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TU Berlin

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Highlighted Research Results

Below is a selection of recently published and ongoing research results.

An empirical model for predicting pressure gain for rotating detonation combustors

Bach, E., Paschereit, C.O., Stathopoulos, P., Bohon, M.D., "An empirical model for stagnation pressure gain in rotating detonation combustors," Proceedings of the Combustion Institute (2020): pp. XXX-XXX. [link]

This work investigates the stagnation pressure gain in rotating detonation combustors (RDC) and its dependency on the geometry and mass flux of the combustor. Using a Kiel probe to directly measure stagnation pressure in the high-enthalpy exhaust stream, results are presented for a systematic variation of these parameters. The best-performing configuration achieved a pressure gain of −8%. A comparison with thrust-based equivalent available pressure data from literature shows that the Kiel probe measurements are in good agreement. It is observed that pressure gain increases with increasing air injector area, decreasing outlet throat area, increasing combustor mass flux, and is seen to be dependent on the operating mode. The data are then used to obtain an empirical model that describes pressure gain as a function of the three variables of injector area ratio, outlet area ratio, and combustor mass flux. The model is compared with measurements in this combustor and others, and is used to predict the pressure gain boundaries and to assess design corridors that potentially achieve positive pressure gain. 

(left) Comparison of pressure gain measurements, (right) Pressure gain model prediction
 

Pressure gain measurements using Kiel probes

Bach, E., Stathopoulos, P., Paschereit, C.O., Bohon, M.D., "Performance analysis of a rotating detonation combustor based on stagnation pressure measurements," Combustion and Flame 217 (2020): pp. 21-36. [link]

As a first in PGC research, we publish stagnation pressure data obtained  with a Kiel probe directly from the product gas stream of a rotating detonation combustor. These data allow a detailed look into the flow conditions in the combustion chamber, the pressure rise due to the detonation process, as well as the average Mach number of the flow. Combined with information about the wave mode, this allows an assessment of the performance of various RDC configurations

(left) Experimentally determined stagnation pressure gain, (right) RDC setup and detail view of Kiel probe
 

Autoignition in Stratified Mixtures for Pressure Gain Combustion

 
Yücel, F.C., Habicht, F., Bohon, M.D., Paschereit, C.O. "Autoignition in Stratified Mixtures for Pressure Gain Combustion," Proceedings of the Combustion Institute (2020): pp. XXX-XXX. [link]

Die stoßfreie Explosionsverbrennung ist ein neues Konzept zur Realisierung einer druckerhöhenden Verbrennung. In dieser Arbeit geht es um das Erzeugen verschiedener Selbstzündungsfronten durch das Eindüsen einer geschichteten Brennstoffkurve in einen kontinuierlichen Luftmassenstrom. Durch die resultierende Variation in Zündverzugszeit wird erreicht, dass das brennbare Gemisch an mehreren Stellen gleichzeitig zündet. Dies führt zu einer aerodynamischen Beschränkung welches die Gasexpansion verhindert. Als Resultat steigt der Druck innerhalb der Brennkammer vergleichbar mit einer Gleichraumverbrennung.

Eine robuste Einspritzstrategie wurde entwickelt zur präzisen Eindüsung eines definierten Brennstoffprofils. Nicht-reaktive Messungen zeigen, dass die eingedüste Brennstoffkurve innerhalb des Messstrecke erhalten bleibt. Drucksensoren, Ionisationssonden und optische Messungen zur Erfassung der emittierten OH* Chemilumineszenz zeigen, dass verschiedene Moden von Selbstzündungsfronten durch gezielte Brennstoffeindüsung initiiert werden können. Auch wenn eine sichtbare Schuss-zu-Schuss Varianz zu beobachten ist, zeigen die Ergebnisse, dass das Druckniveau durch entsprechende Eindüsung erhöht werden kann.

(top) SEC experimental apparatus, (bottom-left) Fuel injection trajectories and stratification, (bottom-right) OH* chemiluminescence and pressure histories during ignition
 

Detonation Initiation by Shock Focusing at Elevated Pressure Conditions in a Pulse Detonation Combustor

Habicht, F. E., Yücel, F. C., Gray, J. A., & Paschereit, C. O., "Detonation initiation by shock focusing at elevated pressure conditions in a pulse detonation combustor," International Journal of Spray and Combustion Dynamics 12 (2020): pp. 1-12. [link]

In dieser Arbeit wurde die Detonationsinitiierung in einer pulsierenden Detonationsbrennkammer mittels Stoßfokussierung experimentell untersucht. Hierbei wurde sowohl der Massenstrom als auch der Initialdruck während des Einzelschussbetriebs mit einem Gemisch aus Wasserstoff, Sauerstoff und Luft durch das Anbringen einer Blende am Auslass der Brennkammer variiert. Drei wesentliche Erkenntnisse konnten durch die Analyse gewonnen werden. (1) Die Erhöhung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit führt zu größeren turbulenten Schwankungsgrößen, was die Ausbildung eines starken führenden Stoßes vor der beschleunigten Flamme begünstigt. (2) Durch einen Anstieg des Initialdrucks wird die notwendige Stoßstärke für eine erfolgreiche Detonationsinitiierung durch Stoßfokussierung reduziert. (3) Da die Erhöhung des Massenstroms stets zu einem erhöhten Initialdruck führt, können sich die beiden genannten Effekte gegenseitig aufheben, wie es für ein Gemisch mit 40% vol. Sauerstoff im Oxidator beobachtet wurde.

(Links) Stärke des führenden Stoßes als Funktion des Initialdruck. Die Farbe zeigt die Erfolgsrate. (Rechts) Erfolgsrate als Funktion der Reynoldszahl.
 

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