Dr.-Ing. Björn Hußmann

Dr.-Ing. Björn Hußmann
Derzeitige Position: Entwicklungsingenieur, BMW AG.



BMW AG
email: Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Herrn Prof. Pfitzner.


 

 

 

Modellierung und numerische Simulation der zweiphasigen Strömungs- und Verbrennungsvorgänge in einem Staustrahltriebwerk mit Bor als Festtreibstoff


Am Institut für Thermodynamik werden experimentelle und theoretische Arbeiten mit dem Ziel der Weiterentwicklung der Mittelstrecken-Luft-Luft-Rakete METEOR, die zur zukünftigen Standardbewaffnung des Eurofighters gehören wird, durchgeführt.

Dieser Flugkörper besitzt ein Feststoff-Staustrahltriebwerk. Nach der Beschleunigung auf Überschallgeschwindigkeit durch einen Booster-Treibsatz ermöglicht der luftatmende Betrieb den Entfall eines großen Teils der bei herkömmlichen Konzepten mitzutransportierenden Masse eines Oxidationsmittels. Dies führt zu einer erheblichen Volumenreduktion des Treibstoffreservoirs oder erlaubt alternativ eine deutlich größere Reichweite.

 

Der Treibsatz enthält Borpartikel, die eine wesentlich höhere Energiedichte als die für gewöhnlich verwendeten Kohlenwasserstoffe besitzen. Ihr Einsatz bewirkt somit eine weitere Verringerung des für den Antrieb benötigten Volumens. Außerdem ist es der Firma MBDA Missile Systems/Bayern-Chemie Protac weltweit erstmals gelungen, ein mit Bor als Treibstoff arbeitendes Triebwerk regelbar zu gestalten.

 

 

 

Die Dissertation behandelt die Modellierung der Strömungs- und Verbrennungsvorgänge in einem Feststoff-Staustrahltriebwerk mit Bor-Treibstoff zur Optimierung des Verbrennungswirkungsgrads.

Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Modellierung hochbeladener, transsonischer Gas-Feststoffströmungen, wie sie in Teilen des Triebwerks auftreten, behandelt. Zu diesem Zweck wurde u.a. ein Partikel-Partikel-Kollisionsmodell in den Lagrange-Löser der CFD-Software ANSYS CFX implementiert und die Wirkungsweise anhand eines Vergleichs mit drei Experimenten aus der Literatur validiert. Gegenstand des zweiten Teils dieser Arbeit ist eine umfassende Darstellung des Stands der Forschung zur Borpartikelverbrennung. Es wird eine Literaturrecherche über den Zeitraum Ende der 1960er Jahre bis zum Jahr 2007 präsentiert, aus der zwei Modelle zur Verbrennung von Bor-Einzelpartikeln herausragen.

Das erste Modell ist sehr detailliert mit Gasphasen- und Oberflächenreaktionsmechanismen, die aus Hunderten von Elementarreaktionen bestehen, sowie einer aufwendigen Modellierung der physikalischen Prozesse am Bor-Einzelpartikel. Dieses Modell ist derzeit für eine dreidimensionale Strömungssimulation zu rechenintensiv, dient aber als Basis der Validierung einfacherer Modelle und der Abschätzung chemischer im Vergleich zu turbulenten Zeitskalen. In dieser Arbeit wurde es um einen Reaktionsmechanismus für den Abbau von Methan erweitert, das in den Vorverbrennungsprodukten enthalten ist.

Das zweite umfangreiche Verbrennungsmodell für Bor-Einzelpartikel gründet sich auf nur wenigen globalen Reaktionsgleichungen. Eine Analyse der publizierten Gleichungen deckte einige Unstimmigkeiten auf, vor allem die physikalische Modellierung der Prozesse in der Partikelumgebung, aber auch chemische Reaktionsgeschwindigkeiten betreffend. Diese Unterschiede wurden zum Anlass für eine Erweiterung im Rahmen dieser Arbeit genommen. Wichtigste Neuerung ist eine detailliertere Modellierung der Diffusionsprozesse in der Partikelumgebung, die für mehrere Oxidationsmittel und Reaktionsprodukte als quasistationärer Prozess mit iterativem Lösungsverfahren konsistent formuliert wurde. Zudem wird die mögliche Verdunstung des Bors bei sehr hohen Temperaturen und der Konvektionseinfluss bei Relativbewegung zum Gas berücksichtigt.

Die Reaktionskinetik und Differentialgleichungen wurden aus dem Originalmodell übernommen, anhand der Literatur überprüft und zum Teil angepasst. Die umfassende Validierung des Modells anhand von Abbrandexperimenten aus der Literatur und eines zusätzlich implementierten aufwendigeren, instationären Modells haben erwiesen, dass das erweiterte, quasistationäre Modell für kleine und mittelgroße Partikel, wie sie in Raketenbrennkammern üblicherweise zum Einsatz kommen, gute Ergebnisse erzielt.

Das neue Verbrennungsmodell für Bor-Einzelpartikel wurde in einen CFD-Code implementiert. Hierzu ist eine Kopplung der Reaktionen an der Partikeloberfläche mit einer globalen Gasphasenchemie notwendig, wozu Vergleichsrechnungen mit dem komplexen Bor-Verbrennungsmodell herangezogen wurden. Es werden beispielhaft Ergebnisse einiger CFD-Rechnungen für realitätsnahe Brennkammern vorgestellt, die eine deutlich höhere Detaillierungstiefe als bisherige Untersuchungen aufweisen.

Als Ausblick wird der aktuelle Stand der Forschung zur Chemie-Turbulenz-Kopplung aufgezeigt und diskutiert, ein Gebiet, auf dem das derzeit für eine laminare Partikelumgebung entwickelte Modell noch erweitert werden sollte. Es wird demonstriert, wie Partikel verschiedener Größe und Stokes-Zahl auf eine turbulente Anregung in der Konzentration eines Oxidationsmittels bei unterschiedlichen turbulenten Zeitmaßen reagieren. Es hat sich gezeigt, dass vor allem für sehr kleine Partikel eine Berücksichtigung solcher Effekte von Bedeutung ist, dass diese Zustände jedoch mehrheitlich im hinteren Teil einer Brennkammer vorliegen, in dem wiederum die Turbulenzintensität abnimmt.

 

Preis:

Die Dissertation wurde mit dem IABG-Preis 2009 zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses durch die Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DGLR) ausgezeichnet.

 

Veröffentlichungen:

[1] Hußmann, B., S. Voges, R. Eggers, M. May and R. Janssen: Das instationäre Temperaturfeld bei der reaktiven Infiltration zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundkörpern. Chemie Ingenieur Technik 76 (10) (2004) 1534-1538.

[2] Hussmann, B., M. Pfitzner, T. Esch and T. Frank: A stochastic particle-particle collision model for dense gas-particle flows implemented in the Lagrangian solver of ANSYS CFX and its validation. In: International Conference on Multiphase Flow ICMF 2007, Paper No. S3_Thu_A_47, pp. 1-16, Leipzig, 9.-13. Juli 2007.

[3] Hußmann, B.: Modellierung und numerische Simulation der zweiphasigen Strömungs- und Verbrennungsvorgänge in einem Staustrahltriebwerk mit Bor als Festtreibstoff. Doktorarbeit. Fortschritt-Berichte VDI Reihe 7, No. 493. VDI-Verlag, Düsseldorf, 2009.
ISBN 978-3-18-349307-4.

[4] Hussmann, B., M. Pfitzner: Extended combustion model for single boron particles - Part I: Theory. Eingereicht bei Combustion and Flame, 2009.

[5] Hussmann, B., M. Pfitzner: Extended combustion model for single boron particles - Part II: Validation. Eingereicht bei Combustion and Flame, 2009.