TY - THES A1 - Ali, Mohammed Liaket T1 - Detailed numerical modeling of the iron ore direct reduction process T1 - Detaillierte numerische Modellierung des Direktreduktionsprozesses von Eisenerz N2 - The iron and steelmaking industry is among the largest contributors to global CO₂, driven by its energy-intensive processes and reliance on carbon-rich fuels. As steel demand rises in an increasingly competitive global market, innovative and sustainable production methods are urgently needed. The Direct Reduction (DR) process using syngas or hydrogen presents a promising approach to reducing CO₂ emissions and energy consumption in steel production. Computational modeling plays a crucial role in accelerating technology development, yet traditional models, such as the shrinking core model, fail to fully capture the complexities of the reduction process. More advanced models are necessary to simulate interactions between iron ore pellets and reducing gases and to scale effectively to industrial applications. To address these challenges, this dissertation introduces an improved porous solid model that overcomes biases in the shrinking core model, accurately representing the reduction of single iron ore pellets in H₂ and CO environments while accounting for carbon deposition and porosity changes. A comprehensive reduction mechanism is developed and validated against extensive experimental data without parameter adjustments, providing a solid foundation for advanced simulations. Besides the stand-alone kinetic model, a Computational Fluid Dynamics (CFD) solver has been developed, bringing the considerations to a spatially resolved environment, including pellet and gas phase regions. Building on the insights gained from single-pellet models, the research advances to the more complex modeling of fixed beds; a crucial step in bridging the gap between detailed small-scale studies and the case of industrial-sized reactors. A comprehensive methodology is developed, incorporating realistic packed-bed structures and high-quality computational meshes, for particle-resolved CFD simulations of the hydrogen-based direct reduction process in a fixed-bed setup. These simulations reveal crucial insights into the reduction process, such as the non-uniform reduction within the bed, the presence of gas pockets, and the impact of temperature variations due to the endothermic nature of hydrogen-based reduction. Finally, the study explores the influence of pellet sizes and shapes in the DR process via different reconstruction techniques, including computed tomography. By examining beds with various particle characteristics and structures, the research highlights the significant impact of these factors on reduction efficiency and overall conversion rates. This comprehensive modeling approach offers critical insights for optimizing the hydrogen-based direct reduction process, paving the way for its application in industrial-scale reactors. By addressing these research questions and providing innovative solutions, this dissertation contributes to the advancement of DR-technology, offering a path toward more sustainable steel production. N2 - Die Eisen- und Stahlindustrie gehört zu den größten Verursachern globaler CO₂-Emissionen, was auf ihre energieintensiven Prozesse und die Abhängigkeit von kohlenstoffreichen Brennstoffen zurückzuführen ist. Da die Nachfrage nach Stahl in einem ansonsten stark umkämpften globalen Markt weiter steigt, besteht ein dringender Bedarf an innovativen und nachhaltigen Produktionsmethoden. Das Direktreduktionsverfahren (DR) unter Verwendung von Synthesegas oder Wasserstoff bietet einen vielversprechenden Weg, um diese Herausforderungen zu bewältigen, indem es die CO₂-Emissionen senkt und den Energiebedarf in der Stahlproduktion reduziert. Die numerische Modellierung ist ein effizientes Werkzeug, um die Technologieentwicklung zu unterstützen und zu beschleunigen. Bestehende Modellierungsansätze, wie das Shrinking-Core-Modell, erfassen jedoch oft nicht die Komplexität des Reduktionsprozesses genau. Diese Einschränkungen verdeutlichen die Notwendigkeit fortschrittlicherer Modelle, die die komplexen Wechselwirkungen zwischen Eisenerzpellets und Reduktionsgasen besser simulieren und effektiv auf industrielle Anwendungen skalierbar sind. Um diese Probleme zu lösen, schlägt diese Dissertation zunächst ein verbessertes poröses Feststoffmodell vor, das die Schwächen des Shrinking-Core-Modells überwindet. Dieses Modell erfasst das Reduktionsverhalten einzelner Eisenerzpellets unter H₂- und CO-haltigen Gasen und berücksichtigt dabei die Auswirkungen von Kohlenstoffablagerungen und Porositätsveränderungen. Anschließend wird ein umfassender Reduktionsmechanismus entwickelt, der auf Grundlage eines großen experimentellen Datensatzes validiert wird, ohne dass eine Parameteranpassung erforderlich ist. Dies bietet eine robuste Grundlage für komplexere Simulationen. Neben dem eigenständigen kinetischen Modell wurde ein CFD-Solver (Computational Fluid Dynamics) entwickelt, der die Überlegungen auf eine räumlich aufgelöste Umgebung überträgt, einschließlich Pellet- und Gasphasen. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Einzelpelletmodellen geht die Forschung zur komplexeren Modellierung von Festbetten über, ein entscheidender Schritt, um die Kluft zwischen detaillierten Kleinstudien und industriellen Reaktoren zu überbrücken. Eine umfassende Methodik wird entwickelt, die realistische Festbettstrukturen und qualitativ hochwertige Berechnungsnetze für partikellösende CFD-Simulationen des wasserstoffbasierten Direktreduktionsprozesses in einem Festbettaufbau integriert. Diese Simulationen liefern wichtige Einblicke in den Reduktionsprozess, wie die ungleichmäßige Reduktion innerhalb des Bettes, das Vorhandensein von Gasblasen und den Einfluss von Temperaturvariationen aufgrund der endothermen Natur der wasserstoffbasierten Reduktion. Schließlich untersucht die Studie den Einfluss von Pelletgrößen und -formen im DR-Prozess durch verschiedene Rekonstruktionstechniken, einschließlich der Computertomographie. Durch die Untersuchung von Betten mit verschiedenen Partikeleigenschaften und Strukturen hebt die Forschung die erhebliche Auswirkung dieser Faktoren auf die Reduktionseffizienz und die Gesamtkonversionsraten hervor. Dieser umfassende Modellierungsansatz liefert wichtige Erkenntnisse zur Optimierung des wasserstoffbasierten Direktreduktionsverfahrens und ebnet den Weg für seine Anwendung in industriellen Großreaktoren. Indem diese Forschungsfragen bearbeitet und innovative Lösungen bereitgestellt werden, trägt diese Dissertation zur Weiterentwicklung der DR-Technologie bei und bietet einen Weg zu einer nachhaltigeren Stahlproduktion. KW - Kinetics KW - Kinetik KW - Stahlherstellung KW - Direktreduktion KW - Modellierung KW - CFD KW - Steelmaking KW - Direct Reduction KW - Modeling KW - Stahlherstellung KW - Numerische Strömungssimulation KW - Direkte Eisengewinnung KW - Modellierung Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-69695 ER - TY - THES A1 - Pütz, Michele T1 - Numerical investigation and extension of quadrature-based moment methods for population balances T1 - Numerische Untersuchung und Erweiterung quadraturbasierter Momentenmethoden für Populationsbilanzen N2 - Particulate systems can be described by a number density function (NDF) with respect to a vector of internal coordinates. The evolution of the NDF is governed by the typically high-dimensional population balance equation (PBE). A common approach to reduce the dimensionality of the problem is to solve only for a set of moments instead of the NDF. The derived system of moment equations, however, includes unclosed integral terms that still contain the unknown NDF. One way to close the system of moment equations is to approximate the unclosed integral terms using a Gaussian quadrature computed from the moments. The procedure of taking a set of moments to compute a Gaussian quadrature, which is, in turn, used to close the moment equations, is known as the quadrature method of moments (QMOM). It gave rise to an entire family of methods, the quadrature-based moment methods (QBMMs), which are the primary focus of this work. The presented research can be divided into three major parts. The first part involves the formulation of a common Lagrangian droplet breakup model for QBMMs and the numerical investigation with the QMOM as well as the more sophisticated extended QMOM (EQMOM). The results indicate that the approximations are reasonably accurate when at least six moment equations are solved, with the EQMOM providing no advantages for the investigated configurations. In the second part, a quadrature-based moment model for the effects of fluid turbulence on particle velocities is formulated. The resulting moment equations contain non-smooth integrands that are the source of large errors when using common QBMMs. As an alternative, the Gauss/anti-Gauss QMOM (GaG-QMOM) is proposed that uses the average of a Gaussian and an anti-Gaussian quadrature. Numerical studies show that the GaG-QMOM is able to significantly reduce the previously observed large errors. Another novelty proposed in this context is the modification of the second-order strong-stability preserving Runge-Kutta method to guarantee the preservation of moment realizability in the presence of phase-space diffusion. The third part is concerned with the numerical exploration of the core algorithm of most QBMMs in terms of performance and accuracy. The algorithm consists of, first, computing the recurrence coefficients of the orthogonal polynomials associated with a set of moments, second, solving a symmetric tridiagonal eigenvalue problem to obtain the quadrature nodes and weights, and third, evaluating the integral terms in the moment equations. The results indicate that the contribution of the first step to compute the recurrence coefficients from moments to the overall computational costs is negligible. Instead, the primary focus should be on the fast solution of the eigenvalue problem and, possibly, on the efficient implementation of the moment source term evaluation, which becomes important when second-order processes are considered. N2 - Teilchensysteme können durch eine Anzahldichtefunktion (NDF) bezogen auf einen Vektor interner Koordinaten beschrieben werden, deren Änderung durch die meist hochdimensionale Populationsbilanzgleichung (PBE) gegeben ist. Ein Ansatz zur Reduktion der Dimensionalität ist die Lösung nach nur einigen Momenten anstelle der NDF. Das System von Momentengleichungen enthält jedoch ungeschlossene Integralterme mit der unbekannten NDF. Eine Lösung dieses Schließungsproblems ist die Annäherung der Integrale durch eine aus den Momenten berechenbare Gauß-Quadratur. Dieses Vorgehen, aus Momenten eine Gauß-Quadratur zu berechnen und unter Anwendung dieser wiederum die Gleichungen für selbige Momente zu schließen, ist als QMOM (quadrature method of moments) bekannt. Aus dieser Methode erwuchs die Familie der quadraturbasierten Momentenmethoden (QBMM), auf die sich diese Arbeit primär konzentriert. Die Forschungsarbeit lässt sich in drei Teile gliedern. Der erste Teil befasst sich mit der Formulierung eines gebräuchlichen Lagrange’schen Modells für Tropfenzerfall sowie der numerischen Untersuchung mit QMOM und der anspruchsvolleren EQMOM (extended QMOM). Die Ergebnisse zeigen, dass eine relativ genaue Näherungslösung erreichbar ist, sofern mindestens sechs Momentengleichungen gelöst werden, wobei EQMOM für die untersuchten Fälle keine Vorteile bringt. Im zweiten Teil wird ein quadraturbasiertes Momentenmodell für die Effekte von Turbulenz auf Teilchengeschwindigkeiten hergeleitet. Nicht-glatte Integranden in den resultierenden Momentengleichungen führen zu großen Fehlern bei der Anwendung üblicher QBMM. Als Alternative wird die Gauss/anti-Gauss-QMOM (GaG-QMOM) vorgestellt, die das Mittel aus einer Gauß-Quadratur und einer Anti-Gauß-Quadratur verwendet. Die numerischen Untersuchungen zeigen, dass GaG-QMOM die zuvor beobachteten Fehler erheblich verringern kann. Eine weitere Neuheit neben GaG-QMOM ist eine Modifikation des stark stabilitätserhaltenden Runge-Kutta-Verfahrens zweiter Ordnung zur bedingungslosen Erhaltung der Momentenrealisierbarkeit in Anwesenheit von Phasenraumdiffusion. Der dritte Teil beschäftigt sich mit der numerischen Untersuchung des Kernalgorithmus der meisten QBMM auf Rechenkosten und Genauigkeit. Im Wesentlichen besteht der Algorithmus erstens aus der Berechnung der Rekursionskoeffizienten orthogonaler Polynome aus den zugehörigen Momenten, zweitens der Lösung eines tridiagonalen symmetrischen Eigenwertproblems zur Bestimmung der Quadraturknoten und -gewichte, und drittens der Auswertung der Integralterme in den Momentengleichungen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass der Beitrag des Schrittes zur Berechnung der Rekursionskoeffizienten bezogen auf die gesamten Rechenkosten vernachlässigbar ist. Stattdessen sollte die schnelle Lösung des Eigenwertproblems im Vordergrund stehen und gegebenenfalls die effiziente Auswertung der Momentenquellterme, die bei physikalischen Vorgängen zweiter Ordnung bedeutend ist. KW - Numerical algorithms KW - Computational fluid mechanics KW - Orthogonal polynomials KW - Turbulence KW - Population balance equations KW - Numerische Algorithmen KW - Numerische Strömungsmechanik KW - Orthogonale Polynome KW - Populationsbilanzgleichungen KW - Turbulenz KW - Numerische Strömungssimulation KW - Strömungsmechanik KW - Numerisches Verfahren KW - Orthogonale Polynome KW - Turbulente Strömung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-65751 ER - TY - THES A1 - Okofo, Louis Boansi T1 - Hydrogeological assessment for evaluating the feasibility of managed aquifer recharge in Northeastern Ghana T1 - Hydrogeologische Bewertung zur Bewertung der Machbarkeit einer gesteuerten Grundwasserneubildung in Nordost-Ghana N2 - In the Garu-Tempane area and Tamne River basin of north-eastern Ghana, granitic aquifers supply nearly 80% of annually abstracted groundwater. Rapid and diffuse recharge enters the fractured and weathered Tamnean Plutonic Suite aquifers mainly granitoid, which are the dominant rock types in the study area. However, a greater challenge to the water supply in the area is posed by global climatic changes and overexploitation due to population growth. The semi-arid nature of the area together with the factors mentioned earlier has caused water scarcity, particularly in the dry season and these have affected the livelihoods of the farmers who depend mostly on the groundwater for irrigation and domestic purposes. A promising way to balance water resources in the region is using engineering technology such as managed aquifer recharge (MAR). MAR augments water levels in water-scarce areas and represents a key tool in water supply management. For this reason, a comprehensive hydrogeological characterization involving the hydrochemistry of the groundwater, groundwater recharge process and residence time using multi-environmental tracers, and a numerical groundwater flow model was developed. Based on the hydrochemistry results, the water quality index showed that the groundwater is very suitable for drinking. However, about 10.5 % out of the 38 groundwater samples had elevated nitrate concentrations exceeding the permissible WHO drinking water limit. These are mainly agricultural areas, which might have influenced the elevated nitrate concentrations. Groundwater age dating using sulphur hexafluoride (SF6) and chlorofluorocarbons (CFCs) was used to date shallow groundwater in Ghana for the first time. The results proved that the mean residence time of groundwater was around 30 years, an indication of young groundwater and rapid groundwater renewability. The findings also showed different groundwater ages implying diffused flow systems occurring in the fractured granitic aquifer. Investigation of the groundwater recharge using stable isotopes of deuterium and oxygen-18 revealed that the main source of groundwater recharge is of meteoric origin. There were little or no contributions from the stream and ponds as they were subjected to evaporative fractionation during the dry season. The White Volta River samples and samples from two big rivers were depleted in heavy isotopes, which suggested a hydraulic connection between them and the groundwater. The numerical groundwater flow model was used to assess the feasibility of MAR and determine the maximum recharge and abstraction rates. The results showed that the aquifer had enough storage to accommodate enough volumes of floodwater without causing groundwater mounding. This shows that MAR is feasible in augmenting the water levels in the area when irrigation and domestic withdrawals are regulated. N2 - Im Nordosten Ghanas liefern Granitgrundwasserleiter fast 80 % des jährlich aufkommenden Grundwassers. In beiden Gebieten tritt eine schnelle und diffuse Wiederanreicherung des Grundwasserleiters vor allem durch Granitoide als dominierende Gesteinstypen auf. Eine große Herausforderung für die Wasserversorgung in der Region stellen globale klimatische Veränderungen und die Übernutzung des Grundwasserleiters durch das aktuelle Bevölkerungswachstum dar. Hinzu kommt die charakteristische Trockenheit des Gebiets, die die Wasserknappheit insbesondere in der Trockenzeit immens verstärkt. Dies beeinträchtigt wiederum erheblich die Lebensgrundlage der Bauern, die für Bewässerungs- und Haushaltszwecke hauptsächlich vom Grundwasser abhängig sind. Aus diesem Grund wurde für die ausgewählte Region eine umfassende hydrogeologische Charakterisierung unter Einbeziehung der Hydrochemie des Grundwassers, des Grundwasserneubildungsprozesses und der Verweilzeit unter Verwendung von „Multi-Umwelttracern“ sowie ein numerisches Grundwasserströmungsmodell entwickelt. Basierend auf den Daten der Hydrochemie zeigt der sogenannte Wasserqualitätsindex, dass das Grundwasser sehr gut zum Trinken geeignet ist. Allerdings weisen etwa 10,5 % der Grundwassersproben aus insgesamt 38 Messstellen erhöhte Nitratkonzentrationen auf, die den zulässigen WHO-Trinkwassergrenzwert überschreiten. Die erhöhten Nitratwerte werden hauptsächlich durch Landwirtschaft verursacht. Die Datierung des Grundwasseralters mit Multi Umwelt Tracer (SF6, FCKW) wurde erstmals von flachem Grundwasser in Ghana verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass die Durchschnittsverweildauer des Grundwassers bei etwa 30 Jahren liegt. Dies ist ein Hinweis auf junges Grundwasser, d.h. der Grundwasserleiter kann „zügig“ mit Grundwasser angereichert werden. Die Ergebnisse zeigen auch unterschiedliche Grundwasseralter, was auf diffuse Strömungssysteme hindeutet, die im zerklüfteten Granitaquifer vorkommen. Die Untersuchung der Grundwasserneubildung mit stabilen Isotopen von Deuterium und Sauerstoff-18 zeigt, dass die Hauptquelle der Grundwasserneubildung meteorischen Ursprungs ist. Es gab nur geringe oder keine Wassereinträge aus den kleineren Oberflächengewässer da keine Isotopen aus diesen Quellen im Grundwasser nachweisbar waren. Aus den größeren Oberflächengewässern wie dem White Volta River konnten hingegen schweren Isotopen im Grundwasser nachgewiesen werden, was wiederum ein Hinweis auf eine hydraulische Verbindung zwischen ihnen ist. Das numerische Grundwasserströmungsmodell wurde verwendet, um die Machbarkeit von MAR zu bewerten und die maximalen Neubildungs- und Entnahmeraten zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Aquifer über genügend Stauraum verfügt, um genügend Hochwassermengen aufzunehmen ohne Grundwasseranhäufungen zu verursachen. MAR ist somit realisierbar, um die Wasserstände in dem Gebiet zu erhöhen, wenn Bewässerung und häusliche Entnahmen reguliert werden. KW - Managed aquifer recharge KW - CFCs KW - SF6 KW - Numerical groundwater flow modelling KW - Northeastern Ghana KW - Schwefelhexafluorid KW - Fluorchlorkohlenwasserstoffe KW - Grundwasserströmungsmodell KW - Nordost-Ghana KW - Ghana (Nordost) KW - Wasserversorgung KW - Grundwasserüberwachung KW - Grundwasserbildung KW - Grundwasseranreicherung KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-62444 ER - TY - THES A1 - Hasanuzzaman, Gazi T1 - Experimental investigation and CFD analysis of wind energy estimation considering building integrated ducts T1 - Experimentelle Untersuchung und numerische Analyse von gebäudeintegrierten Windkraftanlagen N2 - Wind energy is a growing concern over the present awareness of lethal impact of green house gas emission. This energy source has been proven a promising alternative to fossil fuel based energy. Increased onshore wind capacity and decreased amount of low roughness wind sites has inspired the wind energy researchers to explore the possibilities of wind energy from high roughness sites such as urban area. Moreover, exhausted grid capacity between the wind energy producer from remote area and the consumer at city is also a major constrain for wind energy expansion. Driven by such motivation, this thesis has explored possibilities of wind energy conversion from buildings where energy is needed the most. Urban topography is known to be highly turbulent region considering its roughness characteristics. Wind energy yield from urban aerodynamics is a vast arena of experimental research. Within the time frame of the thesis period and available opportunities, a brief description about the wind energy assessment modelling approach from urban flow was outlined. There are several possibilities of wind energy yield from the built structure, but only building integrated duct was focused in this thesis. Time-averaged and global wind speed on the building integrated ducts, flow around the buildings was measured from wind tunnel and numerical analysis. Available wind energy yield and turbulence present in the locations measured from the flow was calculated based on the wind tunnel data and summarized with the pros and cons of the particular geometry. Elliptical duct configuration was found to achieve maximum energy yield from the omnidirectional free stream flow. However, simple rectangular duct configuration was determined as most efficient and optimized considering its simplicity, financial feasibility and relative energy yield with other duct configuration. The thesis also showed that on roof configuration is also very promising for wind energy exploration from the omnidirectional free stream flow. Necessary recommendations were made based on available result for future development of the research approach. Scope and opportunities was mentioned. This investigation has proved that it is possible to extract limited amount of wind energy from building augmented ducts using concentrator effect of the building exterior. Thus, the thesis concluded that the wind energy yield from building augmented ducts using the concentrator effect of the building exterior is a promising renewable energy source. N2 - Windenergie gibt angesichts des gegenwärtigen Bewusstseins für die tödlichen Auswirkungen von Treibhausgasemissionen zunehmend Anlass zur Sorge. Die erhöhte Onshore-Windkapazität und die verringerte Anzahl von Windstandorten mit geringer Rauheit haben die Windenergieforscher dazu inspiriert, die Möglichkeiten der Windenergie von Standorten mit hoher Rauheit, wie z. B. städtischen Gebieten, zu untersuchen. Darüber hinaus ist auch die erschöpfte Netzkapazität zwischen dem Windenergieerzeuger in abgelegenen Gebieten und dem Verbraucher in der Stadt ein großes Hindernis für den Ausbau der Windenergie. Angetrieben von einer solchen Motivation hat diese Arbeit Möglichkeiten der Windenergieumwandlung von Gebäuden untersucht, in denen die Energie am meisten benötigt wird. Die städtische Topographie ist aufgrund ihrer Rauheitseigenschaften als hochturbulente Region bekannt. Darüber hinaus erfordert die Komplexität des städtischen Gebiets aufgrund seiner unterschiedlichen Topographie und Form ein besseres Verständnis in Bezug auf die Aerodynamik. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Möglichkeit der Windenergieausbeute von Gebäuden und die geeignete Designlösung zu untersuchen. Im zeitlichen Rahmen der Arbeit und der verfügbaren Möglichkeiten wurde eine kurze Beschreibung des Modellierungsansatzes für die Windenergiebewertung aus dem urbanen Fluss skizziert. Es existieren mehrere Möglichkeiten der Windenergieausbeute aus der gebauten Struktur, aber in dieser Arbeit wurde nur der gebäudeintegrierte Kanal fokussiert. Die zeitlich gemittelte und globale Windgeschwindigkeit auf den gebäudeintegrierten Kanälen, die Strömung um die Gebäude herum wurde aus dem Windkanal und der numerischen Analyse gemessen. Verfügbare Windenergieerträge und vorhandene Turbulenzen an den aus der Strömung gemessenen Stellen wurden auf Basis der Windkanaldaten berechnet und mit den Vor- und Nachteilen der jeweiligen Geometrie zusammengefasst. Es wurde festgestellt, dass eine elliptische Kanalkonfiguration eine maximale Energieausbeute aus dem omnidirektionalen freien Stromfluss erzielt. Jedoch wurde eine einfache rechteckige Kanalkonfiguration als die effizienteste und optimierte unter Berücksichtigung ihrer Einfachheit, finanziellen Machbarkeit und relativen Energieausbeute mit anderen Kanalkonfigurationen bestimmt. Die Diplomarbeit zeigte auch, dass die Auf-Dach-Konfiguration auch für die Windenergieerkundung aus der omnidirektionalen freien Strömung sehr vielversprechend ist. Notwendige Empfehlungen wurden basierend auf verfügbaren Ergebnissen für die zukünftige Entwicklung des Forschungsansatzes gegeben. Umfang und Möglichkeiten wurden genannt. Diese Untersuchung hat bewiesen, dass es möglich ist, eine begrenzte Menge an Windenergie aus gebäudegestützten Kanälen zu extrahieren, indem der Konzentrator-Effekt der Gebäudehülle genutzt wird. KW - Atmospheric boundary layer KW - Wind energy KW - Laser Doppler Anemometry KW - Numerical simulation KW - Computational Fluid Mechanics KW - Atmosphärische Grenzschicht KW - Windenergie KW - LDA KW - Numerische Simulation KW - Windkanal KW - Windenergie KW - Windkanal KW - Atmosphärische Grenzschicht KW - Laser-Doppler-Anemometrie KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-61928 ER - TY - THES A1 - Bacher, Christian T1 - On the influence of electrohydrodynamically induced turbulence on momentum, heat and mass transport in electrostatic precipitators T1 - Zum Einfluss elektrohydrodynamisch induzierter Turbulenz auf den Impuls-, Wärme- und Stofftransport im Elektroabscheider N2 - Electrostatic precipitators (ESPs) belong to the most efficient devices for control of particle emissions in the process industry and environmental technologies in general. The operating principle of ESPs, relying on particle precipitation by electrical charging, leads to an enhanced turbulent motion by electrohydrodynamic (EHD) effects within the gaseous working fluid passing through the ESP. This enhanced turbulence is generally considered detrimental to the separation efficiency, because the additional shear forces acting on the collection electrodes promote re-entrainment of already precipitated particles. Further, the enhanced turbulent cross mixing diminishes the transport of charged particles by electric forces directed towards the collection electrodes. In other industrial applications however, many process units that are based on heat or mass transport would benefit from enhanced turbulent mixing. These include heat exchangers for energy recuperation or evaporation and absorption units such as flue gas scrubbers. A combination of these with an ESP possibly allows for versatile new applications in the process industry. The motivation of this thesis is to study the effects of electrohydrodynamically generated motions onto the turbulent cross mixing within gaseous flows over a wide parameter space including variations in geometry and operating conditions. In order to do so, the influence of EHD effects on the three major transport properties, i.e. thermal energy, mass and momentum, were experimentally investigated. Based on analogies caused by similar transport mechanisms, the experimental results were compared despite different methods being used. In order to help with the comparison a simplified eddy viscosity model is applied. The study for each transport property was conducted with a different setup of a tube type ESP. These setups include axial and radial pressure drop measurements to quantify the momentum transport, a self-built local heat transfer sensor to determine heat transfer coefficients and a wetted wall-column to study the enhancement of mass transport phenomena. Experiments on momentum and heat transport include a large variation of different geometries and operating variables such as discharge electrode design, tube diameter, flow velocity, as well as magnitude and polarity of operating voltage. In addition, selected measurements with aerosol particles were conducted, to gain additional insights on the effects of EHD induced turbulence generation by particle bound space charge compared to ion bound space charge in clean gas flows. The results do not only provide transport coefficients for the hands-on application by plant designers, but also feature numerous experimental data that can be used as reference values for ongoing research in the numerical simulation of electrohydrodynamically enhanced flow and therefore significantly increase the available amount of data provided by current literature. N2 - Im Rahmen der Maßnahmen zur Eindämmung der Luftverschmutzung sind Elektroabscheider als eines der effektivsten Systeme zur Minderung von Feinstaubemissionen im industriellen Umfeld bekannt. Charakteristisch für den Betrieb von Elektroabscheidern ist das Auftreten elektrohydrodynamischer (EHD) Strömungen, welche die Turbulenz des gasförmigen Trägermediums der Partikeln weiter anfachen. Aus emissionstechnischer Sicht handelt es sich dabei um einen unerwünschten Nebeneffekt, da Scherkräfte, verursacht durch die zusätzliche Turbulenz in der Gasströmung, auf die bereits abgeschiedenen Partikeln auf der Niederschlagselektrode wirken und zu deren Wiedereintrag in die Gasströmung führen. Zudem wirkt die turbulente Quervermischung dem Partikeldrift der geladenen Teilchen in Richtung der Sammelelektrode entgegen. Andere Komponenten der Prozessindustrie hingegen würden von einer erhöhten Turbulenz in der Gasphase profitieren, insbesondere dann, wenn ihr Funktionsprinzip auf Wärme- und Stoffübertragung basiert. Dies beinhaltet neben Wärmeübertragern zur Energierückgewinnung oder Verdampfungszwecken auch Wäscher zur Schadgasabsorption. Damit steht ein großes Potential zur Anwendung des elektrohydrodynamisch verstärkten Wärme- und Stofftransports in der Prozessindustrie zur Verfügung. Das Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, die Auswirkungen von EHD-Effekten auf die turbulente Quervermischung in einem Rohr-Elektroabscheider, unter Variation verschiedener Geometrien und Betriebsparameter zu untersuchen. Dazu zählen unterschiedliche Rohrdurchmesser und Sprühelektrodenformen, sowie die Abdeckung eines großen Arbeitsbereichs von Betriebsspannungen beider Polaritäten bei drei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten. Bei ausgewählten Versuchen erfolgt außerdem noch die Zugabe eines stark beladenen Aerosols. Die Wahl der Rohr-Elektroabscheidergeometrie erlaubt es auf Basis der Rotationssymmetrie theoretische Betrachtungen gegebenenfalls zu vereinfachen, wenn experimentelle Untersuchungen durch diese gestützt werden sollen. Die turbulente Quervermischung wird anhand ihres Einfluss auf die drei Haupttransportgrößen, thermische Energie, Masse und Impuls, jeweils auf Basis unterschiedlicher Methoden, charakterisiert. Dies erlaubt einerseits die Validierung der Ergebnisse durch den Vergleich zwischen den Methoden, beispielsweise, wenn bestimmte Transportanalogien zutreffen, andererseits erlaubt es Rückschlüsse auf Besonderheiten der jeweiligen Transportgleichungen, falls Unterschiede zwischen den Transportgleichungen überwiegen. Zum Vergleich wird unter anderem das vereinfachte Modell der Eddy-Viskosität herangezogen. Die Ergebnisse beinhalten dabei neben den experimentell bestimmten Transportkoeffizienten und turbulenten Diffusionskoeffzienten, welche sich zur direkten Anwendung im Anlagenbau eignen, auch eine Vielzahl experimenteller Messdaten, welche als Referenzwerte für numerische Studien herangezogen werden. KW - Electrohydrodynamics KW - Electrostatic precipitation KW - Heat and mass transfer intensification KW - Elektrohydrodynamik KW - Elektroabscheider KW - Verbesserung des Wärme- und Stofftransports KW - Elektrofilter KW - Elektrohydrodynamik KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-59948 ER - TY - THES A1 - Nowitzki, Mario T1 - Development and validation of a gas-liquid two-phase model for industrial computational fluid dynamics applications T1 - Entwicklung und Validierung eines Gas-Flüssigkeit-Zweiphasenmodell für industrielle numerische Strömungssimulationen N2 - A local algebraic simulation model was developed, to determine the characteristic length scales for dispersed phases. This model includes the Ishii- Zuber drag model, the lift, the wall lubrication force and the turbulent dispersion force as well. It is based on the Algebraic Interface Area Density (AIAD) model from the Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR), which provides the morphology detection and the free surface drag model. The developed model is in agreement with the current state of knowledge based on an examination of the theory and of state of science models for interface momentum transfer. This new simulation model was tested on three different experiments. Two experiments can be found in the literature, the Fabre 1987 and the Hewitt 1987 experiment. And the third simulation is based on a steam drum experiment. This steam drum experiment is designed with ERK Eckrohrkessel GmbH internals and was developed to examine the droplet mass flow out of the turbulent separation stage. The implementation of all models and tests was performed using Ansys CFX. The first analysis was carried out to reproduce a wavy stratified flow to examine the effects of different simulation model set-ups according to the velocity and kinetic energy profiles, as well as the pressure drop gradient and the water level measured by Fabre 1987. The second analysis was a proof on concept for reproducing the vertical flow pattern by an experiment from Hewitt 1987. The third simulation analysed the water distribution in the steam drum and feeding pipes system as well as the droplet carryover into the gas phase in the turbulent separation region of the drum. These simulations have shown, that the accuracy of the particle distribution model in interaction with the drag and non-drag forces is able to reproduce horizontal and vertical flow patterns. Higher deviations are recognised for the liquid volume fraction close above the interface. Generally, simulations can now be performed to optimise industrial steam drum designs. N2 - Ein algebraisches Simulationsmodell, basierend auf lokalen Variablen, wurde entwickelt, zur Berechnung von charakteristischen Längen von dispersen Phasen. Dieses Modell beinhaltet das Ishii-Zuber Widerstandsmodell, die „lift“, die „wall lubrication“ und die „turbulent dispersion“ Kraft. Das Modell baut auf das „Algebraic Interface Area Density“ (AIAD) Modell, vom Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) auf, welches die Detektion der Morphologie der Strömung und das Widerstandsmodell der freien Oberfläche bereitstellt. Das entwickelte Modell basiert auf dem Stand der Technik, auf die Begutachtung der Theorie und auf Modelle für den Impulstransport an der Phasengrenzfläche, die Stand der Wissenschaft sind. Auf drei verschiedenen Experimenten wurde das Simulationsmodell angewendet. Die Experimente von Fabre 1987 und Hewitt 1987 wurden aus der Literatur entnommen. Das dritte Experiment war eine Dampftrommel, die entwickelt wurde, um den Tröpfenmassenstrom zu ermitteln, der aus der turbulenten Abscheidungszone mitgerissen wurde. Diese Dampftrommel basiert auf ein Design von ERK Eckrohrkessel GmbH. Die Implementierung und Erprobung wurde mit Ansys CFX durchgeführt. In der ersten Analyse sollte der Einfluss der verschiedenen Modelle auf das Geschwindigkeits-, das kinetische Energieprofil, den Druckgradienten und die Höhe der Phasengrenzfläche bezüglich einer Wellenströmung im Fabre 1987 Experimente untersucht werden. Die zweite Analyse war ein Machbarkeitsnachweis bezüglich eines vertikalen Zweiphasenströmung-Experimentes von Hewitt 1987. In einer dritten Analyse wurde die Wasserverteilung in einer Dampftrommel und den Zulaufrohren, sowie der mitgerissene Massenstrom an Tröpfchen aus der turbulenten Abscheidungszone, untersucht. Diese Simulationen haben gezeigt, dass die Genauigkeit des Partikelverteilungsmodells, den „drag“ und „non-drag“ Kräften ausreicht, um horizontale und vertikale Strömungsformen zu reproduzieren. Bei der Phasenverteilung über der Phasengrenzfläche sind größere Abweichungen zu erkennen. Generell eignet sich das Simulationsmodell, um eine Optimierung von Dampftrommeln jetzt durchzuführen. KW - CFD KW - Grenzfläche KW - Impulsübertragung KW - Zweiphasenströmung KW - Numerische Strömungssimulation KW - Two-phase flow KW - Particle interaction KW - Steam drum KW - Turbulence damping KW - Euler-Euler KW - Zweiphasenströmung KW - AIAD KW - Eötvös Zahl KW - Partikelverteilung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-54130 ER - TY - THES A1 - Ivanov, Dmitrij T1 - Beschleunigung der Verdichterkennfeldberechnung mithilfe von Methoden des maschinellen Lernens T1 - Acceleration of compressor map computation by utilizing machine learning techniques N2 - In der heutigen Triebwerksentwicklung ist die Verwendung komplexer und zeitaufwändiger numerischer Strömungssimulationsverfahren (3D-CFD) unerlässlich. Dies gilt auch und insbesondere für den Bereich der Verdichterkennfeldberechnung, welcher viele zeitintensive 3D-CFD Berechnungen benötigt. Dabei sind zur qualitativen Beurteilung eines Verdichterentwurfs sowohl Betriebspunkte wie, Reiseflug, Start und Landung, hinreichend genau abzubilden, als auch die kritischen, den Verdichterarbeitsbereich limitierenden Betriebsgrenzen Pumpen und Sperren zu detektieren. Bisherige Arbeiten zur automatisierten Verdichterkennfeldberechnung basieren auf strukturierten Berechnungen von verschiedenen Drehzahllinien, auf welchen jeweils isoliert Pump- und Sperrgrenze gesucht werden. Durch die Beschränkung auf einzelne Drehzahlen wird jedoch nicht der gesamte Charakter des Kennfeldes erfasst, so dass unbekannte Betriebsbereiche aus linearer Interpolation abgeleitet werden müssen. Ein zusätzlicher Nachteil solcher auf einzelne Drehzahllinien fixierten Methoden ist ihre geringe Parallelisierbarkeit. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Erfassung des gesamten Verdichterkennfeldes. Die zwei wesentlichen Anforderungen an das Verfahren sind erstens die Reduktion der Anzahl der notwendigen CFD-Berechnungen zur hinreichend genauen Beschreibung des Verdichterkennfeldes sowie zweitens die Beschleunigung jeder einzelnen 3D-CFD-Berechnung. Zu diesem Zweck wird zur Kennfeldberechnung eine Strategie vorgeschlagen, welche sich von der üblichen strukturierten Berechnung einzelner Drehzahllinien löst und stattdessen mit unstrukturierten, zufällig bestimmte Stützstellen arbeitet. Dabei wird ein zweiphasiges Verfahren entwickelt, bei dem zunächst die Pump- und Sperrlinien in ihrer Gesamtheit mit einer iterativen, hoch parallelisierbaren, auf Support-Vector-Machine beruhenden Strategie bestimmt werden. Als nächster Schritt wird mit Methoden der statistischen Versuchsplanung eine ausreichende Dichte von Stützstellen innerhalb der Betriebsgrenzen des Verdichters generiert. Abschließend werden auf Basis aller verwendeten Stützstellen Antwortflächen für Verdichterdruckverhältnis, Wirkungsgrad und Eintrittsmassenstrom aufgebaut. Zur Reduktion der Rechenzeit jeder einzelnen 3D-CFD Rechnung werden unterschiedliche Methoden zur Erzeugung von Startlösungen betrachtet. In diesem Rahmen werden Initialisierungsansätze aus reduzierten Strömungsmodellen und aus der Superposition von bereits bekannten Strömungslösungen auf Basis der Methode der Proper-Orthogonal-Decomposition (POD) untersucht. Als Validierung wird abschließend das entwickelte Verfahren zur Kennfeldberechnung in Kombination mit dem POD-Initialisierungsansatz erfolgreich auf die Analyse eines 4.5- stufigen Forschungsverdichters angewendet. N2 - In modern-day turbo engine development, the usage of complex and time consuming numerical flow simulation methods (3D-CFD) is essential. This especially applies to compressor map computation which require many time-consuming 3D-CFD calculations. For a qualitative assessment of a compressor design, not only the operating points, such as cruise, take-off and landing, must be depicted precisely, but the critical operating limits called surge and choke must be detected. Previous investigations on the automated compressor map computation were based on structured calculations of several speed-lines, for which, each line choke and surge limits are traced separately. Due to the restriction to single speed-lines, however, the entire characteristic of the compressor map is unknown, hence unknown operation points must be derived from linear interpolation. An additional disadvantage of these speed-line based methods is their infeasibility for parallel computing. The focus of this work is on the development of an efficient process for the acquisition of the entire compressor map. The two main requirements therefore are firstly a reduction of the number of necessary CFD calculations for a sufficiently precise description of the compressor map and secondly, an acceleration of every single 3D-CFD calculation. For this purpose a compressor map computation strategy is proposed, which differs from the standard structured single speed-line approach using instead an unstructured randomly determined samples approach. Hence a two-step process is being developed. In the first step, the entire surge- and choke-line is approximated with an iterative, highly parallelizable strategy based on support-vector-machine. In the second step, statistical Design of Experiments (DoE) methods are used to achieve sufficient density of samples within the operating limits of the compressor. Finally a response-surface method is used to approximate compressor map features like pressure ratio, efficiency and inlet mass flow. To reduce the computation time of each 3D-CFD calculation, different methods of flowfield initialization are considered. In this context, initialization approaches with reduced-order flow models and superposition of already known flow solutions based on the Proper-Orthogonal-Decomposition (POD) method are investigated. Finally for validation purposes the developed compressor map computation process combined with the POD-initialization approach is applied to a 4.5-stage research compressor model. KW - Verdichterkennfeld KW - 3D-CFD KW - Maschinelles Lernen KW - Support-Vector-Machine KW - Strömungsfeld-Initialisierung KW - Flowfield-initialization KW - Compressor map KW - 3D-CFD KW - Machine learning KW - Support-vector-machine KW - Verdichter KW - Kennfeld KW - Numerische Strömungssimulation KW - Optimierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-53950 ER - TY - THES A1 - Medina Mendez, Juan Ali T1 - Application of the One-Dimensional Turbulence model to electrohydrodynamically enhanced internally forced convective flows T1 - Anwendung des One-Dimensional-Turbulence-Modells auf elektrohydrodynamisch beeinflusste Strömungen in erzwungener Konvektion N2 - This thesis is an attempt to assess some of the effects that electroquasistatic body forces exert on turbulent internally forced convective flows. In order to do that, a stochastic turbulence model is employed, namely, the One-Dimensional Turbulence (ODT) model. The reduced dimensionality of ODT demands a reduction of the Navier-Stokes equations (and in this case, also the Maxwell equations), into a 1-D system. This is done by performing an asymptotic analysis in terms of the nondimensional numbers of the flow. Also, a validation step due to the relative novel character of the cylindrical ODT formulation is done for an incompressible and constant properties flow regime and a variable density flow regime. The validation is presented for both the temporal (T-ODT) and a novel spatial (S-ODT) formulation in both planar and cylindrical geometries. Results in the constant property case show that wall normal (and radial) profiles, in both the T-ODT and S-ODT formulations, show good agreement with each other and to the data of Direct Numerical Simulations (DNSs). For the evaluated variable density heated pipe flow, gradients at the wall can be better reproduced with S-ODT. After validating the model, ODT is applied first into a planar configuration which emulates the flow in a wire-plate Electrostatic Precipitator (ESP). For this flow, the additional input energy due to the electroquasistatic body force has an effect on the modification of the bulk velocity, and subsequently, the skin friction coefficient. Some qualitative DNS trends are confirmed with ODT, such as the localized increase of the Reynolds stress, as a consequence of increased eddy activity close to the discharge electrodes. Next, the results of ODT simulations in a cylindrical wire-tube ESP are presented. Here, ODT results are compared to experimental results. ODT results for global integral quantities such as the streamwise pressure gradient and the Nusselt number enhancement ratio are able to match in a reasonable way the experimental results. The competing relevance between the EHD contribution to turbulence by momentum, and by affecting the temperature and density due to the Joule heating effect is also analyzed, showing the leading order relevance of the former one. Specifically for the Nusselt number results, the sensitivity of the EHD flow to transition effects is shown to be very significant. This thesis may open the door to a vast new field of phenomena which can not only serve for the further validation of the ODT model against DNSs or experiments, but also for the real use of ODT in applications which are so far inaccessible for traditional DNSs. N2 - Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der Effekte von elektroquasistatischen Volumenkräften auf turbulente druckgetriebene Strömungen. Dazu wurde das stochastisch Eindimensionale Turbulenzmodell (ODT) angewendet. Als ein Modell niedriger Ordnung benötigt ODT eine Reduktion der Navier-Stokes-Gleichungen (sowie der Maxwell-Gleichungen hier) zu einem 1-D System. Diese Reduktion erfolgte mittels einer asymptotischen Analyse, welche die Strömung als Funktion von Leading-Order-Effekten entdimensionalisierter Kennzahlen beschreibt. Zusätzlich erfolgte in der Dissertation ein Validierungsschritt aufgrund der kürzlich veröffentlichten Zylinderformulierung für ODT. Zur Validierung wurden inkompressible Strömungen konstanter Fluideigenschaften, sowie Strömungen variabler Dichte betrachtet. Die Validierung stellt Ergebnisse von zeitlich (T-ODT) und räumlich (S-ODT) entiwckelnde ODT-Simulationen für planare und zylindrische Koordinatensysteme vor. Die Ergebnisse zeigen, dass wand-normale (oder radiale) Profile, sowohl in T-ODT und S-ODT, eine gute Übereinstimmung miteinander und mit Daten von Direkten Numerische Simulationen (DNS) aufzeigen. Im Fall der aufgeheizten Rohrströmungen variabler Dichte lassen sich die Gradienten an der Wand mittels S-ODT besser reproduzieren. Nach der Validierung des Modells wurde ODT erstmals auf eine planare Konfiguration, welche die Strömung einer Plattenelektroabscheider simuliert, angewendet. Der zusätzliche Energiebeitrag, der von der elektroquasistatischen Volumenkraft geliefert wird, hat einen Effekt auf die Bulk-Geschwindigkeit, sowie auf den Reibungsbeiwert. Einige Trends der DNS lassen sich mit ODT bestätigen, z.B. der lokalisierte Anstieg der Reynolds'schen Schubspannungen, der aufgrund der erhöhten Wahrscheinlichkeit der Erzeugung turbulenter Wirbel in der Nähe der Sprühelektrode verursacht wird. Im Anschluss werden ODT-Ergebnisse eines zylindrischen Rohrelektroabscheiders vorgestellt. Diese sind in Form von integralen Größen gegen experimentellen Messungen vergliechen, z.B., der Druckgradient in Strömungsrichtung, sowie das Erhöhungsverhältnis der Nusseltzahl. Die von ODT generierten integralen Größen stimmen gut mit experimentellen Messwerten überein. Die Wichtigkeit des EHD-Beitrags zur Turbulenz mittels Impulstransport, sowie dessen Einfluss auf die Temperatur und Dichte gemäß des ersten Jouleschen Gesetzes wurde ebenfalls mit ODT untersucht. Die Ergebnisse zeigen den Effekt führender Ordnung des EHD-Beitrags auf die Turbulenz. Eine große Sensitivität der Nusseltzahl-Ergebnisse bzgl. der Transitionseffekten in EHD-Strömungen konnte parallel nachgewiesen werden. Dank dieser Arbeit lassen sich neue Phänomene mittels numerischer Simulationen untersuchen. Dies dient zur weiteren Validierung des ODT-Modells anhand DNS und Experimenten. Außerdem erlaubt die Dissertation zukünftige Anwendungen von ODT auf Phänomene und Strömungen, die bisher unzugänglich für DNS sind. KW - EHD KW - ODT KW - Forced convection KW - Turbulente Strömung KW - Numerische Strömungssimulation KW - Elektrohydrodynamik KW - Abscheider KW - Turbulenzmodell Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-53388 ER - TY - THES A1 - Netzer, Corinna T1 - Simulation and assessment of engine knock events T1 - Simulation und Bewertung motorischer Klopfereignisse N2 - Sophisticated engine knock modeling supports the optimization of the thermal efficiency of spark ignition engines. For this purpose the presented work introduces the resonance theory (Bradley and co-workers, 2002) for three-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and for the zero-dimensional Spark Ignition Stochastic Reactor Model (SI-SRM) simulations. Hereby, the auto-ignition in the unburnt gases is investigated directly instead of the resulting pressure fluctuations. Based on the detonation diagram auto-ignition events can be classified to be in acceptable deflagration regime or possibly turn to a harmful developing detonation. Combustion is modeled using detailed chemistry and formulations for turbulent flame propagation. The use of detailed chemistry caters for the prediction of physical and chemical properties, such as the octane rating, C:H:O-ratio or dilution. For both models, the laminar flame speed is retrieved from surrogate specific look-up tables compiled using the reaction mechanism for Ethanol containing Toluene Reference Fuels by Seidel (2017). In the fresh gas zone, the scheme is used for auto-ignition prediction. For this purpose, the G-equation coupled with a Well-Stirred-Reactor model is applied in RANS. In analogy, in the SI-SRM the combustion is modeled using a two zone model with stochastic mixing between the particles. RANS is used to develop the knock classification methodology and to analyze in detail location, size and shape of the auto-ignition kernels. RANS estimates the ensemble average of the process and therefore cannot reproduce a developing detonation. Hence, Large Eddy Simulation (LES) is used to verify the methodology. Studies using wide ranges of surrogates with different octane rating and cycle-to-cycle variations are carried out using the computationally efficient SI-SRM. Cyclic variations are predicted based on stochastic mixing, stochastic heat transfer to the wall, varying exhaust gas recirculation composition and imposed probability density functions for the inflammation time and the scaling of the mixing time retrieved from RANS. The methodology is verified for spark timing and octane rating. It is shown that the surrogate formulation has an important impact on knock prediction. RANS is suitable to predict the mean strength of auto-ignition in the unburnt gas if the thermodynamic and chemical state of the ignition kernel is analyzed instead of the pressure gradients. The probability of the transition to knocking combustion can be determined. Good agreement between RANS and SI-SRM are obtained. The combination of both tools gives insights of local effects using RANS and the distribution of auto-ignition in the whole pressure range of an operating point using SI-SRM with reasonable computationally cost for development purposes. N2 - Detaillierte Klopfmodelle unterstützen den Entwicklungsprozess zur Optimierung des thermischen Wirkungsgrads von Ottomotoren. Die vorliegende Arbeit diskutiert einen neuen Ansatz zur Bewertung von motorischen Klopfen mittels der Resonanztheorie (Bradley und Kollegen, 2002) für die Nutzung in dreidimensionalen Reynolds-Averaged Navier-Stokes Simulationen (RANS) und im nulldimensionalen Spark Ignition Stochastic Reactor Model (SI-SRM). Hierbei wird die Selbstentzündung in den unverbrannten Gasen direkt untersucht anstatt der resultierenden Druckwelle. Mit Hilfe des Detonationsdiagramms können Selbstzündungsereignisse klassifiziert und der mögliche Übergang zu einer schädlichen, sich aufbauenden Detonation bestimmt werden. Die vorgemischte Verbrennung wird mittels detaillierter Chemie und einer Beschreibung der turbulenten Flammenausbreitung modelliert. Die Verwendung von detaillierter Chemie ermöglicht die Vorhersage physikalischer und chemischer Prozesse, zum Beispiel, abhängig von der Oktanzahl, dem C:H:O-Verhältniss oder der Verdünnung. Für beide Modelle wird die laminare Flammengeschwindigkeit aus Tabellen abgerufen, die unter Verwendung des Reaktionsmechanismus für Ethanol haltige Toluol-Referenzkraftstoffe (ETRF) von Seidel (2017) unter Berücksichtigung der Zusammensetzung des Ersatzkraftstoffes erstellt werden. In den unverbrannten Gasen wir der Reaktionsmechanismus für die Simulation der Selbstzündung genutzt. Zu diesem Zweck wird in RANS die G-Gleichung mit einem Well-Stirred-Reactor (WSR) Modell gekoppelt. In Analogie wird im SI-SRM ein Zwei-Zonen-Modell mit stochastischer Mischung der Partikel verwendet. RANS wird zur Entwicklung der Methodik zur Klopfbewertung und zur detaillierten Analyse von Position, Größe und Form der Selbstentzündungskerne verwendet. RANS liefert ensemble-gemittelte Größen und kann daher eine entstehende Detonation nicht auflösen. Daher wird die Methodik mit Large Eddy Simulationen (LES) verifiziert. Für Studien, die viele verschiede Ersatzkraftstoffe mit unterschiedlichen Oktanzahlen und zyklische Schwankungen untersuchen, wird das SI-SRM aufgrund der kurzen Rechenzeiten genutzt. Zyklische Schwankungen werden basierend auf stochastischem Mischen der virtuellen Partikeln, stochastischem Wärmeübergang zur Wand, variierende Zusammensetzung der zurück geführten Abgase und vorgegeben Verteilungsfunktionen für Entflammung und Mischungszeit modelliert. Die Methodik wurde hinsichtlich der Reaktion auf Zündzeitpunkt und Oktanzahl verifiziert. Die Zusammensetzung des Ersatzkraftstoffs hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Vorhersage des motorischen Klopfens. RANS ist geeignet, die mittlere Stärke der Selbstzündung im unverbrannten Gas vorherzusagen, wenn der thermodynamische und chemische Zustand des Zündkerns analysiert wird anstatt des Druckgradientens. Die Wahrscheinlichkeit des Übergangs zu einer sich aufbauenden Detonation (Klopfen) kann bestimmt werden. Die Ergebnisse von RANS und SI-SRM stimmen gut überein. Die Kombination beider Werkzeuge ermöglicht die Untersuchung lokaler Effekte (RANS) und die Verteilung der Selbstzündung über die gesamte Ausdehnung des maximalen Druckes eines Betriebspunktes (SI-SRM) mit vertretbarem rechnerischem Aufwand für den Einsatz in der Motorenentwicklung. KW - Engine knock KW - Detailed chemistry KW - Computational fluid dynamics KW - Stochastic reactor model KW - Resonance theory KW - Motorisches Klopfen KW - Detaillierte Chemie KW - Numerische Strömungssimulation KW - Stochastisches Reaktormodell KW - Resonanztheorie KW - Ottomotor KW - Selbstzündung KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48771 ER - TY - THES A1 - Neben, Matthias T1 - 3D-CFD der Gas-Partikel-Strömung in einer Laval-Düse zur Vorhersage mechanischer Erosion T1 - 3D-CFD-simulations of the gas-particle flow in a Laval nozzle to predict mechanical erosion N2 - Die vorliegende Doktorarbeit betrachtet den erosiven Verschleiß von Laval-Düsen für den pneumatischen Stofftransport. Dazu wurden 3D-CFD-Simulationen der Gas-Partikel-Strömung auf Basis des Softwarepaketes OpenFOAM durchgeführt und ein kompressibler 2-Wege-gekoppelter sowie 4-Wege-gekoppelter Strömungslöser entwickelt. Zusätzlich wurden die Partikelmethoden von OpenFOAM erheblich erweitert. So sind z.B. zusätzliche stochastische Methoden für die Partikel-Partikel und Partikel-Wand-Kollisionen (Sommerfeld & Huber, 1999) mit einer erweiterten translatorischen und rotatorischen Impulserhaltung implementiert worden. Die auf die disperse Phase wirkenden fluidmechanischen Kräfte sind die Widerstandskraft nach Henderson (1976), die Kraft durch Druck- und Spannungstensor sowie die Auftriebskraft. Der erosive Verschleiß wird wahlweise mit dem Tabakoff-Modell (Grant & Tabakoff, 1973) und dem Oka-Modell (Oka et al., 2005; Oka & Yoshida, 2005) berechnet. Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem HKW Cottbus, welches im Rauchgasreinigungssystem Laval-Düsen für den pneumatischen Abtransport von Asche verwendet. Aufgrund der hohen Gas- und Partikel-Geschwindigkeiten und der Kontur der Düsen sind diese massiv durch Erosion geschädigt worden. Dadurch haben diese ihre Funktion als Blende verloren, was eine Schädigung weiterer Komponenten des Rauchgasreinigungssystems zur Folge hatte. Zur Validierung des numerischen Strömungslösers wurde das Experiment von Kumar et al. (1983) ausgewählt und ein qualitativ vergleichbares Ergebnis generiert (60% des experimentellen Werts). Das charakteristische Verschleißbild des Experiments stellt sich nur unter Verwendung eines stochastischen Partikel-Wand-Kollisionsmodells mit hoher Wandrauigkeit ein. Im Fall glatter Wände ist der erosive Verschleiß insgesamt geringer und es verschiebt sich das Maximum der lokalen Erosionsrate. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen ist sowohl die Kontur der Laval-Düse des HKW Cottbus modifiziert worden als auch das Material der Düsenwandung von 13CrMo44-Stahl zu Siliziumcarbid-Keramik geändert worden. Die numerischen Simulationen des 4-Wege-gekoppelten Strömungslösers zeigen, dass sich das lokale Maximum der Verschleißrate im kritischen Bereich der Düsenkehle auf 1.5 % des Ausgangswerts reduziert und zugleich von der Düsenkehle weg verschiebt. In dieser Doktorarbeit ist im Gegensatz zu vergleichbaren numerischen Studien eine Validierung des Strömungslösers an experimentellen Daten durchgeführt worden. Zudem ist die Bedeutung der Partikel-Partikel-Kollisionen und der Wandrauigkeiten für die Berechnung des erosiven Verschleißes bei Laval-Düsen aufgezeigt worden. N2 - The following doctoral thesis describes the mechanism for the mechanical erosion of a cold gas Laval nozzle, which is in use for pneumatic conveying of coal ash or coal. Therefore 3D-CFD-simulations of a gas-particle-mixture were performed using the software package OpenFOAM and a density based compressible 2-way-coupled and 4-way-coupled multiphase-solver was developed. In addition, the particle supplied methods were extensively enhanced, for example with an advanced stochastic particle-wall (Sommerfeld & Huber, 1999) and particle-particle treatment including linear and rotatory conservation of momentum. The following forces are in use for the numerical simulations: The drag-force by Henderson (1976), the force due to pressure and stress tensor and the buoyancy force. In order to calculate the wall erosion, the empirical models of Tabakoff (Grant & Tabakoff, 1973) and Oka (Oka et al., 2005; Oka & Yoshida, 2005) are applied. This work was done in collaboration with the Cottbus power plant, where some of its nozzles used for the exhaust gas cleaning system were widened and destroyed. This led to a significant increase of the erosion within the entire system. So, the numerical solver was furthermore used for a geometrical optimization of these Laval nozzles. The numerical solver was validated with the experiment by Kumar et al. (1983). These results are in good agreement with the experiment (around 60 % of the experimental values), but could only achieved with stochastically modelled rough walls for the particle-wall-collisions. In the case of smooth walls the distribution of the erosive wear is very different profile with a substantial shift of the erosion rate’s maximum. With this experience, the shape of the industrial applied nozzle from the Cottbus power plant was modified as well as the wall material was changed from 13CrMo44-steel to silicon carbide. The numerical simulations of the 4-way-coupled multiphase-solver show a significant reduction of the erosion rate’s maximum to 1.5% of the start value together with a shift away from the nozzle throat. In contrast to former numerical studies this thesis was able to validate the numerical solver with experimental data and to show the importance of particle-particle-collisions and the correct approximation of the particle-wall-collisions for the prediction of the erosive wear. KW - Laval-Düse KW - Gas Partikel Strömung KW - Mechanische Erosion KW - CFD KW - Laval nozzle KW - Gas particle flow KW - Mechanical erosion KW - Laval-Düse KW - Fluidpartikelströmung KW - Numerische Strömungssimulation KW - Erosion Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47976 ER - TY - THES A1 - Wiedemann, Philipp T1 - Modellierung und numerische Simulation der konvektiven Trocknung von Braunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht T1 - Mathematical modeling and numerical simulation regarding the convective drying of lignite particles in a bubbling fluidized bed N2 - In der vorliegenden Arbeit werden die Modellierung und die numerische Simulation von Strömung, Wärme- und Stofftransport zur Abbildung eines Trocknungsprozesses von Braunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht behandelt. Hierbei wird das Euler-Euler Two Fluid Model zugrunde gelegt und die Beschreibung des Fließverhaltens der Feststoffphase mittels der Kinetic Theory of Granular Flow realisiert. Ausgehend von einem Überblick zum aktuellen Stand der Forschung wird der Bedarf nach einer geeigneten Konfiguration von Modellparametern und Submodellen hinsichtlich der Strömungsmodellierung sowie nach der Implementierung eines Trocknungsmodells abgeleitet und als Zielsetzung formuliert. Experimentelle Voruntersuchungen an einer Wirbelschichtanlage im Labormaßstab schaffen die Datenbasis für die spätere Validierung des Modells. Dabei erfolgt zunächst eine Betrachtung einzelner Zustandspunkte von diskontinuierlichen Trocknungsprozessen, um die darin auftretenden, strömungstechnischen Veränderungen zu quantifizieren. Zur Bewertung werden die makroskopischen Eigenschaften sowie Charakteristiken meso- und mikroskaliger Strömungstrukturen herangezogen, die sich aus der Analyse von Druckfluktuationen ergeben. Des Weiteren werden die Trocknungsverläufe mehrerer Chargen für verschiedene Betriebsparameter aufgezeichnet. In einem ersten Untersuchungsschwerpunkt werden ausschließlich strömungsmechanische Aspekte fokussiert. Auf Basis umfangreicher Sensitivitätsanalysen zu den Einflüssen der rheologisch relevanten Parameter, der Impulsaustauschfunktion einschließlich der Partikelsphärizität und der Randbedingungen für Behälterwand und Gaseinlass, sowie durch Vergleiche mit den experimentellen Daten wird eine Parameterkonfiguration des Strömungsmodells vorgeschlagen. Die damit erzielten Ergebnisse sind insgesamt zufriedenstellend und geben die beobachteten Veränderungen im Trocknungsprozess korrekt wieder. Ursachen für bestehende Abweichungen zum Experiment werden diskutiert. Im zweiten Untersuchungsschwerpunkt wird der gesamte Trocknungsprozess betrachtet. Hierzu werden Wärme- und Stofftransportmechanismen innerhalb des Modells berücksichtigt, wobei die eigens implementierte Trocknungskinetik auf Ebene der Partikel ansetzt. Die Einflüsse der Sphärizität und zwei verschiedener Formulierungen zur Berechnung der Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten werden untersucht. Für den favorisierten Parametersatz werden die Simulationen mit einem expliziten Vorwärtsverfahren gekoppelt, wodurch die Trocknungsverläufe auf makroskopischer Zeitskale approximiert und somit mit den experimentellen Daten verglichen werden können. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Gesamtmodell die Trocknungsverläufe bei niedrigen bis mäßigen Leerrohrgeschwindigkeiten zuverlässig abbilden kann. Auftretende Diskrepanzen werden diskutiert und weiterer Entwicklungsbedarf abgeleitet. N2 - The present thesis deals with mathematical modeling and numerical simulation of hydrodynamics, heat and mass transfer in order to reproduce the drying process of lignite particles inside a bubbling fluidized bed. The Eulerian-Eulerian Two Fluid Model is applied and the rheological behavior of the solid phase is modeled by means of Kinetic Theory of Granular Flow. On the basis of a literature review the demand for an appropriate configuration of parameters and sub-models of the hydrodynamic model as well as for the implementation of a drying model is deduced and treated as objective of the study. The database for validation purposes is created by preliminary experiments with a lab-scale fluidized bed apparatus. At first, several single points of a batch drying process are investigated in order to quantify the changes in the flow behavior that occur during the process. The evaluation is accomplished by macroscopic properties as well as characteristics of meso- and microscopic flow structures that are taken from analysis of pressure fluctuations. Furthermore, the drying curves of several samples are recorded at different operating conditions. The first part of the investigation focuses on hydrodynamics exclusively. Basing on extensive sensitivity analyses for investigating the influence of rheological parameters, the drag function including the particle sphericity, the wall and inlet boundary conditions, as well as by comparison with experimental data, a suitable parameter configuration is proposed for the hydrodynamic model. The corresponding results of the simulations are satisfactory and correctly reproduce the changes of the flow. Deviations in comparison to the experiments are discussed. Secondly, heat and mass transfer mechanisms are considered in order to describe the drying process. The implemented drying kinetics are modeled on particle scale. The numerical investigations encompass the influence of particle sphericity and two different correlations for calculating the heat and mass transfer coefficients. Subsequently, simulations with the favored parameter set are performed in combination with the explicit Euler method, which enables the approximation of the drying process on macroscopic time scale and thus comparison with the experimental data. It is shown that the proposed model is capable for reproducing the drying behavior at low and moderate superficial gas velocities. Existing discrepancies are discussed and need for further research and development is derived. KW - Numerische Strömungssimulation KW - Wirbelschicht KW - Trocknung KW - Braunkohle KW - Two Fluid Model KW - Computational fluid dynamics KW - Fluidized bed KW - Drying KW - Lignite KW - Two Fluid Model KW - Braunkohle KW - Konvektionstrocknung KW - Wirbelschichtverfahren KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48439 ER - TY - THES A1 - Höhne, Christian T1 - Multimodal approach for the numerical simulation of ultrasonic guided waves in cylindrical structures of non-constant thickness T1 - Multimodalansatz für die numerische Simulation geführter Ultraschallwellen in Zylinderstrukturen nicht-konstanter Dicke N2 - Guided waves hold great potential for applications in the field of ultrasonic nondestructive testing. Examples of possible applications are the ultrasonic testing and structural health monitoring of wheelset-axles as used in trains. Depending on the particular type, these axles can be described as either thick cylindrical rods or thick walled hollow cylinders with varying thickness. Wheelset-axles are safety relevant components that have to be inspected on a regular basis. The use of guided waves would allow a full inspection while accessing only the front faces of the axle, thus potentially speeding up the inspection procedure. In order to develop such an inspection technique, however, detailed knowledge of wave propagation through the axle is required. Established mesh-based procedures, like the finite element method, could be used to simulate guided wave propagation in such structures. However, due to the size of the axle itself and the comparatively fine mesh that is dictated by the wavelengths usually applied in ultrasonic testing, these mesh-based procedures would be very expensive in terms of computation times. The multimodal approach seems to be a very promising alternative that can be expected to provide results significantly faster. The multimodal method uses the guided wave modes of a corresponding waveguide with a constant cross-section as basis in which the local sound field at any given position in a waveguide with varying thickness can be expressed. Thereby the numerical effort is reduced to solving the one dimensional differential equations that govern the evolution of the coefficients in the mode spectrum along the waveguide. Once the sound field has been calculated, a time dependence can easily be included, which allows the simulation of pulse propagation through the waveguide. In this thesis, the multimodal approach, as described for the calculation of Lamb-waves in plates with non-constant thickness, is extended to other types of elastic waveguides such as cylindrical rods and thick walled hollow cylinders. For the sake of simplicity, investigations are restricted to axially symmetric wave modes. The results obtained with the multimodal approach are validated against FEM-simulations. It is shown that the multimodal method potentially holds a great advantage in terms of computation time over commercially available software based on the finite element method. Finally, the multimodal method is evaluated with respect to possible future applications on wheelset-axles. N2 - Geführte Wellen besitzen ein großes Potential für Anwendungen im Bereich der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung. Beispiele möglicher Anwendungen sind die Ultraschallprüfung oder Zustandsüberwachung von Radsatzwellen, wie sie in Zügen verwendet werden. Abhängig vom jeweiligen Typ können diese Radsatzwellen als Vollzylinder oder dickwandige Hohlzylinder beschrieben werden. Radsatzwellen sind sicherheitsrelevante Bauteile, die regelmäßig geprüft werden müssen. Die Verwendung geführter Wellen würde ausgehend von den Stirnflächen eine Prüfung des gesamten Bauteilvolumens ermöglichen. Dieser Umstand kann potentiell verwendet werden um den Prüfprozess zu beschleunigen. Zur Entwicklung eines entsprechenden Prüfverfahrens sind jedoch Kenntnisse über die Details der Ausbreitung geführter Wellen innerhalb der Radsatzwellen notwendig. Etablierte Verfahren, wie die Finite-Elemente-Methode, können für die Simulation der Ausbreitung geführter Wellen in derartigen Strukturen verwendet werden. Aufgrund der Abmessungen der Radsatzwelle, der in der Ultraschallprüfung gebräuchlichen Wellenlängen und der sich daraus ergebenden notwendigen Größe und Anzahl der Elemente, wäre dabei allerdings mit einem großen Zeitaufwand zu rechnen. Der Multimodalansatz scheint eine vielversprechende Alternative darzustellen, welche im Stande ist Simulationen wesentlich schneller durchzuführen. Die Multimodalmethode basiert darauf, das lokale Schallfeld in einem Wellenleiter variierender Dicke in einer Basis von geführten Wellenmoden eines korrespondierenden Wellenleiters konstanter Dicke darzustellen. Der numerische Aufwand reduziert sich dadurch auf die Lösung der eindimensionalen Differenzialgleichungen, welche die Entwicklung der Koeffizienten im Modenspektrum entlang des Wellenleiters beschreiben. Nachdem das Schallfeld bestimmt wurde, kann der Lösung mit geringem Aufwand eine Zeitabhängigkeit hinzugefügt werden, was die Simulation der Ausbreitung von Ultraschallpulsen durch den Wellenleiter ermöglicht. In der vorliegenden Dissertation wird ein Multimodalansatz zur Bestimmung von Lamb-Moden in Platten nicht-konstanter Dicke auf andere Arten elastischer Wellenleiter, wie Vollzylinder und dickwandige Hohlzylinder, erweitert. Zur Vereinfachung der notwendigen Herleitungen wird dabei eine Einschränkung auf axialsymmetrische Moden getroffen. Die Ergebnisse werden durch Vergleich mit FEM-Simulationen validiert. Es wird gezeigt, dass der Multimodalansatz in Bezug auf die benötigte Rechenzeit potentiell große Vorteile gegenüber, auf der Finiten-Elemente Methode basierender, kommerziell verfügbarer Software bietet. Abschließend wird der Multimodalansatz in Hinblick auf mögliche zukünftige Anwendungen in Bezug auf Radsatzwellen bewertet. KW - Guided waves KW - Numerical simulations KW - Ultrasound KW - Nondestructive testing KW - Cylindrical structures KW - Geführte Wellen KW - Numerische Simulationen KW - Ultraschall KW - Zerstörungsfreie Prüfung KW - Zylinderstrukturen KW - Zylinder KW - Numerische Strömungssimulation KW - Ultraschallprüfung KW - Plattenwelle KW - Wellenausbreitung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41255 ER - TY - THES A1 - Meiselbach, Falko T. T1 - Application of ODT to turbulent flow problems T1 - Anwendung von ODT auf turbulente Strömungsprobleme N2 - The continual optimization process for more efficiency of industrial flows has raised the need for providing deeper understanding of turbulence. These details can be provided by direct numerical simulation (DNS), which is impossible for most flows with current computers. Therefore, progress in optimizing Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) and large eddy simulation (LES) modeling strategies will need to continue. Another ansatz is the reduction to 2D or 1D models to reduce the numerical cost. One dimensional turbulence (ODT) as presented by A. R. Kerstein is a new modeling strategy that reduces the 3D simulation to a 1D line of sight through the flow region. Due to the higher resolution afforded by the 1D model, it is possible to simulate even the smallest scales and to provide insight into turbulence statistics. To assess the advantages and disadvantages of the model, ODT has to be validated against several flows. Within this thesis, ODT is validated against the channel flow, the passive scalar transport and the channel flow with a fluctuating pressure gradient. These flows are simplified test cases for the phenomena present in single-phase industrial flows. ODT produces meaningful results for friction Reynolds numbers up to Reτ = 6·10⁵ and for Prandtl numbers from Pr = 0.025 to 50. Statistics of the wall shear stress are presented and the influence of pressure fluctuations is discussed. Based on these channel results, the non-breaking and breaking jet are simulated. While the former is a simplified case of a free-surface flow, the latter is of primary interest for spray formation and fuel injection. Detailed statistics of the TKE budgets and the breakup are presented. As the last case, the cloud top of a stratocumulus-topped boundary layer (STBL) was simulated. The case combines the interaction of an active and a passive scalar. It further combines the simulation of a stable and an unstable stratified region that suppresses and enhances turbulence respectively. The simulations reproduce the entrainment velocity and generate comparable mean and flux profiles compared to DNSs. N2 - Der stetige Optimierungsprozess industrieller Strömungen erfordert ein immer detaillierteres Verständnis der Turbulenzen innerhalb dieser Strömungen. Die benötigten Details können durch direkte numerische Simulationen (DNS) generiert werden, welche für die meisten industriellen Strömungen mit der heutigen Rechentechnik zu aufwändig sind. Daher ist es notwendig die Modellierungsmethoden basierend auf den Reynolds gemittelten Navier-Stokes Gleichungen (RANS) oder der Großskalensimulation (LES) zu verbessern. Alternativ können auch neue Modelle entwickelt werden, die die Dimensionen auf 2D oder 1D reduzieren. One dimensional turbulence (ODT), welches von A. R. Kerstein entwickelt und veröffentlicht wurde, ist ein Modell, welches 3D Simulationen auf eine 1D Linie durch das Strömungsgebiet reduziert. Durch die Reduktion der Dimensionen ist es möglich die Gitterauflösung zu erhöhen und selbst die kleinsten physikalischen Skalen zu simulieren. Um die Vor- und Nachteile des Modells bewerten zu können, ist es erforderlich ODT an verschiedensten Strömungen zu verifizieren. Innerhalb dieser Dissertation wurden Vergleiche zur einfachen Kanalströmung, zur Kanalströmung mit passivem Skalar und zur Kanalströmung mit einem fluktuierenden Druckgradienten durchgeführt. Diese Testfälle wurden aufgrund ihrer Einfachheit und Allgemeingültigkeit für industrielle Strömungen ausgewählt. Mit Hilfe von ODT konnten Kanalströmungen mit Reynoldszahlen bis Reτ = 6·10⁵ und Prandtlzahlen im Bereich von Pr = 0.025 bis 50 simuliert werden. Statistiken zum Wandschubgradienten werden päsentiert und der Einfluss von Druckfluktuationen diskutiert. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden weitere Untersuchungen zum Flüssigkeitsstrahl mit und ohne Tropfenbildung durchgeführt. Ohne Tropfenbildung kann der Flüssigkeitsstrahl als exemplarische Strömung für freie Oberflächen dienen. Hingegen bildet die Strömung mit Tropfenbildung die Basis für Simulationen von Aerosolen oder Einspitzvorgängen. Detaillierte Statistiken zu den Anteilen der TKE und der Tropfenbildung werden diskutiert. Als letzter Testfall wurde ein Ersatzsystem für eine atmosphärische Grenzschicht mit Stratokumulus-Wolken simuliert. Diese Strömung kombiniert einerseits die Simulation von zwei gekoppelten Skalaren, andererseits die Effekte von stabilen und instabilen Schichtungen, wobei erstere die Turbulenz unterbinden und letztere die Turbulenz anfachen. Bei den Skalaren ist einer aktiv und beeinflusst somit die Stabilität der Schichtung, während der andere passiv ist. Im Vergleich zur DNS konnte die Einmischungsgeschwindigkeit sowie die mittleren Profile und Flüsse reproduziert werden. KW - One-Dimensional Turbulence KW - ODT KW - Channel flow KW - Heat transfer KW - Smoke cloud KW - One-Dimensional Turbulence KW - ODT KW - Kanalströmung KW - Wärmeübertragung KW - Rauchwolke KW - Turbulente Strömung KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34952 ER - TY - THES A1 - Kangwanpongpan, Tanin T1 - Contribution to CFD modeling of lignite oxy-fuel combustion with special focus on radiation properties T1 - Beitrag zur CFD-Modellierung der Oxyfuel-Verbrennung von Braunkohle mit besonderem Schwerpunkt auf Strahlungseigenschaften N2 - Coal consumption shares approximately 1/3 of a total global primary energy consumption, therefore this will mainly impact to global warming situation in the 21th century. For this reason, the natural resource such as coal should be processed in the most efficient way. Today, we have several combustion technologies to serve this purpose and oxy-fuel combustion is one of efficient method. In oxy-fuel technology, car-bon dioxide (CO2) will be captured in the liquid form for storaging into the ocean or injecting into the rock-sediment underground.CFD is an effective tool to analyse and approximate combustion gas species, temperature and heat transfer properties in oxy-fuel furnace. However, an insight into mathematical models for oxy-coal combustion is still restricted from many unknowns such as devolatilization rate, reaction mechanism of volatile reaction, turbulent gaseous combustion of volatile product, char heterogeneous reaction, radiation properties of gaseous mixture and heat transfer inside combustion chamber and through furnace’s wall. Therefore, this dissertation aims to study mathematical modeling of lignite combustion under oxy-fuel conditions and also create new correlations for weighted sum of gray gases (WSGG) model for predictions of radiation properties of oxy-coal gas mixture. N2 - Kohle besitzt einen Anteil von circa einem Drittel am weltweiten Primärenergieverbrauch und hat daher einen großen Einfluss auf die globale Erderwärmung im 21. Jahrhundert. Aus diesem Grund sollte eine natürliche Res-source wie die Kohle auf höchst effektive Weise genutzt werden. Zu diesem Zweck sind mehrere moderne Technologien verfügbar. Bei der hier betrachteten Oxyfuel-Technologie wird das Kohlenstoffdioxid (CO2) im Ver-brennungsprozess angereichert und gesammelt, um später beispielsweise in flüssiger Form zur Lagerung in Ozeanen oder zur Injektion in unterirdische Gesteinssedimente genutzt zu werden. Zur Analyse und Abschätzung der Verbrennungsgaszusammensetzung, Temperatur und Wärmeübertragungseigenschaften in Oxyfuel-Feuerungen stellt CFD ist ein effektives Werkzeug dar. Dennoch ist der Zugang zu den mathematischen Modellen der Oxyfuel-Verbrennung auf zahlreiche Unbekannte wie Entgasungsrate, Reaktionsmechanismus der Flüchtigen, turbulente Gasverbrennung der Flüchtigen, heterogene Reaktion des Koks, Strah-lungseigenschaften des Gasgemischs und Wärmeübertragung in der Brennkammer und durch die Feuerraumwände weiterhin eingeschränkt. Daher zielt diese Dissertation darauf ab, die mathematische Modellierung der Braunkohleverbrennung unter Oxyfuel-Bedingungen zu untersuchen und ebenfalls neue Korrelationen für das Weighted Sum of Gray Gases (WSGG) Modell zur Vorhersage der Strahlungseigenschaften der Oxyfuel-Gasmischung aufzustellen. KW - Oxyfuel-Verfahren KW - Numerisches Modell KW - Numerische Strömungssimulation KW - CFD KW - Oxyfuel-Verbrennung KW - Strahlungsmodellierung KW - Braunkohle KW - CFD KW - Oxy-fuel combustion KW - Radiation modeling KW - Lignite Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27597 ER - TY - THES A1 - Schreiber, Matthias T1 - Modellierung von Hydrodynamik und Wärmeübertragung in blasenbildenden Wirbelschichten zur Trocknung von Braunkohle T1 - Modeling of hydrodynamics and heat transfer in bubbling fluidized beds for drying of lignite N2 - In der vorliegenden Arbeit wird die numerische Modellierung der Hydrodynamik und Wärmeübertragung in blasenbildenden Wirbelschichten bestehend aus Braunkohlepartikeln untersucht. Zur Validierung der aus den Simulationen extrahierten Daten stehen zwei verschiedene Versuchsanlagen zur Verfügung. In einem quasi-2D Wirbelschichtkaltmodell können hydrodynamische Größen gemessen werden. Mithilfe transparenter Vorder- und Rückwände der Wirbelschicht kann eine automatische Bildanalyse per Digital Image Analysis Technique (DIAT) durchgeführt werden, um die Eigenschaften der aufsteigenden Blasen ermitteln zu können. Eine weitere zylindrische Wirbelschichtanlage mit einem einzelnen, horizontal eingetauchten Rohr dient zur Bestimmung des Wärmeübergangs von dem Rohr in die Wirbelschicht. Der Wärmeübergangskoeffizient wird dabei über eine Sonde gemessen, welche die Ermittlung der lokalen Verteilung der Werte über dem Gesamtumfang ermöglicht. Als Wirbelgut wurde in beiden Versuchsanlagen abgesiebte Trockenbraunkohle verwendet. Dem eigentlichen Schwerpunkt der Arbeit wird eine Untersuchung zu Simulationsparametern und -gittern vorangestellt, um deren Einfluss auf die Ergebnisse abschätzen und passende Einstellungen ableiten zu können. Dies beinhaltet die Diskretisierung der konvektiven Terme in den Erhaltungsgleichungen, die gewählten Konvergenzkriterien und Zeitschrittweiten, die mindestens notwendigen Simulationsdauern und Mittelungszeiträume sowie die Auflösung und die Dimension des Rechengitters. Zur Modellierung der Hydrodynamik der Braunkohlewirbelschichten wird das Euler-Euler Two Fluid Model (TFM) unter Einsatz der Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) zur Modellierung der Rheologie der Feststoffphase angewendet und die wichtigsten partikelrelevanten Modellparameter und Submodelle untersucht. Die in Braunkohlewirbelschichten sowohl ohne als auch mit dicht gepackten Tauchheizflächen durchgeführten Vergleiche werden anhand der experimentell ermittelten Versuchsergebnisse validiert. Die individuelle Wirkung der unterschiedlichen Parameterwerte und Submodelle ist im Allgemeinen in freien Wirbelschichten größer und deutlicher voneinander abgrenzbar als in den Wirbelschichten mit den Strömungswiderständen. Deren Einfluss ist aufgrund ihrer dichten Anordnung dominierend. Von den untersuchten Größen stellt die Impulsaustauschfunktion den bedeutendsten Faktor zur adäquaten Beschreibung der Hydrodynamik der Wirbelschicht dar. Für die Untersuchung der Wärmeübertragung in Braunkohlewirbelschichten werden verschiedene Ansätze zur Modellierung der Wärmeleitfähigkeiten von Gas- und Feststoffphase betrachtet. Neben einem Standardmodell für die Wirbelschicht gehören dazu ebenfalls zwei unterschiedliche Methoden zur Einbeziehung von Effekten, die in unmittelbarer Nähe eingetauchter Oberflächen zu beachten sind und die lokale Wärmeleitfähigkeit der Gas-Partikel-Suspension beeinflussen. Die Simulationen mit den genannten Modellen zur Beschreibung der Wärmeleitfähigkeiten werden mittels globaler und lokaler Mittelwerte der sich ergebenden Wärmeübergangskoeffizienten an einem eingetauchten, horizontalen Einzelrohr miteinander und den experimentell gewonnenen Daten verglichen. Zusätzlich erfolgt eine Variation der Leerrohrgeschwindigkeit sowie eine getrennte Diskussion der gas- und partikelkonvektiven Anteile. Die Resultate zeigen, dass ein Wärmeleitungsansatz in der Nähe einer Übertragerfläche zu deutlich niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten als die anderen beiden führt, da er dort für die Feststoffphase geringere Wärmeleitfähigkeiten annimmt. Weiterhin kann in den Simulationen unabhängig von Partikeldurchmesser und Geschwindigkeit ein starker Abfall der erzielten Wärmeübertragung im Bereich der Rohrflanken beobachtet werden, welcher die größte qualitative Abweichung zwischen den Daten aus den Simulationen und Experimenten darstellt. In einer Diskussion werden die Gründe für diese Diskrepanz beleuchtet. N2 - In this work the numerical modeling of hydrodynamics and heat transfer in bubbling fluidized beds of lignite particles is investigated. For validating the extracted data from the simulations two different test rigs are available. In a pseudo-2D fluidized bed cold model hydrodynamic properties can be measured. With the help of transparent front and back walls a digital image analysis technique can be applied to measure the properties of the rising bubbles. A further cylindrical fluidized bed with a single horizontal immersed tube serves to determine the tube-to-bed heat transfer. The heat transfer coefficient is thereby measured by a probe, which allows the determination of the local distribution of the values along the whole perimeter. In both test rigs sieved dry lignite particles were used. An investigation of simulation parameters and grids in order to quantify their influence on the results and derive suitable settings was done preliminary to the main topic of the work. This includes the discretization of the convective terms of the governing equations, the chosen convergence criteria and time steps sizes, the minimum simulation and averaging time as well as the resolution and the dimension of the grid. To model the hydrodynamics of the lignite fluidized beds the Euler-Euler Two Fluid Model (TFM) and the Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) are applied and the main particle relevant model parameters and sub-models are investigated. The comparisons are done in fluidized beds with and without densely packed immersed tube bundles and validated with experimental data. The influence of the different parameters and sub-models is more evident and visible in fluidized beds without than with internal obstacles. From the investigated factors the inter-phase momentum transfer is the most important one to describe the hydrodynamics of lignite fluidized beds adequately. For the investigation of the heat transfer in lignite fluidized beds different approaches to model the heat conductivities of the gas and solid phase are considered. Besides a standard model two different methods to account for effects, which take place near to immersed surfaces and influence the local heat conductivity of the gas-particle-suspension, are included. The simulations are compared with each other and experimental data via global and local averages of the heat transfer coefficients from a single immersed horizontal tube to the fluidized bed. Additionally the superficial velocity is varied and the gas and particle convective contributions are discussed separately. The results show that one approach leads to significantly lower heat transfer coefficients than the other two, as it gives a lower heat conductivity of the solid phase. Furthermore, independent of particle diameters and velocities, a significant reduction of the heat transfer at the left and right side of the tube, which is the largest qualitative deviation between the simulations and the experiments, can be observed. In a discussion reasons for this discrepancy are given. KW - Braunkohle KW - Trocknung KW - Wirbelschichtverfahren KW - Hydrodynamik KW - Wärmeübertragung KW - Hydrodynamik KW - Wärmeübertragung KW - Blasenbildende Wirbelschicht KW - Braunkohle KW - Numerische Strömungssimulation KW - Hydrodynamics KW - Heat transfer KW - Bubbling fluidized bed KW - Lignite KW - Numerical simulation Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27263 ER - TY - THES A1 - Krautwald, Judith T1 - Entwicklung eines Thermogravimetrie-Reaktors zur simultanen Untersuchung von Reaktion und Desaktivierung heterogener Katalysatoren T1 - Development of a thermogravimetry reactor suitable for a simultaneously investigation of reaction and deactivation of heterogeneous catalysts N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines „Thermogravimetrie-Reaktors“, der als einfacher Ersatz für das Standardprobengefäß eine Zwangsdurchströmung in konventionellen Thermowaagen erlaubt. Die Vorteile gegenüber der Standardkonfiguration einer konventionellen Thermowaage werden anhand eines praktischen Beispieles, der Dehydrierung von Ethanol, aufgezeigt. Die Thermogravimetrie ist hervorragend zur kinetischen Untersuchung heterogen katalysierter Reaktionen geeignet, deren Desaktivierung mit einer Änderung der Katalysatormasse einhergeht (z.B. Verkokung). Während sich die Kinetik der Gasphasenreaktion aus der kontinuierlichen Analyse der Gasphase ermitteln lässt, folgt die Desaktivierungsgeschwindigkeit in solchen Fällen unmittelbar aus der zeitlichen Änderung der Katalysatormasse. Reaktion und Desaktivierung sind somit simultan und unter Reaktionsbedingungen untersuchbar. Trotz ihrer hohen Attraktivität für die Heterogene Katalyse werden konventionelle Thermowaagen für reaktionskinetische Untersuchungen bisher nur im geringen Umfang eingesetzt. In den meisten Fällen führen ungünstige Strömungsverhältnisse zum Auftreten einer Stofftransportlimitierung, wodurch die ermittelte Kinetik nicht oder nur bedingt auf andere Reaktoren übertragbar wäre. Bei einem neueren Modell wird sich der Vorteil der Zwangsdurchströmung durch hohe Wartungs- und Investitionskosten erkauft. Demgegenüber sind konventionelle Thermowaagen vergleichsweise günstig und genießen überdies eine sehr weite Verbreitung. Gelänge die Realisierung einer Zwangsdurchströmung in einer konventionellen Thermowaage, würde deren Flexibilität für reaktionskinetische Untersuchungen erheblich erweitert. Bliebe das Grundsystem hierbei erhalten, stünde zugleich eine äußerst preisgünstige Alternative zur Verfügung. Dadurch ließen sich an der Probe eindeutige Strömungsverhältnisse einstellen, wodurch das Anwendungsgebiet der weit verbreiteten Grundsysteme für reaktionskinetische Untersuchungen in einfacher Weise erheblich erweitert würde. Das war die Motivation für die vorliegende Arbeit. N2 - This thesis presents the development of and results from a “thermogravimetry reactor” which, as a simple substitute for the standard sample vessel, will enable forced flow in conventional thermobalances. Furthermore, the advantages compared to the standard configuration of a conventional thermobalance are explained through practical examples (the dehydrogenation of ethanol). Thermogravimetry is exceptionally well suited for the kinetic investigation of heterogeneously catalysed reactions in which deactivation simultaneously leads to a change of catalyst mass (as in the case with coking). While the kinetics of the gaseous phase reaction can be derived from continuous analysis of the gaseous phase, the speed of deactivation can in this case be directly derived from the change of catalyst mass over time. By this means, reaction and deactivation can be investigated simultaneously and under actual reaction conditions. Despite being highly attractive for heterogeneous catalysis, conventional thermobalances are so far rarely used for investigating reaction kinetics. In most cases, unfavourable flow conditions lead to mass transfer limitations, so the kinetics derived are not, or only under certain conditions, applicable for different reactors and conditions. In a new thermobalance model, the advantage of forced flow is balanced against high investment and maintenance costs. Conversely, conventional thermobalances are relatively cheap and widely used. If forced flow could be applied in conventional thermobalances, their flexibility for investigating reaction kinetics would be greatly extended. Furthermore, if the basic thermobalance could be preserved in the new apparatus, it would offer an extremely low-priced alternative, with similar capabilities to the newer, and more expensive versions. This was the motivation for the thesis. KW - Thermogravimetrie KW - Numerische Strömungssimulation KW - Chemischer Reaktor KW - Heterogene Reaktion KW - Thermogravimetrie-Reaktor KW - Numerische Strömungssimulation KW - Naphthalinsublimation KW - Dehydrierung von Ethanol KW - Katalysatorverkokung KW - Thermogravimetry reactor KW - Computational fluid dynamics KW - Sublimation of naphthalene KW - Dehydrogenation of ethanol KW - Catalyst coking Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-15262 ER - TY - THES A1 - Myrnyy, Volodymyr T1 - Generative Software-Entwicklung zur numerischen Strömungssimulation N2 - Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuen Strömungs-Simulators. Dabei werden die instationären Navier-Stokes-Gleichungen im inkompressiblen Fall und ohne Energie-Gleichung betrachtet und numerisch in zwei und drei Dimensionen gelöst. Die Frage der Wahl der numerischen Methoden stellt sich zwischen Finite-Volumen- (FVM) und Finite-Elemente-Methode (FEM), die im zweidimensionalen Fall für Delaunay-Triangulierungen und Raumdiskretisierungen niedriger Ordnung verglichen werden. Der Strömungs-Simulator wird nach Prinzipien der generativen Programmierung entwickelt. Sämtliche Daten werden auf statische (vor der Kompilierung bekannte) und dynamische (erst in der Laufzeit bekannte) Daten verteilt. Demzufolge wird ein Simulator in der Kompilierungszeit aus elementaren, wiederverwendbaren Software-Komponenten zusammengestellt. Darüber hinaus werden einige Teilberechnungen mit statischen Daten in der Kompilierungszeit durchgeführt. Damit erreicht man eine hohe Effizienz bezüglich CPU-Zeit und Speicher-Verbrauch. Diese neue Software wurde in der Programmiersprache C++ mit Template-Metaprogrammierung implementiert und wird als Generative Simulation Solver (GSS) bezeichnet. N2 - The dissertation deals with a development of a new fluid dynamics simulator. The unstationary incompressible Navier-Stokes equations are treated without energy equation and numerically solved in two and three dimensions. In order to choose a numerical method, finite volume (FVM) and finite element methods are compared in two-dimensional case for Delaunay triangulations and low order schemes. The fluid dynamics simulator is developed within the framework of generative programming. All the data is split into static (known before compilation) and dynamic (known during runtime only) data. Therefore, the simulator is built at compile-time from elementary reusable software components. More over, some preliminary computations are performed on static data at compile-time. As a result, we achieve high efficiency concerning CPU-time and memory usage. This new Software was implemented in C++ programming language using template metaprogramming and called Generative Simulation Solver (GSS). KW - Numerische Strömungssimulation KW - Softwareentwicklung KW - Strömungssimulation KW - Navier-Stokes-Gleichungen KW - Finite-Elemente-Methode KW - Generative Programmierung KW - Template-Metaprogrammierung Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000900 ER -