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Bachelor-/Masterarbeit

Modellierung von Wärmeverlusten durch Konvektion und Strahlung in einer Gasturbinenmodellbrennkammer


Kurzbeschreibung:
Das wichtigste Ziel bei der Entwicklung moderner Gasturbinen ist die Steigerung des Wirkungsgrades, womit eine Steigerung des Druck- und Temperaturniveaus einhergeht. Für die Auslegung der thermisch hochbelasteten Bauteile ist deshalb eine genaue Kenntnis des Strömungszustands und der Temperaturverteilung in der Brennkammer erforderlich. In anwendungsnahen Konfigurationen sind diese Größen experimentell jedoch nicht oder nur sehr aufwendig zu ermitteln, weshalb der Entwicklung geeigneter numerischer Methoden eine große Bedeutung zukommt. Ein wichtiger Aspekt bei der numerischen Modellierung ist die Beschreibung von Wärmeverlusten, da diese u.a. den Wirkungsgrad und die Schadstoffemissionen direkt beeinflussen.

Im Rahmen der Arbeit soll der Einfluss von Wärmeverlusten auf die Struktur einer Strahlflamme untersucht werden. Hierfür stehen experimentelle Daten vom DLR Stuttgart zur Verfügung, die für eine Strahlflamme mit ausgeprägtem Rezirkulationsgebiet bei einem Druck von 8 bar und einer Vorwärmtemperatur von 450°C ermittelt wurden. Nach der Einarbeitung in OpenFOAM und einer analytischen Abschätzung der zu erwartenden Wärmeverluste, soll auf einem bereits vorhandenen Rechengitter eine Simulation mit Erdgas als Brennstoff unter Vernachlässigung aller Wärmeverluste durchgeführt und analysiert werden. Anschließend sollen schrittweise konvektive Wärmeverluste an den gekühlten Brennkammerwänden und Strahlungswärmeverluste betrachtet werden. Insbesondere soll untersucht werden, wie sich die Wärmeverluste auf die Flammenlänge, auf die Temperaturen im Rezirkulationsgebiet und die Abgastemperaturen auswirken. Wird die ausgeschriebene Arbeit im Rahmen einer Masterarbeit verfasst, sollen auch Fälle mit flüssigen Brennstoffen (Heizöl) untersucht werden.

Arbeitsschritte:
- Einarbeitung in die Modellierung von Wärmeübergangsprozessen und Einarbeitung in OpenFOAM
- Simulation der Brennkammer unter adiabaten Randbedingungen
- Analytische Abschätzung der zu erwartenden Wärmeverluste
- Betrachtung der konvektiven Wärmeverlust
- Betrachtung der Wärmeverluste durch Konvektion und Strahlung

Die gesamte Arbeit ist in schriftlicher Form zu dokumentieren und wird im Rahmen des Seminars Verbrennungstechnik präsentiert.



Voraussetzungen: Kenntnisse im Bereich Verbrennungstechnik und numerischer Simulation, insbesondere mit OpenFOAM, sind von Vorteil.

Beginn ab: 01. 03. 2020
Betreuer: M.Sc Arnold Herrgen
(eMail: Arnold.Herrgen∂kit.edu )
Aufgabensteller: Prof. Dr.-Ing. Nikolaos Zarzalis
(eMail: Nikolaos.Zarzalis∂kit.edu )