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Pulse detonation exhaust and methods for damping its transient characteristic

Rezay Haghdoost, Mohammad

Pressure gain combustion (PGC) has been the subject of research for over a century due to the potential for significant efficiency increase in combustion systems. Contrary to conventional deflagration-based combustors, PGC induces a significant rise in the averaged total pressure across the combustor. One of the most promising PGC applications is based on pulse detonation combustors (PDCs), which are components in many recent concepts such as ramjets, rocket and gas turbines. In these pulse detonation engines (PDEs), the high-pressure combustion products expand either through a nozzle for thrust generation or through a turbine for thrust and power generation. Although the promising potential of PDEs has already been demonstrated, many challenges remain for its broad deployment in a real world environment. A key challenge of the PDEs arises from the intermittent nature of the PDC operation. The pulsating character and highly transient exhaust of the PDC makes the design of devices for efficient expansion very challenging. The main purpose of this work is to address these challenges and begins with a detailed examination of the exhaust of the PDC before proceeding with the development of methods toward an efficient expansion of the PDC exhaust. The present thesis contributes to the characterization of the exhaust flow field of a PDC. Various flow features observed during the jets initial evolution as well as global features of the exhaust full cycle are identified. Using different optical measurement techniques, time-resolved data are obtained to characterize the fundamental flow dynamic problem of the highly underexpanded starting jet. A model is developed to identify the underlying mechanism leading to the formation of the second triple point of the jet. While many of the flow features are analogous to those observed in the exhaust of an open-end shock tube, the main differences between the initial evolution of a PDC and shock tube exhaust are highlighted. Furthermore, a quantitative characterization of the full cycle of the PDC exhaust is conducted, including the impact of fill fraction. Multiple exhaust and suction phases are determined for a single detonation event. While the fill fraction is found to only affect the first exhaust phase, the nozzle geometry is identified as a parameter for altering the strength and the amount of the exhaust and suction phases. Two concepts, with the objective of enhancing the PDC exhaust for efficient expansion, are studied. The capability of both concepts, shock divider and plenum, for damping the PDC exhaust transient characteristics is demonstrated. The excessive energy of an incident shock wave is redistributed by using a shock divider. The impact of design parameters on the divider flow evolution is discussed, including design improvement suggestions based on numerical studies. The temporal redistribution of the initial shock wave energy is found to increase with the divider width ratio, but at the expense of total pressure. Following this, an assessment of the accuracy and dynamic response of pressure transducers is conducted. The transducers are then used to measure the pressure evolution in a plenum, downstream of an array of PDCs. The impact of the plenum on the temporal and spatial redistribution of the PDC exhaust energy, as well as significant attenuation of the PDC transmitted leading shock waves, is demonstrated. While both the divider and the plenum show the capability to enhance the PDC exhaust for a downstream turbine, their generic design provides a wide range of incentives for follow-up studies.
Die druckerhöhende Verbrennung (PGC) kann nicht zuletzt aufgrund ihres vielversprechenden Potentials für eine deutliche Effizienzerhöhung auf einen Zeitraum von mehr als einem Jahrhundert Forschung zurückblicken. Im Gegensatz zur konventionellen deflagrationsbasierten Verbrennung führt die PGC zu einer deutlichen Steigerung des gemittelten Druckes über die Brennkammer. Einer der in diesem Zusammenhang zumeist untersuchten Ansätze basiert auf dem Einsatz von Pulsdetonationsbrennkammern (PDC), welche im Rahmen der aktuellen Forschungskonzepte als eine Komponente in unterschiedlichen Maschinen zum Einsatz kommen. Hierzu zählen unter anderem Ramjets, Raketen sowie Gasturbinen. Bei diesen Pulsdetonationstriebwerken (PDE) wird üblicherweise der hohe Druck aus der Brennkammer entweder über eine Düse zur Schuberzeugung oder über eine Turbine zur Energie- und Schuberzeugung verwendet. Obwohl das Potential der PDE bereits unter Beweis gestellt wurde, sind noch zahlreiche Herausforderungen zu überwinden, bevor ein flächendeckender Einsatz von PDE aus der Forschung heraus in der realenWelt realisiert werden kann. Eine zentrale Rolle hierbei ist der pulsierenden Charakteristik der PDC zuzurechnen. Die daraus resultierende höchst instationäre Ausströmung aus der PDC stellt eine große Herausforderung für die Auslegung von Komponenten dar, die eine effiziente Entspannung der PDC-Ausströmung ermöglichen sollen. Die Adressierung dieser Problematik entspricht dem Hauptziel dieser Arbeit. Hierzu wird zunächst die PDC-Ausströmung untersucht, bevor mit der Entwicklung von Lösungsansätzen fortgefahren wird, die eine effiziente Entspannung der Ausströmung herbeiführen sollen. Diese Dissertation dient zum Teil einer Charakterisierung der PDC-Ausströmung. Hierzu werden zum einen Strömungsmerkmale identifiziert, die während der initialen Ausströmung auftreten. Zum anderen werden globale Merkmale untersucht, die die gesamte Ausströmungsphase charakterisieren lassen. Unter Einsatz unterschiedlicher optischer Messsysteme werden zeitaufgelöste Daten zur Charakterisierung des Fundamentalproblems des startenden unterexpandierten Strahls erhoben. Ein Modell wird entwickelt, das Rückschlüsse auf den zugrundeliegenden Mechanismus für die Entstehung des zweiten Dreifachpunktes des unterexpandierten Strahls erlaubt. Während viele Analogien zu einem Stoßrohr-Strahl aufgezeigt werden, werden die Hauptunterschiede zwischen dem PDC-Strahl und Stoßrohr-Strahl hervorgehoben. Weiterhin wird der komplette Zyklus der PDC-Ausströmung einschließlich des Einflusses der Brennstoff-Füllmenge quantitativ erfasst. Es zeigt sich, dass eine Vielzahl von Aus- und Einströmungsphasen für ein einziges Detonationsereignis auftreten. Während die Brennstoff-Füllmenge nur die erste Ausströmungsphase beeinflusst, wird die Düsengeometrie als ein entscheidender Parameter für die Modifikation der Anzahl sowie Stärke der Aus- und Einströmungsphasen identifiziert. Zwei Konzepte werden untersucht, die auf eine Verbesserung der PDC-Ausströmung hinsichtlich einer effizienten Expansion abzielen. Die Eignung der beiden Konzepte, Stoß-Teiler sowie Plenum, werden unter Beweis gestellt. Es zeigt sich, dass die exzessive Energie einer führenden Stoßwelle durch den Einsatz von Stoß-Teilern umverteilt werden kann. Basierend auf numerischen Studien werden der Einfluss von Auslegungsparametern sowie konkrete Optimierungsansätze für die Auslegung der Stoß-Teiler diskutiert. Es stellt sich heraus, dass die zeitliche Umverteilung der Energie mit dem Breitenverhältnis der Stoß-Teiler-Kanäle zunimmt, dies jedoch auf Kosten des Totaldruckes geschieht. Darüber hinaus werden die Messgenauigkeit sowie die dynamischen Beschaffenheiten unterschiedlicher konventioneller Drucksensoren untersucht. Diese Sensoren werden anschließend in einem Plenum verbaut, um die Entwicklung des höchst instationären Druckes innerhalb des stromab der PDC angebrachten Plenums zu erfassen. Durch den Einsatz des Plenums kann eine signifikante Schwächung der führenden Stoßwelle sowie räumliche und zeitliche Umverteilung der PDC-Ausströmungsenergie aufgezeigt werden. Die vorgestellten Ergebnisse unterstreichen das Potential des Plenums hinsichtlich der Verbesserung der PDC-Ausströmung für eine stromab anzubringende Turbine. Während sich sowohl das Plenum als auch der Stoß-Teiler hinsichtlich ihres vorgesehenen Grundkonzeptes bewährt haben, bietet ihr generisches Design eine Menge Anreize für potentielle Folgestudien.