This file was created by the Typo3 extension sevenpack version 0.7.16 --- Timezone: CET Creation date: 2023-01-27 Creation time: 08-44-04 --- Number of references 29 mastersthesis Collisi2022 2022 1 19 Das Konzept des Röhrentransportsystems, wie das des Hyperloops, basiert in der grundlegenden Idee auf einem teilevakuiertem Röhrensystem, in welchem sich das eigentliche Fahrzeug, der Pod, mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Es wird als eine weitere Form des Transports, neben den herkömmlichen Varianten des Land-, Wasserund Luftverkehrs, gesehen. Durch den niedrigen Luftdruck und die damit einhergehende niedrige Luftdichte, wird ein geringer aerodynamischer Widerstand angestrebt, welcher sich positiv auf die Leistung und die Energieanforderungen auswirkt. Da dieses System jedoch nicht in einem vollständigen Vakuum betrieben wird, sind hierbei diverse aerodynamische Effekte, welche mit dem Einschluss des Pods in einer Röhre einhergehen, nicht zu vernachlässigen. Hierzu zählen, unter anderem, der stärkere Anstieg des Luftwiderstands mit zunehmender Geschwindigkeit des Pods innerhalb der Röhre, im Vergleich zu einem Pod in einer freien Strömung. Das Verhältnis aus der hierbei vom Pod versperrten Querschnittsfläche und der Querschnittsfläche der Röhre nennt sich das Verblockungsverhältnis oder kurz Verblockung. Die Diskrepanz in der Ausprägung des auf den Pod wirkenden Widerstands, ist auf die vor dem Pod aufgestaute Luftsäule zurückzuführen, deren Ausprägung in direktem Zusammenhang mit der Verblockung steht. In dieser Arbeit wird das Verhalten der Widerstandskraft mit steigender Strömungsgeschwindigkeit sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Hierzu werden verschiedene Verblockungsverhältnisse und Oberflächenbeschaffenheiten betrachtet. Die Experimente werden an einem nicht evakuierten Aufbau im Maßstab 1:40 durchgeführt und bieten neben der Auswertung der Widerstandskraft auch die Möglichkeit der Auswertung von Drücken innerhalb der Messtrecke, um die Strömungsverhältnisse, welche die Modelle umgeben, beurteilen zu können. Die Ergebnisse der experimentellen als auch der numerischen Betrachtung weisen einen deutlichen Anstieg des Luftwiderstands innerhalb der Röhre im Vergleich zum Freistrahl auf. Des Weiteren steigt der Luftwiderstand innerhalb der Röhre mit zunehmender Verblockung nochmals stark an. Die Untersuchung und Auswertung dieser aerodynamischen Effekte sind essenziell für die Auslegung und den ökonomischen Betrieb eines solchen Transportsystems. Diese Arbeit stellt einen ersten Ansatz experimenteller Untersuchungen zum aerodynamischen Widerstand eines Pods in einem Röhrensystem dar und bietet eine Grundlage für weitere, tiefreichende Untersuchungen zum Betrieb dieser Form des Transports. The concept of the tube transport system, like that of the Hyperloop, is based on a partially evacuated tube system, in which the actual vehicle, the so-called pod, moves at high speed. It is seen as a new mode of transportation, in addition to the conventional variants of land, water and air transport. Due to the low air pressure and the associated low air density, a low aerodynamic drag is the desired result. This would have a positive effect on performance and energy requirements. However, since this system is not operated in a complete vacuum, various aerodynamic effects associated with the confinement of the pod in a tube must not be neglected. These include the strong increase in drag with increasing velocity of the pod within the tube, compared to a pod in a free stream. The ratio of the cross-sectional area obstructed by the pod and the cross-sectional area of the tube is called the blockage ratio or blockage for short. The discrepancy in the resistance acting on the pod is directly related to the air column that accumulates in front of the pod, which in return is directly related to the blockage ratio. In this thesis, the behavior of the drag force with increasing flow velocity is investigated both experimentally and numerically. For this purpose different blockage ratios and surface conditions are considered. The experiments are carried out on a non-evacuated structure with a scale of 1:40. Besides the evaluation of the drag forces, the test stand also offers the possibility of evaluating pressure distributions within the measurement section in order to assess the flow conditions surrounding the pod models. The results of the experimental as well as of the numerical observations show a clear increase of the aerodynamic drag inside the tube compared to the free stream. Furthermore, the aerodynamical drag inside the tube strongly increases with increasing blockage ratio. The investigation and evaluation of these aerodynamic effects are essential for the design and economic operation of such a transport system. This work presents a first approach to experimental investigations of the aerodynamic drag acting on a pod in a tube. In addition to that, it provides a basis for further, more in-depth investigations into the operation of this form of transport. Bachelor 1457 TU Berlin Bechelor FabianCollisi mastersthesis Casel2020 2020 6 16 Master 1438 TU Berlin Master MarioCasel mastersthesis Cruz2019 2019 5 2 Bachelor 1398 TU Berlin Bachelor Nicolás DarioCruz Bastidas mastersthesis Coulmann 2019 1 7 Master 1382 TU Berlin Master OliverCoulmann mastersthesis Cura2018 2018 2 12 Master 1370 TU Berlin, Friendship Systems Master CarolinaCura mastersthesis Church2016 2016 9 12 Master 1274 TU Berlin Master Benjamin S.Church mastersthesis Cleve2016 2016 6 13 Master 1249 TU Berlin, Ecole Centrale de Lyon Master SarahCleve mastersthesis Kohlrausch2016 2016 1 18 Bachelor 1221 TU Berlin Bachelor KohlrauschChristoph Tilman phdthesis Cordes2016 2016 8 30 Dissertation 1270 TU Berlin Dissertation UlrikeCordes mastersthesis Cura 2015 5 11 Bachelor 1137 TU Berlin Bachelor CarolinaCura mastersthesis Celik2014 2014 8 22 Master 1111 MAN Diesel & Turbo SE, Sperrvermerk bis 22.08.2017 TU Berlin Master EmreCelik phdthesis cosic2014 2014 Zusammenfassung: Die Gasturbine ist die Schlüsseltechnologie für eine effiziente und flexible Erzeugung von Strom und für den Antrieb von Flugzeugen. Zurzeit stellt diese Technologie bereits den höchsten elektrischen Wirkungsgrad für die Umwandlung von fossilen Brennstoffen bei gleichzeitig geringen Emissionen und schnellen Anfahrzeiten bereit. Um Schadstoffemissionen zu minimieren, ist die magere Vormischverbrennung von besonderer Bedeutung. Die größte Herausforderung bei der Verwendung dieser Technologie ist das Auftreten von thermoakustischen Instabilitäten. Bei diesen Verbrennungsinstabilitäten handelt es sich um eine Kopplung von Wärmefreisetzungsschwankungen durch die Flamme und Druckschwankungen im akustischen Feld. Thermoakustische Instabilitäten schränken den Betriebsbereich der Gasturbine ein und beeinträchtigen dadurch die Schadstoffreduktion und Effizienzerhöhung der Gesamtmaschine. Die Flamme antwortet auf Brennstoffverhältnis- und Geschwindigkeitsschwankungen mit Wärmefreisetzungsschwankungen, die Energie in das akustische Feld übertragen. Dieser Energietransport treibt die thermoakustische Instabilität an. Durch die Sättigung der Flammenantwort stellt sich eine Grenzamplitude im eingeschwungenen Zustand ein. Folglich bildet die Kenntnis der Flammenantwort die Grundlage für die Vorhersage der Instabilitätsfrequenz und der Schalldruckamplitude. Diese nichtlineare Flammentransferfunktion wurde experimentell mit Mikrofonen, Strömungsfeld- und Wärmefreisetzungsmessungen untersucht. Neben einer phänomenologischen Untersuchung der Sättigungseffekte der Flamme wurde die nichtlineare Flammenantwort auch über einen Blackbox-Ansatz vermessen, der für das verwendete Vor- hersagewerkzeug benötigt wird. Es wurden Hinweise auf bisher unbekannte nichtlineare Sättigungsmechanismen der Flamme bei dem untersuchten industrierelevanten Brenner gefunden.Außerdem wurde ein Verfahren entwickelt, das bei der Brennerentwicklung Zeit und Kosten einspart, indem der Messaufwand für die Bewertung der Mischungsinhomogenitäten für die Flammenantwort reduziert wird. In Gasturbinenbrennkammern sind akustische Dämpfer installiert, die die Instabilitäten unterdrücken oder zumindest die Schalldruckamplituden stark reduzieren. Oft sind die Dämpfer über akustische Resonatoren realisiert und sind heißen Abgasströmen ausgesetzt, die mit dem Kühlluftstrom des Dämpfers interagieren und bei höheren Amplituden auch in den Dämpfer eindringen können. Ein Ziel der Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen der heißen Brennkammerabgase auf die Dämpfer experimentell zu bestimmen und theoretisch zu modellieren. Dazu wurden Mikrofon- und Geschwindigkeitsfeldmessungen unter gasturbinenbrennkammerähnlichen Randbedingungen durchgeführt. Die Messungen zeigen einen signifikanten Einfluss der heißen Querströmung in der Brennkammer auf die akustische Dämpferantwort. Die Frequenzen, bei denen der Dämpfer besonders gut funktioniert, werden verschoben und die Dämpfung verringert sich. Bei hohen Amplituden sinkt die Dämpfung noch weiter ab und die schmale Frequenzantwort verschiebt sich noch stärker vom Auslegungspunkt weg. Diese Einflüsse wurden detailliert modelliert. Die Flammen- und Dämpferantwort wurden erfolgreich zur Vorhersage der Amplitude und Frequenz thermoakustischer Instabilitäten bei verschiedenen Randbedingungen in ein akustisches Netzwerkmodellimplementiert. Aufwendige Messungen von thermoakustischen Instabilitäten bei verschiedenen Brennkammergeometrien wurden durchgeführt, um das Vorhersagewerkzeug ohne den Einfluss des Dämpfers zu verifizieren. Es wurde eine sehr gute Vorher-sagegenauigkeit bezüglich der Schalldruckamplitude und Frequenz mit dem entwickelten Vor- hersagewerkzeug erzielt. Abschließend wurde die Interaktion der beiden Nichtlinearitäten des Dämpfers und der Flamme theoretisch untersucht, was als Grundlage für zukünftige Untersu- chungen dienen kann. Abstract: Currently, the stationary gas turbine is the core technology for the highest energy conversion rates available. Additionally, gas turbines are very flexible and can complement the power production of wind turbines and solar power stations very well and they are widely used as propulsion engines in the aviation industry. Liquid and gaseous fuels are burnt at very high temperatures of approximately 1600◦C and electricity is produced at a conversion efficiency of more than 60 %. The strict emission regulations are satisfied with the help of the lean premixed combustion technology. Here, large amounts of air are mixed with the fuel prior to burning it. This drastically limits the peak temperature in the flame and thereby reduces the NOx emissions. The major drawback of this technology is the susceptibility to thermoacousticinstabilities. These are coupled high amplitude heat release and pressure oscillations, which can significantly limit the operation range of engines. Thermoacoustic instabilities are difficult to predict and can, in the worst case, destroy essential parts of the gas turbine. These combustion instabilities restrain the operational rangeof gas turbines and are a reason for increased emissions and decreased efficiency. Therefore, models and prediction tools are of high importance in the design process of combustion chambers. Moreover, the understanding of the physical effects causing nonlinear damping and the nonlinear flame response is of utmost importance. The scope of this thesis is the prediction of limit cycle amplitudes of an industrially relevant combustion system with realistic acoustic boundary conditions and, furthermore, the improved understanding of the relevant nonlinear effects. Firstly, the nonlinear response of a perfectly and partially premixed flame is investigated by means of microphone, chemiluminescence, and flow field measurements. The degree of spatial unmixedness is varied and the impact of temporal mixture inhomogeneities is assessed. Subsequently, the amplitude-dependent acoustic response of Helmholtz dampers and of the other boundary conditions are analyzed with the help of acoustic and flow field measurements. These dampers are used by all gas turbine manufactures in gas turbines to control and attenuate thermoacoustic instabilities. The experiments were conducted under realistic conditions by exposing the damper to hot exhaust gas. Finally, the stability map of a premixed combustor is predicted and compared to extensive stability experiments. The present work significantly extends the state of the art in flame describing function based nonlinear network modeling in several ways. The nonlinear response of a turbulent swirl flame is studied up to extremely high excitation amplitudes. Nonlinear mechanisms of the practically relevant flame are investigated in detail allowing for a better understanding and future modeling of the complex mechanisms. The identified saturation mechanisms are associated to mixture inhomogeneities and to hydrodynamic effects. The correct assessment of the nonlinearity of the acoustic dampers is of crucial importance for the prediction of instabilities in a real engine. For the first time, the temperature differences between the grazing flow and the cross-flow emanating from a Helmholtz resonator are investigated in terms of the influence on the acoustic response of the resonator. It is shown that density gradients between the cooling flow of the damper and the combustor flow significantly affect the damper efficiency and resonance frequency. These effects are successfully modeled and explained in detail. The nonlinear flame and damper response can be used in a nonlinear stability analysis to predict the frequency and amplitude of thermoacoustic instabilities. This is done for the first time for an industrially relevant combustor for a range of combustor lengths, thus, allowing for a realistic assessment of the accuracy of the method. Additionally, a theoretical analysis of the interaction between damper and flame paves the way for encouraging investigations in the future. Dissertation 1169 TU Berlin Dissertation BernhardĆosić mastersthesis Zhong2012 2012 Bachelorarbeit 996 TU Berlin Bachelorarbeit ZhongCao mastersthesis Clara1995 1995 Diplomarbeit 771 TU Berlin Diplomarbeit CédricClara mastersthesis Constant1995 1995 Diplomarbeit 803 TU Berlin Diplomarbeit ArnaudConstant mastersthesis Cekici1994 1994 Diplomarbeit 776 TU Berlin Diplomarbeit NazireCekici mastersthesis Cordier1993 1993 Diplomarbeit 746 TU Berlin Diplomarbeit Chr.Cordier mastersthesis Courtin1991 1991 Diplomarbeit 565 TU Berlin Diplomarbeit N.Courtin mastersthesis Chevalier1990 1990 Diplomarbeit 783 TU Berlin Diplomarbeit CatherineChevalier mastersthesis Cuvelier1990 1990 Diplomarbeit 557 TU Berlin Diplomarbeit P.Cuvelier mastersthesis Cuno1971 1971 Diplomarbeit 404 TU Berlin Diplomarbeit U.Cuno mastersthesis Cuno1970 1970 Studienarbeit 403 TU Berlin Studienarbeit U.Cuno phdthesis Chochorowski1969 1969 Dissertation 343 TU Berlin Dissertation E.Chochorowski mastersthesis Caldeira1968 1968 Studienarbeit 323 TU Berlin Studienarbeit M.Caldeira M.Dannert A.Retsch mastersthesis Crueger1964 1964 Studienarbeit 219 TU Berlin Studienarbeit K.-J.Crüger mastersthesis Coenen1964 1964 Diplomarbeit 192 TU Berlin Diplomarbeit R.Coenen mastersthesis Chochorowski1962 1962 Diplomarbeit 141 TU Berlin Diplomarbeit E.Chochorowski mastersthesis Cassebaum1961 1961 Studienarbeit 118 TU Berlin Studienarbeit B.Caßebaum mastersthesis Backhaus1952 1952 Studienarbeit 22 TU Berlin Studienarbeit P.Backhaus W.Conrad