Pulse Detonation Exhaust and Methods for
Damping its Transient Characteristic
vorgelegt von
M. Sc.
Mohammad REZAY HAGHDOOST
an der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme der
TECHNISCHEN UNIVERSITÄT BERLIN
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
– Dr.-Ing. –
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Dieter PEITSCH
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Kilian OBERLEITHNER
Prof. PhD DSc. Ephraim GUTMARK
Prof. Dr. sc. Panagiotis STATHOPOULOS
Dr. Daniel EDGINGTON-MITCHELL
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 16. Juli 2021
Berlin 2022
ii
Vorwort
Diese Dissertation entstand im Rahmen meiner wissenschaftlichen Tätigkeit an der Tech-
nischen Universität Berlin im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft
geförderten Sonderforschungsbereiches SFB1029. An dieser Stelle möchte ich mich bei
allen bedanken, die durch ihre Unterstützung zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen
haben.
Zu allererst gilt mein Dank meiner Frau Christina, die mich großartig unterstützte und
mir immer den Rücken freigehalten hat. Ohne Deine Unterstützung wäre diese Arbeit
sicherlich nicht zustande gekommen.
Weiterhin gilt mein Dank meinem Doktorvater, Prof. Dr.-Ing. Kilian Oberleithner, für
die exzellente Betreuung und Zusammenarbeit, nicht nur auf der wissenschaftlichen, son-
dern auch persönlichen Ebene. Ich bedanke mich für das Vertrauen und die Geduld, die
Du mir entgegengebracht hast und insbesondere für den gewährten wissenschaftlichen
Freiraum. Deine freundliche Art und uneingeschränkte Unterstützung während der
gesamten Bearbeitungsphase dieser Arbeit werden mir in sehr guter Erinnerung bleiben.
Außerdem möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Oliver Paschereit für die immer-
währende Unterstützung sowie das Etablieren eines harmonischen Arbeitsumfeldes am
HFI bedanken.
I wish to extend special thanks to Dr. Daniel Edgington-Mitchell for offering excellent
advice and support during the entire work. This thesis could only be completed because of
your valuable suggestions. Your enthusiasm has been a never-ending source of inspiration
during the long journey of this work. Furthermore, I express my gratitude to Prof. Dr.
sc. Panagiotis Stathopoulos, Prof. Dr.-Ing. Dieter Peitsch and Prof. Ph.D. D.Sc. Ephraim
Gutmark for serving on my dissertation committee.
Bei den vielen Kolleginnen und Kollegen am HFI sowie SFB1029 möchte ich mich für
die Unterstützung bedanken, insbesondere Dr.-Ing. Moritz Sieber, Bhavraj Thethy, Niclas
Garan, Maikel Nadolski, Prof. Dr.-Ing. Rupert Klein, Johann Vinkeloe, Finn Lückoff, Tim
Rähse, Joseph Saverin, Fabian Habicht, Fatma Yücel, Dr.-Ing. Thoralf Reichelt, Dr.-Ing.
Joshua Gray, Eric Bach, Phoebe Kuhn, Jens Müller, Jan Beuth, Dr.-Ing. Thomas Kaiser,
Sirko Bartholomay, Jakob von Saldern, Dr.-Ing. Sebastian Schimeck, Dr.-Ing. Navid Nayeri,
Andy Göhrs, Joachim Kraatz, Martin Franke, Maria Lück und Sandy Meinecke. Weiterhin
möchte ich mich bei meinen vielen studentischen Hilfskräften für ihren wertvollen Einsatz
bedanken. Hierbei gilt mein Dank insbesondere Jonas Förster, Bonggyun Seo, Farkhondeh
Rouholahnejad und Malte Mütter.
Ein besonderer Dank gilt meinem Mathe- und Physiklehrer auf dem Carl-Zeiss-
Gymnasium: Herr Reinhard, der Zuspruch und Mut, den Sie mir trotz meiner damaligen
großen Defizite in der deutschen Sprache geschenkt haben, war maßgeblich für meine
Entwicklung. Dafür bin ich Ihnen für immer dankbar.
Zu guter Letzt möchte ich mich bei meinen lieben Eltern sowie meinen Schwestern
bedanken. Danke für Eure bedingungslose Unterstützung und dass ich mich jederzeit auf
Euch verlassen kann.
iii
Zusammenfassung
Die druckerhöhende Verbrennung (PGC) kann nicht zuletzt aufgrund ihres vielver-
sprechenden 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 unter-
schiedlichen Maschinen zum Einsatz kommen. Hierzu zählen unter anderem Ramjets,
Raketen sowie Gasturbinen. Bei diesen Pulsdetonationstriebwerken (PDE) wird üblicher-
weise der hohe Druck aus der Brennkammer entweder über eine Düse zur Schuberzeu-
gung oder über eine Turbine zur Energie- und Schuberzeugung verwendet.
Obwohl das Potential der PDE bereits unter Beweis gestellt wurde, sind noch zahl-
reiche Herausforderungen zu überwinden, bevor ein flächendeckender Einsatz von PDE
aus der Forschung heraus in der realen Welt 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 Ent-
wicklung 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 Fundamen-
talproblems des startenden unterexpandierten Strahls erhoben. Ein Modell wird entwi-
ckelt, 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 Pa-
rameter 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 Auslegungsparame-
tern sowie konkrete Optimierungsansätze für die Auslegung der Stoß-Teiler diskutiert.
iv
Es stellt sich heraus, dass die zeitliche Umverteilung der Energie mit dem Breitenverhält-
nis 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 Grund-
konzeptes bewährt haben, bietet ihr generisches Design eine Menge Anreize für potentielle
Folgestudien.
v
Abstract
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.
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