH chemiluminescence sampled in the primary zone near the fuel injector. These analyses reveal a strong influence from the precessing vortex core, originating in the primary zone, on oscillations in the temperature profiles measured at the exit of the combustor. Graphic abstract

SiC/SiCN ceramic matrix composites (CMCs) are promising candidates for components of aero-engines. To evaluate the properties of these CMCs under realistic conditions, a quasi-flat panel with effusion cooling holes was investigated in a high pressure combustor rig. A Tyranno SA3 fabric-based SiC/SiCN composite with high strength and strain to failure was manufactured via polymer infiltration and pyrolysis process. Due to its weak matrix no fiber coating was necessary for damage tolerant behavior. The cooling holes in the panel were introduced via laser drilling. An outer coating of CVD-based SiC was finally applied for enhanced oxidation resistance. The specimen was tested in the combustor rig and the cooling effectiveness was evaluated. The microstructure of laser machined holes was studied via microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy. The macrostructure was investigated via computing tomography scans before and after the combustor test. Material performances at higher temperatures were estimated via a material performance index. Local microstructure modifications were observed after laser drilling. No crack formation was observed in the CMC panels after rig tests. The measured global cooling effectiveness of 0.76 and the analytical performance evaluation demonstrate the potential benefit of SiC/SiCN materials in combustor applications.

High-speed particle image velocimetry measurements were performed at the exit of a pressurized lean-burn combustion chamber fueled with kerosene and operated at flight relevant conditions (elevated pressure and pre-heated supply air). The aim was to obtain information on the turbulent nature of the exhaust flow as this is of relevance for the modelling of aero-thermal dynamics of the combustor-turbine interface, such as heat transfer on the outlet guide vanes and turbulence induced noise. Two-component velocity data was sampled at 20 kHz along a narrow strip and used to obtain frequency spectra and correlations. Synchronously acquired chemiluminescence of the OH radical in the primary zone exhibited a notable tonal peak near 100 Hz that could also be detected in the circumferential velocity component at one operating condition.

Es werden Messungen von Geschwindigkeit und Temperatur am Austritt eines Magerbrennkammer-Sektors vorgestellt, der in Teillast ungestuft bei realistischen Bedingungen betrieben wird. Die eingesetzten Verfahren sind die Particle Image Velocimetrie und die Laser-induzierte OH Fluoreszenz. Das Geschwindigkeitsfeld weist am Austritt noch die Drehbewegung auf, die von den Drallerzeugern der Magerbrenner induziert wird. Durch die Wärmefreisetzung des Pilotbrenners wird diese im Vergleich zur isothermen Strömung noch verstärkt, während der Turbulenzgrad im Gegensatz dazu kleiner wird. Die turbulenten Längenmaße, die aus den momentanen Geschwindigkeitsfeldern abgeleitet wurden, deuten auf eine Präzessionsbewegung des Brennerwirbels hin. Die Temperaturmessungen zeigen eine Temperaturerhöhung im gesamten Querschnitt und demonstrieren so die turbulente Durchmischung des Rauchgases der Pilotverbrennung. Jedoch verbleibt ein heißer Kern im Zentrum des Sektors. Diese Informationen dienen dem verbesserten Verständnis des hochenergetischen Übergangs zwischen Brennkammer und Turbine und bilden somit auch einen Beitrag zur Vermeidung von Effizienzverlusten von Triebwerken mit Magerbrennkammern.

En 2007 et 2009, deux ateliers de production de terres cuites architecturales ont été mis au jour lors de sondages archéologiques dans le nord du Cotentin. Leur proximité et le voisinage de l’agglomération antique du Hameau Dorey, à Montaigu-la-Brisette, soulevaient la question des gisements d’argile exploités et celle de l’approvisionnement du site urbain et des autres sites ruraux alentours, notamment en matériaux de couverture. Le premier volet de cette étude croisée vise à la comparaison technique des ateliers et de leurs productions, en dressant des typologies par grands types de produits. Le second porte sur les déterminations physico-chimiques et pétrographiques des argiles et des échantillons de production collectés sur les deux ateliers, ainsi que sur les lieux de mise en œuvre potentiels : les villes antiques de Montaigu-la-Brisette et de Valognes, ainsi que les établissements ruraux du Nord-Cotentin. En définitive, si la fabrication de tuiles et de briques est globalement standardisée, répondant à des constantes, notamment en termes de dimensions et de façonnages, des différences sensibles sont à remarquer dans les techniques employées et les gisements exploités, même si ces derniers restent difficiles à discriminer (même signature chimique). Quant à la diffusion des produits, elle semble s’être limitée au bassin de la Saire et, donc, ne pas avoir atteint les deux villes connues du secteur, en l’état des connaissances. In 2007 and 2009, two terra cotta workshops were discovered during an archaeological evaluation in the north of the Cotentin. Their proximity to each other and the location of the nearby Roman settlement of Hameau Dore at Montaigu-la-Brisette, questions the clay deposits and the provision of roof elements for the urban site and the surrounding rural settlements. The first part of this study aims to technically compare the workshops and their productions using typologies by product type. The second part tackles the physico chemical and petrographical determinations of the clays and the samples of the production from each workshop and from the sites that would have used these products: the Roman towns of Montaigu-la-Brisette and Valognes as well as the rural settlements in the North Contentin. Finally, if the production of tiles and bricks is standardised, in terms of size and production, there are differences in the techniques and the deposits even if, for the deposits this is difficult to establish (even chemically). The diffusion of the production seems to be limited to the Saire basin and does not seem to have reached the two known Roman towns of the area. In den Jahren 2007 und 2009 wurden zwei Werkstätten zur Herstellung von Ziegeln anlässlich von archäologischen Baggersondagen im Norden von Cotentin freigelegt. Ihre räumliche Nähe und ihre Nachbarschaft zur antiken Ansiedlung von Hameau Dorey bei Montaigu-la-Brisette werfen die Frage nach den dort ausgebeuteten Tonvorkommen sowie nach der Versorgung der städtischen Siedlung und der umliegenden ländlichen Siedlungen auf, insbesondere bezüglich des zum Dachdecken genutzten Materials. Der erste Abschnitt dieser interdisziplinären Studie betrifft den technischen Vergleich der freigelegten Werkstätten und ihrer Produktion, insbesondere die typologische Einordnung der hergestellten Tonziegel. Der zweite Abschnitt beschäftigt sich mit den physikalisch-chemischen Bestimmungen der nachgewiesenen Tonvorkommen sowie von Materialproben, die aus den beiden Werkstätten stammen. Ferner wurde Fundmaterial analysiert, das aus den möglichen Absatzorten stammt, den antiken Städten von Montaigu-la-Brisette und von Valognes, sowie aus ländlichen Siedlungen der Region des nördlichen Contentin.Selbst wenn die Produktion von Ziegeln und Backsteinen generell sehr standardisiert war und konstant den Anforderungen an Größe und Formgebung entsprechen musste, so lassen sich deutliche Unterschiede bei den angewandten Techniken und den ausgebeuteten Tonvorkommen beobachten, auch wenn letztere aufgrund ihrer weitgehend identischen chemischen Signatur nur schwer auseinandergehalten werden können. Was die Verbreitung der Produktion betrifft, so scheint diese in unserem Fall auf das Becken der Saire beschränkt gewesen zu sein. Nach heutigem Stand der Erkenntnisse hat sie die beiden bekannten antiken Städte der Region nicht erreicht. En 2007 y 2009, dos talleres de producción de terracotas fueron desenterrados durante las prospecciones arqueológicas en el norte de Cotentin. Su proximidad con la ocupación antigua del Hameau Dorey en Montaigu-la-Brisette, plantearon la cuestión de los yacimientos de arcilla y la del abastecimiento del sitio urbano y de los sitios rurales de las afueras, en particular para el material de cobertura. La primera parte de este estudio transversal tiene como objetivo comparar los talleres técnicos y sus producciones, mediante la elaboración de tipologías de los principales tipos de productos. La segunda parte concierne las características físico-químicas y petrográficas de las arcillas y de las muestras de producción recogidas en el sitio de los dos talleres y en los lugares de aplicación potenciales: las antiguas ciudades de Montaigu-la-Brisette y Valognes, y los establecimientos rurales de la región de Nord-Cotentin. En última instancia, si la fabricación de tejas y ladrillos está generalmente estandarizada, especialmente en términos de dimensiones y fabricación, hay que notar diferencias significativas en las técnicas utilizadas y los yacimientos explotados, incluso si son difíciles de discriminar (misma firma química). En cuanto a la distribución de los productos, parece estar limitada a la zona de la Saire y, por tanto, no ha llegado a alcanzar a las dos ciudades famosas del sector.

A method for measurements of planar temperature distributions based on planar laser-induced fluorescence (PLIF) of the OH radiacal is described. The technique was developed specifically for the application in lean combustion systems, where OH equilibrium concentrations are largely independent on equivalence ratio and a function of temperature only. It is thus possible to derive a temperature information from measurements of absolute OH concentration, which can be obtained from a combined PLIF/absorption measurement. This paper discusses the basics of the method, and describes validation experiments in high pressure laminar premixed flames which were performed to asses its applicability and accuracy. Therefore, we compared our LIF based results with CARS measurements performed in the same flames. Finally, an example for the application in a lean gas turbine model combustor is discussed.

Effusion cooling is an advanced cooling concept for modern aeroengine combustors and offers a very stable convective coolant film along the wall combined with heat removal inside each hole. In order to find the best positions of the cooling holes, CFD calculations with conjugate heat transfer can be done to predict wall temperature distributions. An extensive CFD simulation with local grid refinement is required to evaluate near wall phenomena. A combustor with complex effusion hole pattern leads to large computational meshes for both the fluid and the solid increasing the computational costs. A helpful approach to speed up calculations is to replace the cooling holes by a set of new in- and outflow boundary conditions for virtual effusion holes. Computational costs and time for the design process can be saved. In the paper the cooling concept of a combustor liner with 368 virtual cooling holes is shown and the influence of the combustion near the wall is investigated. The combustion model used allows to account for kinetic effects in the near wall region.

In solarthermischen Kraftwerken (Concentrating Solar Power (CSP)-Kraftwerken) dient die solare Direktnormalstrahlung (DNI: Direkt Normal Irradiation) als Wärmequelle für einen thermodynamischen Kreisprozess. Somit handelt es sich um Kraftwerke für Regionen mit hoher solarer Direktstrahlung (> 1.500 kWh/m²a). Aufgrund hoher Konzentration der Strahlung in den Solarkollektoren erreichen Solarturmkraftwerke höhere Systemwirkungsgrade als Solarkraftwerke mit Parabolrinnen. Das Maximum des Systemwirkungsgrades eines Solarturmkraftwerks liegt bei einer maximalen Prozesstemperatur von rund 1.000 °C, z. B. [1]. Da dieses Temperaturniveau bei Dampfkreisprozessen nicht erreicht werden kann, erscheint es sinnvoll, die Hochtemperatur-Solarwärme primär in einen Gasturbinenprozess einzuspeisen. Dies geschieht durch externe Aufheizung der aus dem Verdichter austretenden Luft einer Gasturbinenanlage (GTA). Durch die seriell oder parallel zur Solarwärmeeinspeisung angeordnete Brennkammer (Bild 1) kann ein derartiges solar-hybrides Gasturbinensystem eine bedarfsgerechte Stromerzeugung ohne Back-up-Erzeugereinheiten auch bei jahres- und tageszeitlichen Schwankungen des Solarwärmeangebots gewährleisten.

Die Modellierung technischer Verbrennungssysteme bedarf effizienter und zugleich präziser Modelle, welche die Kopplung von Turbulenz und Verbrennung korrekt beschreiben. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung und Bewertung von turbulenten Verbrennungsmodellen zur Simulation moderner Magerbrennkonzepte für gasförmige sowie flüssige Brennstoffe. Die Konzepte werden anhand von Modellflammen validiert sowie auf komplexe technische Systeme angewandt und diskutiert.

Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken mit deutlich verringerten Emissionen auf der Grundlage der Magerverbrennungstechnologie spielt die Pilotstufe des Brenners eine entscheidende Rolle im Hinblick auf Stabilität, Betriebsverhalten, sowie NOx- und Rußproduktion. Zu den Faktoren, die die Leistungsmerkmale eines Pilot-Brenners beeinflussen, gehören Mischungsgüte in der Pilotzone, Kraftstoff-Platzierung, Struktur des Strömungsfeldes und Wechselwirkung mit der Hauptstufe. Die Charakterisierung und das Verständnis dieser Prozesse sind daher von besonderem Interesse. Pilot-Brenner mit Druck- und Luftstromzerstäubung wurden in einem optisch zugänglichen Einzelsektor unter Verwendung unterschiedlicher optischer Messverfahren untersucht. Das Ziel der Versuche bestand in der Interpretation und einem verbesserten Verständnis des globalen Emissionsverhaltens in einer Brennkammer. Da dieses in hohem Maße von der Einbringung und Platzierung des flüssigen Kraftstoffes abhängt, wurde die räumliche Verteilung des Kerosin-Sprays für unterschiedliche Brennerkonfigurationen und Betriebszustände unter Einsatz der ebenen Mie-Streuung untersucht. Dabei wurden Eindringtiefe und Spraywinkel gemessen. Im Falle von Druckzerstäubern wurde eine Zunahme des Spray-Kegelwinkels mit dem Brennstoff-Durchfluss festgestellt, während er im Falle von Luftstrom-Zerstäubern konstant blieb. Mittels Phasen-Doppler- Anemometrie wurden Tropfengrößen und Geschwindigkeiten gemessen. Für Luftstromzerstäuber ergaben sich kleine Tropfengrößen, mit Axialgeschwindigkeiten ähnlich denen der Luftströmung. Die Dynamik der Brennstoff-Strömung wurde mittels Hochgeschwindigkeits-Schattenaufnahmen untersucht. Die Daten zeigen eine schnelle Ausbildung turbulenter Mischungsstrukturen mit örtlich hohen Konzentrationen von flüssigem Kraftstoff, sowie eine schraubenförmige Umfangsbewegung. Die räumliche Rußverteilung und ihre Abhängigkeit vom Luft/Brennstoff-Verhältnis (LBV) wurden unter Leerlauf- und Teillast-Bedingungen mittels ebener Laser- Induzierter Inkandeszenz (LII) untersucht. Die Daten zeigen unterhalb eines bestimmten LBV einen steilen Anstieg des Ruß-Volumenanteils bei weiterer Verringerung des LBV. Dies Ergebnis ist in Übereinstimmung mit Messungen der Rußzahl in einem Einzelsektor ohne optischen Zugang, liefert jedoch weitergehende Informationen über Lage und Form der Rußverteilung in der Brennkammer. Das Strömungsfeld wurde mittels PIV vermessen; die Daten für isotherme und reagierende Strömungen sind vergleichbar mit CFD-Rechnungen. Diese und weitergehende Resultate, etwa die Untersuchung modifizierter Brennstoffzerstäuber oder Einsatz kombinativer optischer Messtechniken, bilden Grundlagen für eine Entwicklung von Strategien zur Verringerung von Rußemissionen, insbesondere bei höheren Lastzuständen bei Pilotbetrieb.

Für eine quantitative Vorhersage des Stabilitätsverhaltens eines technischen Verbrennungssystems in Hinblick auf das Auftreten selbsterregter Druck-/Flammenschwingungen, ist es u. a von entscheidender Bedeutung das Übertragungsverhalten der Brennkammer einschließlich vor- und nachgeschalteter Bauteile zu kennen (Helmholtz-Resonatoren). In dieser Arbeit wurde ein Modell zur Vorhersage des Resonanzverhaltens realer, gedämpfter Verbrennungssysteme auf gekoppelte Systeme erweitert.

Die Emission von Kohlenwasserstoffen aus KFZ-Motoren ist dank der Optimierung des Verbrennungsprozesses so gering, dass jetzt der Ölemission eine größere Bedeutung zukommt. Das Schmieröl wird von den Kolbenringen als dünner Film auf die Zylinderwand aufgetragen. Die hochdynamischen Druck- und Temperaturänderungen im Zylinder bewirken, dass ein Teil des Öls verdampft und zusammen mit dem Abgas den Motor verlässt. Die Charakterisierung dieses Prozesses erfordert ein zeitlich hoch aufgelöstes Messverfahren,bei dem zwischen Öl und Kraftstoff unterschieden werden kann. Ausgehend von einem schnellen massenspektrometrischen System zur Bestimmung des Schmieröls im Abgas wird hier die Messung der Ölkonzentration direkt im Brennraum durchgeführt. Der Gastransfer durch eine Kapillare in das Vakuum des Analysators wird durch die starken Druck- und Temperaturgradienten des Verbrennungsprozesses gestört. Als Folge der unterschiedlichen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten von Druck und Gas kann es zur Überlagerung mit Druckwellen, zur Umkehr der Strömungsrichtung und als Folge davon zur Verfälschung der zeitlichen Zuordnung der Messsignale kommen. Diese Phänomene sind mithilfe von Messungen untersucht und mit strömungsmechanischen Berechnungen des vollständigen Gaspfades simuliert worden. Als Ergebnis ist ein spezielles Einlasssystem mit vier Druckstufen und optimiertem kontinuierlichen Gastransport entwickelt worden. Die Korrektur der zeitlichen Zuordnung der Messsignale wird mit einem neu entwickelten Verfahren mithilfe eines genetischen Algorithmus auf Basis von Messdaten und einem Verbrennungsmodell durchgeführt. Damit können zum einen der Öldampf im Brennraum sowie zum anderen die Reaktionspartner und -produkte der Verbrennung mit einer Anstiegszeit von 2,5 ms im gesamten Kennfeld eines Ottomotors gemessen werden. Zur Validierung des neuen Messverfahrens werden die Ergebnisse der Ölemission im Abgaskrümmer mit den integralen Ergebnissen der Brennraummessung verglichen, wobei sich ähnliche Abhängigkeiten von Drehzahl, Drehmoment und Kühlwassertemperatur ergeben. Durch die zeitlich hoch aufgelöste Messung werden die maßgeblichen Beiträge zur Ölemission in der Expansions- und Ausschiebephase ermittelt. Das wird tendenziell durch parallel durchgeführte Ölverbrauchs-Simulationsberechnungen bestätigt. Mit dem neuen Messsystem lassen sich die Entstehungsmechanismen der Ölemission genauer beobachten. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen zum einen zur Steigerung der Vorhersagegenauigkeit in die Programmierung von Simulationssoftware ein, zum anderen werden sie zur gezielten Entwicklung von Motoren und Schmierölen und damit zur Minimierung der Ölemission genutzt., To reduce engine emissions caused by evaporation of oil, the investigation of this process in the combustion chamber is necessary. In order to understand the mechanisms of oil emission, the gas composition has to be monitored online for each combustion cycle. A mass spectrometer equipped with a new direct inlet-system optimised by computational fluid dynamics enables crank angle resolved monitoring with a rise time of 2.5 ms over the full speed-/torque-range of a spark-ignition engine. The allocation of the measurement data to the crank angle is calculated by a new software program based on a genetic algorithm using CO2 measurements and a model of the combustion process.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Zündungseigenschaften einer neuartigen Brennkammer untersucht, wobei auch das Magerverlöschverhalten mit in Betracht gezogen wurde. Die Untersuchungen der Zündbarkeit basieren auf den Ergebnissen numerischer Simulationen und anschließenden Auswertungen in einer Zündsubroutine. Die Ergebnisse der Strömungssimulationen sind mit PIV-Messungen experimentell validiert worden, wobei die simulierten Sprayformen durch die ermittelten Mie-Aufnahmen bestätigt wurden. Hochgeschwindigkeitskamera - Aufnahmen wurden zur Validierung der berechneten minimalen Zündenergien verwendet. Die vorgenommenen Korrelationen zwischen den kalkulierten Werten der minimalen Zündenergie sowie den gemessenen AFR-Zündungsdaten eröffnen einen Weg zur Bestimmung der zu erwartenden zündbaren Gemischkonzentrationen in realen Brennkammern aufgrund der simulierten minimalen Zündenergie. Im Rahmen der Arbeit wurde weiterhin eine Parametergewichtung durchgeführt, welche als Grundlage bei der Optimierung ähnlicher Brennkammern dienen kann. The ignition performance of a modern staged combustor is investigated in this work. For the research of the ignition performance of the combustor a special ignition subroutine was developed, which based on the results of CFD-ACE simulation. The simulation results were validated by the PIV - measurements and by the laser light-sheet method. A high speed camera was used for validation of calculated ignition energy. The correlation between weak extinction and ignition performance was shown. The parameter ranking of all factors influencing ignition was carried out, which is the base for the further parameter optimization of similar combustors.

Ein katalytischer Gasturbinenbrenner realer Größe wurde hinsichtlich seiner Einsatzfähigkeit als Nachrüstlösung, seines Schadstoffausstoßes, sowie der Flammenstabilisierung experi-mentell untersucht. In zwei Betriebspunkten konnte das weitere Reduktionspotential des schon ohne Katalysator sehr schadstoffarmen Brenner aufgezeigt werden. Mit Hilfe der opti-schen Messtechniken OH* und CARS sowie traversierten Abgasmessungen direkt am Bren-neraustritt wird die Funktionsweise der Flammenstabilisierung dieses Brenners dargestellt.

Fortschrittliche Braunkohlenverbrennungstechniken für die dezentrale Energieversorgung gehören zu den Forschungszielen an der BTU Cottbus (Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus) und am ERI (Energieressourcen-Institut). Ein Schwerpunkt dabei ist die Entwicklung eines neuen Verbrennungssystems – der Zykloidfeuerung. Begleitend hierzu wurden mit der vorliegenden Arbeit erstmals grundlegende Untersuchungen zur Strömungsdynamik in der Brennkammer durchgeführt und ein numerisches Modell der isothermen Brennkammerströmung aufgestellt. Da eine messtechnische Erfassung des heißen, partikelbeladenen Strömungsfeldes in der Zykloidfeuerung nicht möglich war, wurde dieses modelliert und ein isothermes Brennkammermodell errichtet. Für die Strömungsmessungen wurde ein Heißfilmanemometer eingesetzt und zur numerischen Simulation kam das kommerzielle Programm FLUENT zur Anwendung. Im Brennkammermodell wurde ein dreidimensionales, stark verdralltes Strömungsfeld durch die Messungen ermittelt, welches die Simulationsergebnisse gut wiederspiegeln. Durch die Verbindung messtechnischer Untersuchungen und numerischer Simulationen konnte das isotherme Strömungsfeld vollständig dargestellt und Abhängigkeiten herausgearbeitet werden. Es liegen damit umfangreiche, grundlegende Erkenntnisse zum Strömungsverhalten im Brennkammermodell und dessen Abhängigkeiten vor. Diese sind grundsätzlich auf isotherme Strömungsverhältnisse in der realen Zykloidbrennkammer anwendbar. Advanced lignite combustion techniques for decentralised energy supply are among to the research aims at BTU Cottbus (Brandenburg Technical University of Cottbus) and at ERI (Energy Resource Institute). A focus of this research is the development of a new combustion system - cycloidal firing. Parallel to the experimental work basic investigations on fluid dynamics of the combustion chamber were carried out, and a numerical model of the isothermal flow within the firing system was developed. Because of the impossibility of measuring the flow field loaded with particles within the cycloidal firing, the field was numerically modelled, and an isothermal model of the combustion chamber was erected. Flow measurements were carried out with a hot film anemometer, and for the numerical simulation the commercial programme FLUENT was utilised. A 3-dimensional high-grade twisted flow field, which reflects the numerical simulation quite well, was determined by measuring the model of the combustion chamber. By connecting measurements and numerical simulation, the isothermal flow field was entirely described and dependencies were worked out. Now some extensive, basic knowledge of the flow behaviour within the model of the combustion chamber and it’s dependencies is available. In principle these results are applicable to real cycloidal firing.

The contribution provides an overview on the applicability of particle image velocimetry (PIV) and Doppler global velocimetry (DGV) in combustion test facilities and summarizes experiences gained in a number of applications that were performed in the past 6 years. Emphasis is placed on the experimental aspects of each application rather than the interpretation of the acquired flow field data because many of the encountered problems and chosen solution strategies are unique to this area of planar velocimetry application. In particular imaging configurations, seeding techniques, data acquisition strategies as well as pre- and post-processing methodologies are outlined. The paper describes four similar applications of PIV in atmospheric and pressurized combustors containing single burners that are operated either with kerosene or natural gas. Aside from providing adequate optical access to the respective facilities the most challenging issue has been the reliable supply of non-volatile and non-reacting solid particle seeding. Given the rather large mass flows of up to 1 kg/s inside the combustors, sufficient seeding quantities could best be delivered by fluidized bed particle generators, sometimes even operated in parallel. The devices have been continually improved to allow constant delivery rates only during data acquisition periods, thus preventing unnecessary collection of seeding in the facility. The choice and handling of the seeding particle powder was found to be crucial for the overall success of the measurements. The first application describes initial trials on a swirled kerosene spray fuel nozzle at 3 bars and illustrates problems encountered due to flame luminosity as well as strong light scattering from the fuel droplets. The second application summarizes the challenges faced in obtaining phase-resolved, three-component velocity data from a generic atmospheric gas combustor using stereoscopic PIV. A much larger, swirl stabilized gas burner as utilized in stationary power generation was the subject of the third described application. Here a novel methodology of data acquisition and post-processing provides phase resolved velocity maps even of flows that have non-constant oscillation frequencies. Finally, the fourth application describes how the combination of PIV with DGV can yield three-component velocity data in areas of limited optical access using only one viewing window and one separate window (or probe) for light sheet delivery.

The goal of this thesis is to determine the influence of different phenomena on the heat load of a hydrogen/oxygen rocket combustion chamber into the adjacent regenerative cooled wall. The heat transfer in turbulent flow is a result of turbulent vortices and the heat conductivity of the fluid. The turbulent effects were represented by the q-omega Low-Reynolds turbulence model, while the gas mixture and real gas effects werde considered in the gas conductivity. With these models, the heat load was simulated by a fluid/structure interaction simulation in which only the energy equation was solved for the solid domain. In this investigation, the influence of three oxidizer/fuel-ratios (O/F) and three chamber pressures was analized with special focus on boundary layer effects in the resulting heat loads.

The formation of sulfur-containing gases and chemiions in the combustor and their evolution in the turbine of aircraft-engines between combustor exit and engine exit are computed including the conversion fraction of fuel sulfur into SO3 and H2SO4. The combustion is approximated by an adiabatic time-dependent box-model. The temperature and pressure evolution in the flow between combustor exit and engine exit is modeled using a quasi one-dimensional (Q1D) model. New kinetic models for S-containing gases and chemiions are used. About 1% of the sulfur molecules are computed to be converted into SO3 within the combustor and about 10% into SO3 and 2SO4 before engine exit. Box models agree with the Q1D results for the same initial and thermodynamic conditions, but underestimate sulfur conversion by a factor of 3 if using a linear temperature profile. The number of positive and negative ions formed within the combustor, mainly NO+ and HSO4-, , depends strongly on the fuel/air ratio and on recombination reactions, mainly with 2H3O+ ions. The model computes a total ion emission of 2·1015 per kg of fuel burned at cruise. Far larger ion concentrations close to values observed behind engines at ground, are computed for higher combustor inlet pressure and higher fuel/air ratio.

The aim of the dissertation project is the numerical simulation of the flow in a scramjet combustion chamber with diabatic walls. In order to analyze the aerothermal load on the structure and to determine the energy loss of the flow, an integrated fluid-thermal-structural analysis is performed. Of special interest is the mutual influence of flow and temperature boundary layer as well as the aerodynamic heating rate. For modeling the energy boundary condition at the wall, a coupled analysis of the heat transfer within the multi-layer wall material is conducted. Within the fluid, the unsteady compressible conservation equations are solved using a Galerkin finite-element method on adaptive hybrid grids. In addition to the flexible unstructured triangular elements, semi-structured quadrilaterals are employed to better resolve the viscous layers near solid walls. Due to the fact that a nonreactive one-component fluid is considered, the heat addition due to the combustion process is modeled by a heat source distribution according to a one-dimensional combustion model. An algebraic as well as a low Reynoldsnumber q-omega turbulence model are applied to account for the influence of turbulence on the heat transfer. The same finite-element method is applied to the conservatively coupled solution of the structural conservation equation. Measurements obtained by the experimental combustion chamber of the German-Russian Hypersonic Technology Program are used to validate the computations.