Modellierung und numerische Simulation der zweiphasigen Strömungs- und Verbrennungsvorgänge in einem Staustrahltriebwerk mit Bor als Festtreibstoff:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
2009
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Fortschritt-Berichte VDI
Reihe 7, Strömungstechnik ; Nr. 493 |
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| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XVI, 281 S. Ill., graph. Darst. 21 cm |
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| adam_text | Titel: Modellierung und numerische Simulation der zweiphasigen Strömungs- und Verbrennungvorgänge in eine
Autor: Hußmann, Björn
Jahr: 2009
INHALTSVERZEICHNIS V
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis V
Formelzeichen VIII
1 Einleitung 1
2 Grundlagen 5
2.1 Erhaltungsgleichungen für die Gasphase 5
2.2 Gasdynamik 6
2.3 Turbulenzmodellierung 9
2.4 Modelle für die Partikelphase 13
2.4.1 Euler-Euler-Modellierung 13
2.4.2 Euler-Lagrange-Modellierung 14
2.5 Verbrennungsvorgänge 19
3 Stochastisches Partikel-Partikel-Kollisionsmodell 21
3.1 Algorithmus des stochastischen Partikel-Kollisionsmodells 21
3.1.1 Aufruf der Unterroutine durch den Löser 23
3.1.2 Berechnung der Momentangeschwindigkeit des fiktiven Kollisionspartners 24
3.1.3 Stoßfrequenz und Stoßwahrscheinlichkeit 26
3.1.4 Position des virtuellen Stoßpartners 27
3.1.5 Deterministische Berechnung eines binären Stoßes 29
3.1.6 Schleife, bis die Berechnung der aktuellen Trajektorie beendet ist 31
3.1.7 Mittelungsprozedur 31
3.2 Validierungsfall I: Konvergenter Kanal nach Fohanno Oesterle 31
3.2.1 In der Simulation verwendete Teilmodelle 33
3.2.2 Wahl des Zeitschritts und Netzverfeinerungsstudie 35
3.2.3 Vergleich experimenteller und simulierter Ergebnisse, Diskussion 37
3.2.4 Fazit der Validierungsrechnungen am Fall I 46
3.3 Validierungsfall II: Vertikale Rohrströmung nach Tsuji, Morikawa und Shiomi . . 46
3.3.1 In der Simulation verwendete Modelle und Randbedingungen 49
3.3.2 Gegenüberstellung der Ergebnisse der Simulation mit den experimentellen
Daten, Diskussion 50
3.4 Validierungsfall III: Drallbehaftete Rohrströmung nach Zhou, Li, Chen und Xu . 53
3.4.1 Modellierung 53
3.4.2 Gegenüberstellung der Ergebnisse der Simulation mit den experimentellen
Daten, Diskussion 57
3.5 Energieerhaltung 64
3.6 Zusammenfassung zum Kollisionsmodell 67
4 Hochbeladene, transsonische Gas-Feststoff-Strömungen 69
4.1 Modellbeschreibung 70
4.2 Ergebnisse von Beispielrechnungen anhand einer Lavaldüse 76
5 Literaturrecherche zur Borverbrennung 83
5.1 Literatur ab 1969, ohne Gruppenzuordnung 83
5.2 Forschungsgruppe um A. Macek 84
5.3 Forschungsgruppe um G.M. Faeth und S.R. Turns 85
5.4 Forschungsgruppe um M.K. King 86
5.5 Forschungsgruppe um F.A. Williams 87
5.6 Forschungsgruppe um D.E. Rosner 89
5.7 Forschungsgruppe um A. Gany 89
5.8 Forschungsgruppe um S. Yuasa 90
5.9 Forschungsgruppe um E.L. Dreizin 90
5.10 Forschungsgruppe um H. Krier und R.L. Burton 91
5.11 Arbeiten von D. Meinköhn 92
5.12 Forschungsgruppe um K.K. Kuo, Pennsylvania State University (PSU) 93
5.13 Forschungsgruppen um R.A. Yetter, F.L. Dryer, H. Rabitz, R.C. Brown und
C.E. Kolb (Princeton University/Aerodyne Research Inc.) 96
5.14 Literatur nach dem Jahr 2000 98
6 Borverbrennungsmodell der Princeton/ Aerodyne-Gruppe 101
6.1 Implementierte Reaktionsmechanismen für die Bor-Gasphasenverbrennung .... 103
6.2 Weitere Gasphasenreaktionsmechanismen 115
6.3 PA-Modell zur heterogenen Oberflächen-Borchemie 121
7 PSU-Verbrennungsmodell fiir Bor-Einzelpartikel 128
7.1 Beschreibung des Partikelabbrandmodells 128
7.1.1 Aufheizphase 128
7.1.2 Erste Stufe der Verbrennung, Chemie 130
7.1.3 Erste Stufe der Verbrennung, Physik 135
7.1.4 Zweite Stufe der Verbrennung, Chemie 137
7.1.5 Zweite Stufe der Verbrennung, Physik 141
7.1.6 Numerisches Modell 146
7.2 Kritikpunkte am Originalmodell der PSU-Gruppe 146
7.2.1 Schwachstellen und Unstimmigkeiten 146
7.2.2 Gegenüberstellung von publizierten Profilen und Ergebnissen der Origi¬
nalgleichungen 148
8 Erweitertes Bor-Verbrennungsmodell 152
8.1 Erste Stufe der Verbrennung 152
8.2 Neue Modellierung der physikalischen Effekte in der Umgebung von Einzelparti¬
keln während der zweiten Stufe der Verbrennung 153
8.3 Berücksichtigung der Verdunstung des Bors 164
8.4 Konvektionseinfluss auf den Borabbrand 168
8.5 Chemische Reaktionsgeschwindigkeiten 170
8.5.1 Reaktionsgeschwindigkeit der globalen Reaktion GR6 und deren Konzen¬
trationsabhängigkeit 170
8.5.2 Reaktionsgeschwindigkeit der globalen Reaktion GR7 175
8.5.3 Limitierung der Geschwindigkeiten der Reaktionen GR7 und GR8 bei ver¬
schwindendem Sauerstoffmolanteil an der Partikeloberfiäche 177
8.6 Für den Borpartikelabbrand zu lösende Differentialgleichungen 181
8.6.1 Bilanzen für die erste Stufe der Verbrennung 181
8.6.2 Bilanzen für die zweite Stufe der Verbrennung 183
8.7 Implementierung in MATLAB 185
8.8 Validierung 190
8.9 Instationäres Vergleichsmodell 200
8.9.1 Erhaltungsgleichungen in der Gasphase 201
8.9.2 Differentialgleichungen für das Partikel 205
8.9.3 Algorithmus der gekoppelten Lösung der instationaren Gleichungen . . . 206
8.9.4 Vergleich zwischen quasistationärem und instationärem Modell 206
8.10 Implementierung in die CFD-Software ANSYS CFX 212
8.10.1 Einschränkungen des Verbrennungsmodells in der CFD-Simulation .... 213
8.10.2 Programmablauf und Kopplung mit globaler Gasphasenchemie 216
8.10.3 Ergebnisse der Strömungssimulation mit mehrphasiger Verbrennung in
zwei- und dreidimensionalen Brennkammergeometrien 222
8.11 Chemie-Turbulenz-Kopplung 227
8.11.1 Stand der Forschung 2007 zu reaktiven Mehrphasenströmungen 228
8.11.2 Diskussion der Modellansätze 232
8.11.3 Einfluss der Stokes-Zahl und des turbulenten Zeitmaßes auf den Partikel¬
abbrand 235
9 Zusammenfassung 239
A Kollisionsmodell — bereitzustellende Variablen 242
B Kollisionsmodell — Alternativer Zeitschritt 243
C Herleitung der Formeln für einen binären Stoß 245
D Stoffeigenschaften 248
D.l Thermophysikalische Stoffeigenschaften von Bor und Boroxid 248
D.2 Wärmekapazitäten und Reaktionsenthalpien 248
D.3 Diffusionskoeffizienten 250
D.4 Viskosität und Wärmeleitfähigkeit 251
D.5 Dichte des Bors 254
D.6 Literatur zu Stoffdaten und Reaktionskinetik 254
E Herleitung der Differentialgleichungen für Borpartikel 260
E.l Allgemeine Form der Enthalpiebilanz für ein offenes Mehrkomponentensystem . . 260
E.2 Allgemeine Form der Massenbilanz für ein reagierendes Borpartikel 264
Literaturverzeichnis 265
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Inhaltsverzeichnis
THWS Schweinfurt Magazin
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2900 07082 |
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