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Comprehensive Modeling of the Cause-and-Effect Chain in Aero-Engine Combustor Simulations: from Primary Breakup to Soot Formation

Koob, Philipp und Nicolai, Hendrik und Lindenthal, Andreas und Hirth, Frederic Aaron Witkind und Bürkle, Niklas und Soworka, Thomas und Eggels, Ruud und Clemen, Carsten und Koch, Rainer und Behrendt, Thomas und Schroll, Michael und Hasse, Christian (2025) Comprehensive Modeling of the Cause-and-Effect Chain in Aero-Engine Combustor Simulations: from Primary Breakup to Soot Formation. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 147 (12). American Society of Mechanical Engineers (ASME). doi: 10.1115/1.4069470. ISSN 0742-4795.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://asmedigitalcollection.asme.org/gasturbinespower/article/147/12/121023/1221105/Comprehensive-Modeling-of-the-Cause-and-Effect

Kurzfassung

Due to the significant environmental and health impacts, minimizing pollutant emissions, especially soot, is a critical challenge in developing next-generation aero-engines. While predictive soot models in computational fluid dynamics (CFD) are essential for reducing development time and cost, the full simulation of the entire process—from fuel injection and atomization to soot formation and evolution—remains challenging and often involves strong modeling assumptions. To address this challenge, this study combines smoothed particle hydrodynamics (SPH), used to predict liquid fuel atomization, with finite volume method (FVM) large eddy simulations (LES) with advanced combustion and soot models. This approach allows for consistent simulations from fuel breakup to soot formation and enables a detailed investigation of the complex interactions between spray dynamics and soot under engine-like conditions. To accurately capture the primary breakup, the fuel spray particle size distribution (PSD) is sampled from SPH simulations and used to initialize Lagrangian spray particles in the LES, where secondary breakup and evaporation are predicted. The objective of this work is to apply these methods to a single-sector aero-engine combustion chamber operated at elevated pressure and high preheating temperatures, with an aero-engine fuel injector geometry, and to investigate the influence of spray dynamics on soot formation. Comparison with experimental data demonstrates that the applied methods accurately capture the overall flow and combustion characteristics. Spray characteristics sampled from SPH simulations significantly improve the accuracy of mixing and soot formation predictions compared to conventional spray representation approaches. Furthermore, an extended analysis across various operating ranges demonstrates that spray initializations tailored to the respective conditions are essential for achieving accurate pollutant predictions.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/218147/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Comprehensive Modeling of the Cause-and-Effect Chain in Aero-Engine Combustor Simulations: from Primary Breakup to Soot Formation
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Koob, PhilippTechnical University of Darmstadt, Department of Mechanical Engineering, Simulation of reactive Thermo-Fluid Systems, Darmstadt, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Nicolai, HendrikTechnical University of Darmstadt, Department of Mechanical Engineering, Simulation of reactive Thermo-Fluid Systems, Darmstadt, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lindenthal, AndreasTechnical University of Darmstadt, Department of Mechanical Engineering, Simulation of reactive Thermo-Fluid Systems, Darmstadt, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hirth, Frederic Aaron WitkindKarlsruhe Institute for Technology, Institute of Thermal Turbomachinery, Karlsruhe, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Bürkle, NiklasKarlsruhe Institute for Technology, Institute of Thermal Turbomachinery, Karlsruhe, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Soworka, ThomasThomas.Soworka (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0005-8443-8847NICHT SPEZIFIZIERT
Eggels, RuudRolls-Royce Deutschland Ltd & Co KGNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Clemen, CarstenRolls-Royce Deutschland Ltd & Co KGNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Koch, RainerKarlsruhe Institute for Technology, Institute of Thermal Turbomachinery, Karlsruhe, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Behrendt, ThomasThomas.Behrendt (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4154-3277NICHT SPEZIFIZIERT
Schroll, MichaelMichael.Schroll (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-0736-546XNICHT SPEZIFIZIERT
Hasse, ChristianTechnical University of Darmstadt, Department of Mechanical Engineering, Simulation of reactive Thermo-Fluid Systems, Darmstadt, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:24 September 2025
Erschienen in:Journal of Engineering for Gas Turbines and Power
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:147
DOI:10.1115/1.4069470
Verlag:American Society of Mechanical Engineers (ASME)
ISSN:0742-4795
Status:veröffentlicht
Stichwörter:emissions, computational fluid dynamics (CFD), combustion, LES, atomization and sprays, combustor validation
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Umweltschonender Antrieb
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L CP - Umweltschonender Antrieb
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Komponenten und Emissionen, L - Triebwerkskonzepte und -integration, E - Verbrennungs- und Kraftwerkssysteme, E - Gasturbine
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Antriebstechnik > Brennkammer
Institut für Antriebstechnik > Triebwerksmesstechnik
Hinterlegt von: Soworka, Thomas
Hinterlegt am:01 Dez 2025 11:39
Letzte Änderung:03 Dez 2025 13:00

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