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The state of the art in aero engine design and analysis methods is based on mature computer programs, which have been developed during several decades. The classical approach to the preliminary design phase of engine subsystems is to split the complex engineering process into disciplines and subtasks. Different experts manage the time-consuming modelling work. Due to the increasing demand for higher aero engine performance and design cycle time reduction, process integration, accuracy and agility have become key assets of the engineering work-flow.
The intention of this work is to show how multi-disciplinary integration, work-flow automation and CFD-enhanced thermal modelling methods can be used efficiently to support the aero engine preliminary design phase, with focus on the high pressure turbine subsystem. A Java based common design environment for the engine secondary air system, rotors and thermal design disciplines has been developed. This design environment enables the automatic generation of CAD, flow network and thermal models.
The improvements in terms of process agility and model prediction accuracy are demonstrated with the application of the implemented process to a reference high pressure turbine subsystem. For validation purposes, the preliminary design definition of the reference turbine case is reproduced. The automatically generated secondary air system and thermal models can replicate the same level of detail as the previous manual approach. It was found that the CFD-enhanced thermal model improves the prediction accuracy in the preliminary design stage, when no engine test data is available.
The continual optimization process for more efficiency of industrial flows has raised the need for providing deeper understanding of turbulence. These details can be provided by direct numerical simulation (DNS), which is impossible for most flows with current computers. Therefore, progress in optimizing Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) and large eddy simulation (LES) modeling strategies will need to continue. Another ansatz is the reduction to 2D or 1D models to reduce the numerical cost.
One dimensional turbulence (ODT) as presented by A. R. Kerstein is a new modeling strategy that reduces the 3D simulation to a 1D line of sight through the flow region. Due to the higher resolution afforded by the 1D model, it is possible to simulate even the smallest scales and to provide insight into turbulence statistics.
To assess the advantages and disadvantages of the model, ODT has to be validated against several flows. Within this thesis, ODT is validated against the channel flow, the passive scalar transport and the channel flow with a fluctuating pressure gradient. These flows are simplified test cases for the phenomena present in single-phase industrial flows. ODT produces meaningful results for friction Reynolds numbers up to Reτ = 6·10⁵ and for Prandtl numbers from Pr = 0.025 to 50. Statistics of the wall shear stress are presented and the influence of pressure fluctuations is discussed.
Based on these channel results, the non-breaking and breaking jet are simulated. While the former is a simplified case of a free-surface flow, the latter is of primary interest for spray formation and fuel injection. Detailed statistics of the TKE budgets and the breakup are presented. As the last case, the cloud top of a stratocumulus-topped boundary layer (STBL) was simulated. The case combines the interaction of an active and a passive scalar. It further combines the simulation of a stable and an unstable stratified region that suppresses and enhances turbulence respectively. The simulations reproduce the entrainment velocity and generate comparable mean and flux profiles compared to DNSs.
In der vorliegenden Arbeit wird die numerische Modellierung der Hydrodynamik und Wärmeübertragung in blasenbildenden Wirbelschichten bestehend aus Braunkohlepartikeln untersucht. Zur Validierung der aus den Simulationen extrahierten Daten stehen zwei verschiedene Versuchsanlagen zur Verfügung. In einem quasi-2D Wirbelschichtkaltmodell können hydrodynamische Größen gemessen werden. Mithilfe transparenter Vorder- und Rückwände der Wirbelschicht kann eine automatische Bildanalyse per Digital Image Analysis Technique (DIAT) durchgeführt werden, um die Eigenschaften der aufsteigenden Blasen ermitteln zu können. Eine weitere zylindrische Wirbelschichtanlage mit einem einzelnen, horizontal eingetauchten Rohr dient zur Bestimmung des Wärmeübergangs von dem Rohr in die Wirbelschicht. Der Wärmeübergangskoeffizient wird dabei über eine Sonde gemessen, welche die Ermittlung der lokalen Verteilung der Werte über dem Gesamtumfang ermöglicht. Als Wirbelgut wurde in beiden Versuchsanlagen abgesiebte Trockenbraunkohle verwendet. Dem eigentlichen Schwerpunkt der Arbeit wird eine Untersuchung zu Simulationsparametern und -gittern vorangestellt, um deren Einfluss auf die Ergebnisse abschätzen und passende Einstellungen ableiten zu können. Dies beinhaltet die Diskretisierung der konvektiven Terme in den Erhaltungsgleichungen, die gewählten Konvergenzkriterien und Zeitschrittweiten, die mindestens notwendigen Simulationsdauern und Mittelungszeiträume sowie die Auflösung und die Dimension des Rechengitters. Zur Modellierung der Hydrodynamik der Braunkohlewirbelschichten wird das Euler-Euler Two Fluid Model (TFM) unter Einsatz der Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) zur Modellierung der Rheologie der Feststoffphase angewendet und die wichtigsten partikelrelevanten Modellparameter und Submodelle untersucht. Die in Braunkohlewirbelschichten sowohl ohne als auch mit dicht gepackten Tauchheizflächen durchgeführten Vergleiche werden anhand der experimentell ermittelten Versuchsergebnisse validiert. Die individuelle Wirkung der unterschiedlichen Parameterwerte und Submodelle ist im Allgemeinen in freien Wirbelschichten größer und deutlicher voneinander abgrenzbar als in den Wirbelschichten mit den Strömungswiderständen. Deren Einfluss ist aufgrund ihrer dichten Anordnung dominierend. Von den untersuchten Größen stellt die Impulsaustauschfunktion den bedeutendsten Faktor zur adäquaten Beschreibung der Hydrodynamik der Wirbelschicht dar. Für die Untersuchung der Wärmeübertragung in Braunkohlewirbelschichten werden verschiedene Ansätze zur Modellierung der Wärmeleitfähigkeiten von Gas- und Feststoffphase betrachtet. Neben einem Standardmodell für die Wirbelschicht gehören dazu ebenfalls zwei unterschiedliche Methoden zur Einbeziehung von Effekten, die in unmittelbarer Nähe eingetauchter Oberflächen zu beachten sind und die lokale Wärmeleitfähigkeit der Gas-Partikel-Suspension beeinflussen. Die Simulationen mit den genannten Modellen zur Beschreibung der Wärmeleitfähigkeiten werden mittels globaler und lokaler Mittelwerte der sich ergebenden Wärmeübergangskoeffizienten an einem eingetauchten, horizontalen Einzelrohr miteinander und den experimentell gewonnenen Daten verglichen. Zusätzlich erfolgt eine Variation der Leerrohrgeschwindigkeit sowie eine getrennte Diskussion der gas- und partikelkonvektiven Anteile. Die Resultate zeigen, dass ein Wärmeleitungsansatz in der Nähe einer Übertragerfläche zu deutlich niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten als die anderen beiden führt, da er dort für die Feststoffphase geringere Wärmeleitfähigkeiten annimmt. Weiterhin kann in den Simulationen unabhängig von Partikeldurchmesser und Geschwindigkeit ein starker Abfall der erzielten Wärmeübertragung im Bereich der Rohrflanken beobachtet werden, welcher die größte qualitative Abweichung zwischen den Daten aus den Simulationen und Experimenten darstellt. In einer Diskussion werden die Gründe für diese Diskrepanz beleuchtet.
Die vorliegende Arbeit behandelt den Wärmeübergang in Wirbelschichten mit horizontalen Wärmetauscherflächen in Form von Einzelrohren oder Rohrbündeln. Die zugrunde liegende Anwendung ist die (Druckaufgeladene) Dampfwirbelschicht-Trocknung von Braunkohle, welche auf eine Korngröße von 0-2 mm aufgemahlen ist ("Feinkorn", Sauterdurchmesser < 85 Mikrometer), was den Anforderungen von Staubbrennern im Kraftwerk genügt. In diesen Wirbelschichten dominiert deutlich der partikelkonvektive Wärmeübergangsmechanismus. Die verschiedenen (D)DWT- und andere Trocknungsverfahren werden verglichen und anhand von Energieeffizienz und großtechnischer Anwendbarkeit bewertet. Derzeit existieren in der Literatur große Unsicherheiten und Widersprüche bezüglich der Vorhersage des Wärmeübergangs bei unterschiedlichen Einzelrohr- und Rohrbündelgeometrien. Untersuchungsbereiche in der Arbeit sind die Wärmetauschergeometrie, der Einfluss von Korngrößenverteilung und beheizten Nachbarrohren im Rohrbündel sowie die Effekte der Anwesenheit und gleichzeitigen Verdampfung von Wasser. Die Vorhersagegüte der anerkannten Theorien von Martin und Molerus/Dietz wird anhand des (D)DWT-Verfahrens bezüglich des Wärmeübergangs vom Heizrohr in die Wirbelschicht überprüft. Dabei stellt sich die Verwendung des Martindurchmessers zur Beschreibung des stark polydispersen Wirbelgutes als geeignet heraus. Das zusätzlich eingeführte 40-my-Kriterium wurde als geeigneter Standard zum Vergleich von feinkörnig aufgemahlenen Braunkohlen unterschiedlicher Herkunft identifiziert. Die Auswirkungen des Rohrdurchmessers auf den Wärmeübergang wurden über den weiten Bereich von 12 - 200 mm untersucht und in die Theorie implementiert. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Untersuchung unterschiedlicher Rohrbündelgeometrien, insbesondere mit versetzter Rohranordnung, zur Herleitung eines auf geometrischen dimensionslosen Kennzahlen basierenden Rohrbündelfaktors, welcher die Reduktion des Wärmeübergangskoeffizienten am Rohrbündel im Vergleich zum Einzelrohr vorhersagt. Die verwendeten Rohrbündel umfassten Rohrdurchmesser von 12 - 35 mm und Rohrteilungen von 1,5 bis 4,0. Die gefundenen Haupteinflussgrößen auf den Rohrbündelfaktor sind die horizontale und diagonale Teilung sowie der kleinste freie Rohrabstand zwischen den Rohren. Wichtige Randeffekte wurden ebenfalls betrachtet und diskutiert. Ergänzend wurden die Rohrbündelgeometrien anhand des spezifischen, volumenbezogenen Wärmeübergangskoeffizienten verglichen. In der Arbeit konnten relativ präzise und detaillierte Auslegungsgrundlagen für die Konstruktion von Rohrbündelwärmetauschern in Wirbelschichten erarbeitet werden. Diese umfassen den Anwendungsfall der (D)DWT, sind aber auch auf andere Feinkornwirbelschichten übertragbar.