Dipl.-Ing. Andreas Thellmann


 

Dr.-Ing. Andreas Thellmann
Wissenschaftlicher Mitarbeiter

 


E-Mail:


Veröffentlichungen:

  • A. Thellmann: "Impact of Gas Radiation on Viscous Flows, in particular on Wall Heat Loads, in Hydrogen-Oxygen vs. Methane-Oxygen Systems, based on the SSME Main Combustion Chamber", PhD thesis, Universität der Bundeswehr München, Institute of Thermodynamics, 2010.
  • A. Thellmann, Ch. Mundt: "Influence of Radiation on the Wall Heat Flux in a Rocket Combustion Chamber for H2-O2 and CH4-O2 Systems", Proceedings of the Australian Combustion Symposium, The University of Queensland, 2-4 December, 2009.
  • F. Göbel, D. Birgel, A. Thellmann: "CFD Simulation of Hydrogen-Oxygen and Methane-Oxygen System for Space Shuttle Main Combustion Chamber including Radiative Effects", 60th International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation, IAC-09-E2.2.9, Daejeon (Korea), 12-16 October, 2009.
  • A. Thellmann, Ch. Mundt: "Modelling of Radiation Heat Transfer in Reacting Hot Gas Flows", 6th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, Versailles (France), 3-5 November, 2008.
  • A. Thellmann: "Re-Entry of a Solar Kite into Earth's Atmosphere", 56th International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation, IAC-05-E2.1.07, Fukuoka (Japan), 17-21 October, 2005.
  • A. Thellmann, Ch. Mundt, C. Welch, C. Jack: "Entry of a Solar Kite into a Planetary Atmosphere", 56th International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation, IAC-05-D2.3.09, Fukuoka (Japan), 17-21 October, 2005.

Förderung:

  • Förderpreis für Diplomarbeit der Universität der Bundeswehr München, 2005
  • ESA, 7th IAF Student Participation Programme, 2005

Zusammenfassung der Dissertation

Die Modellierung der Gasstrahlung innerhalb der numerischen Analyse von Verbrennungsprozessen und reagierenden Strömungen mit hoher Enthalpie wird oft vernachlässigt aufgrund der komplexen Mathematik der Strahlungstransportgleichung sowie der komplizierten Beschreibung der spektralen Größen des strahlenden Gases und der starken Zuname der Rechenzeit. Die Herausforderung hierbei ist zum einen approximative Modelle der Strahlungstransportgleichung zu identifizieren und zum anderen geeignete spektrale Modellierungen zu verwenden, die einen optimalen Kompromiss darstellen zwischen Schnelligkeit und Genauigkeit für das aktuelle Problem.
Diese Arbeit untersucht den Einfluss der Gasstrahlung auf eine turbulente, reagierende Strömung in einer Raketenbrennkammer, basierend auf der Hauptbrennkammer des Space Shuttle Hauptantriebsystems (SSME). Aufgrund der hohen charakteristischen Temperatur (≈ 3800 K), des hohen Drucks (≈ 21 MPa) und der Einwirkung stark strahlender Spezies, spielt die Gasstrahlung eine entscheidende Rolle für die Analyse der Wärmeübertragung in Raketenbrennkammern. Um den Einfluss der strahlenden Spezies zu untersuchen, werden zwei verschiedene Verbrennungssysteme betrachtet: Wasserstoff-Sauerstoff (H2-O2) und Methan-Sauerstoff (CH4-O2). Innerhalb des ersten Systems trägt nur Wasserdampf (H2O) und in dem zweiten System tragen sowohl Wasserdampf als auch Kohlenstoffdioxid (CO2) hauptsächlich zu dem Strahlungstransfer, mittels Absorption und Emission, bei. Methan steht derzeit in der Diskussion im Hinblick auf zukünftige Raketenmotoren aufgrund seiner Vorteile gegenüber Wasserstoff. Es ist zu erwarten, dass der Beitrag der Gasstrahlung in Kohlenwasserstoffsystemen, wie beispielsweise Methan-Sauerstoff, zunimmt.
Die vorliegende Arbeit macht deutlich, dass beide Verbrennungssysteme als optisch dicht zu betrachten sind, wobei das Wasserstoff-Sauerstoff System eine optische Dicke von 17 und das Methan-Sauerstoff System einen Wert von 32 hat. Aufgrund des optisch dichten Zustandes demonstriert diese Arbeit, dass das Rosseland Modell für die Approximation der Strahlungstransportgleichung angewendet werden kann und physikalisch sinnvolle Ergebnisse liefert. Um den Betriebsbedingungen der SSME Hauptbrennkammer Rechnung zu tragen, wird eine semi-empirische Sprungkorrelation für die Wandrandbedingung der Rosseland Näherung eingeführt. Zudem wird eine modifizierte Rosseland Formulierung in Verknüpfung mit dem Ansatz, der Summe gewichteter grauer Gase (WSGG), für die spektrale Modellierung präsentiert. Diese neu hergeleitete Rosseland Approximation wird anschließend in den CFD Forschungscode NSMB implementiert. Die Ergebnisse des NSMB Rosseland Modells werden auf der einen Seite mit Rechnungen der kommerziellen Löser CFX und FLUENT verglichen, unter Verwendung der Strahlungstransportmodelle P1-Momenten Methode und Diskrete Transfer Methode (DTM) und auf der anderen Seite erfolgt ein Vergleich mit Benchmark Rechnungen aus der Literatur.
Die Ergebnisse zeigen, dass Gasstrahlung einen relativ kleinen Einfluss auf das Strömungsfeld innerhalb der SSME Hauptbrennkammer besitzt. Die thermische Grenzschicht wird geringfügig dicker aufgrund der Gasstrahlung. Der Einfluss der Gasstrahlung auf die axiale Temperatur in der Hauptströmung und auf die Wandschubspannung ist vernachlässigbar. Auf der anderen Seite beeinflusst jedoch die Gasstrahlung signifikant den Gesamtwandwärmestrom. Die Ergebnisse von CFX und FLUENT für die H2-O2 Studie zeigen, dass näherungsweise ein Anteil von 7,7 % und für die CH4-O2 Studie ca. 8,8 % des Gesamtwandwärmestromes von der Gasstrahlung verursacht wird. Der NSMB Rosseland Fall induziert einen Einfluss der Gasstrahlung von 32 % für die H2-O2 Studie. Die Berücksichtigung der Gasstrahlung erhöht bei allen drei CFD Lösern die Rechenzeit signifikant, verglichen mit einer Rechnung ohne Strahlung. Die Kombination NSMB-Rosseland erhöht die CPU Zeit um näherungsweise 22 %, CFX-P1 um 51 % und CFX-DTM um 466 %, verglichen mit einer Rechnung ohne Gasstrahlung.
Der NSMB Rosseland Fall überschätzt den Beitrag der Gasstrahlung auf die Wandwärmelasten, führt aber zu einer deutlichen Reduzierung der Rechenzeit. Eine Weiterentwicklung der Wandrandbedingung für das Rosseland Modell könnte die Überschätzung des Gasstrahlungseinflusses reduzieren. Die niedrigeren CPU Zeiten des Rosseland Modells könnten dazu führen dass die numerische Modellierung der Gasstrahlung in Ingenieursproblemstellungen eine breitere Akzeptanz erfährt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abstract of the PhD Thesis

Modelling gas radiation within the numerical analysis of combustion processes and reacting high enthalpy flows respectively is often neglected due to the complex mathematics of the radiative transport equation, the lack of detailed information on the spectral properties of the radiatively participating gas and the strong increase of computation time. The challenge is to identify approximative models of the radiative transport equation, as well as suitable spectral approximations, which provide the best compromise between fastness and accuracy for the present problem.
This thesis investigates the impact of gas radiation on a turbulent, reacting flow in a rocket combustion chamber based on the main combustion chamber of the Space Shuttle Main Engine (SSME). Due to the high characteristic temperature (≈ 3800 K) and pressure (≈ 21 MPa) and presence of strong radiating species, gas radiation plays a significant role in the heat transfer analysis of rocket combustion chambers. To investigate the influence of the radiatively participating species, two different combustion systems are considered: hydrogen-oxygen (H2-O2) and methane-oxygen (CH4-O2). Within the first system only water vapour (H2O) and in the second system both water vapour and carbon dioxide (CO2) mainly contribute to the radiative heat transfer, via absorption and emission of radiation. Methane is currently under discussion for future rocket engines due to its advantages compared to hydrogen. It is expected that the contribution of gas radiation in hydrocarbon systems such as methane-oxygen increases.
The present study reveals that both combustion systems are optically thick; the hydrogen-oxygen system has an optical thickness of 17 and the methane-oxygen system has a value of 32. Due to the optical thick situation this study demonstrates that the Rosseland model can be applied for the approximation of the radiative transfer equation and delivers physical meaningful results. To take the operating conditions of the SSME main combustion chamber into account an semi-empirical jump-correlation for the solid wall boundary condition of the Rosseland approximation is introduced and a modified Rosseland formulation in conjunction with the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) approach for the spectral modelling is presented. This newly derived Rosseland approximation is then implemented into the NSMB research CFD code. The results of the NSMB Rosseland model are on the one hand compared with computations of the CFX and FLUENT commercial CFD solvers, using the radiative transport models “P1-moment method” and “Discrete Transfer Method (DTM)” and on the other hand to benchmark calculations from literature.
The results reveal that gas radiation has a relatively small influence on the flow field within the SSME main combustion chamber. The thermal boundary layer is increased slightly due to gas radiation. The influence of the gas radiation on the axial temperature in the core flow and wall shear stress is neglectable. However gas radiation contributes significantly to the total wall heat flux. The results of CFX and FLUENT for the H2-O2 study reveal that nearly 7.7 % and for the CH4-O2 study nearly 8.8 % of the total wall heat flux is caused by gas radiation. The NSMB Rosseland case induces a gas radiation impact of 32 % for the H2-O2 study. Including gas radiation increases the computational costs significantly for all three CFD solvers compared to a calculation without radiation. The NSMB Rosseland combination increases the CPU time by approximately 22 %, CFX and P1 by 51 % and CFX and DTM by 466 % compared to a calculation without gas radiation.
The NSMB Rosseland case overestimates the influence of gas radiation on the wall heat loads but it results in significantly lower CPU time costs. A further development of the Rosseland solid wall boundary condition could decrease the overestimation of the fraction of gas radiation. The lower CPU time costs of the Rosseland model may lead to a better acceptance of including gas radiation in engineering problems in the scope of numerical combustion analysis.