Refine
Document Type
- Doctoral thesis (8)
Has Fulltext
- yes (8)
Is part of the Bibliography
- no (8)
Keywords
- CFD (8) (remove)
Institute
- FG Thermodynamik / Thermische Verfahrenstechnik (3)
- FG Aerodynamik und Strömungslehre (1)
- FG Aufbereitungstechnik und Sekundärrohstofftechnologie (ehemals) (1)
- FG Numerische Mathematik und Wissenschaftliches Rechnen (1)
- FG Thermische Energietechnik (1)
- FG Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe (1)
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.
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.
Diese Dissertation befasst sich mit der numerischen Simulation von Verbrennung sowie Ruß- und NOx-Emissionen in Dieselmotoren.
Für die Rußsimulation wurde das detaillierte Rußmodell von Prof. Dr. F. Mauß angewandt, das auf einer Flamelet-Bibliothek basiert (engl. Flamelet Library of Sources – FLOS). Dabei wird die detaillierte Chemie a priori gelöst und tabelliert, wodurch eine Berücksichtigung von lokalen Chemie- und Turbulenzeffekten bei akzeptablen CPU-Rechenzeiten ermöglicht wird. Unter der berechtigten Annahme, dass die Rußchemie viel langsamer als die turbulenten Längenskalen im Strömungsfeld ist, können Rußreaktionsraten vorausberechnet und in der FLOS tabelliert werden. Des Weiteren wurde ein ähnlich gestaltetes NOx-Modell entwickelt, das auch auf einem Flamelet-Bibliotheksansatz basiert.
Eine große Herausforderung bei der Anwendung von Flamelet-Bibliotheksansätzen ist die Kopplung zum CFD-Code. Eines der Hauptziele dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode, mit der die Kopplung zum CFD-Code verbessert wird. Der vorgeschlagene Ansatz weist eine weitere Bibliothek auf, in der Temperaturprofile von stationären Flamelets tabelliert sind. Mithilfe dieser zusätzlichen Bibliothek kann das Flamelet ausgewählt werden, das genau den thermodynamischen Bedingungen und der Gemischzusammensetzung in der CFD-Zelle entspricht. Damit wird die Konsistenz zwischen FLOS und CFD-Code hinsichtlich Mischungs-bruch und Temperatur gewährleistet.
Weitere Optimierung der Kopplung zwischen FLOS und dem CFD-Code wurde durch die Berücksichtigung der lokalen Acetylenkonzentration erreicht. Das Rußmodell ist unabhängig von dem in der CFD-Software verwendeten Verbrennungsmodell. Somit werden die Verbrennungsvorgänge in der Gasphase vom Rußmodell nicht beeinflusst. Gleichzeitig wird das Rußmodell von der Gasphasenchemie nicht beeinflusst. Während der stationären Flamelet-Rechnungen ist die lokale Rußoberfläche, von der das Oberflächenwachstum direkt abhängt, nicht bekannt. Aus diesem Grund kann der Acetylenverbrauch durch Rußoberflächenwachstum in der FLOS nicht explizit berechnet werden. Deshalb wurde das Acetylen-Feedback eingeführt: eine Limitierung der Rußoberflächenwachstumsrate, die die lokale Acetylenkonzentration berücksichtigt.
Das FLOS-Modell und die neu entwickelten Ansätze wurden mit dem CFD-Code STAR-CD© gekoppelt. Das resultierende CFD-Paket wurde für dieselmotorische Verbrennungs- und Emissionssimulation eingesetzt. Der Schwerpunkt der numerischen Untersuchungen lag auf dem Einfluss der AGR-Rate und der Einspritzstrategie auf die Verbrennung und die dabei entstehenden Ruß- und NOx-Emissionen. In diesem Kontext wurde über die Qualität des CFD-Setups und der Verbrennungssimulation diskutiert, die für eine zuverlässige Rußsimulation erforderlich ist. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen und diagnostischen Daten verglichen und zeigen eine sehr gute Übereinstimmung für die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Betriebspunkte. Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial der verbrennungs-motorischen CFD-Simulation hinsichtlich Brennverfahrensoptimierung auf.
The environmental emergency has led to the development of new combustion technologies. In this context, flameless combustion (FC in this manuscript) offers the prospect of a less polluting and more efficient technology. In FC, combustion is strongly diluted with recirculated burnt gases. Consequently the oxygen content is reduced and temperature peaks are smoothed, yielding reduced heat release. These conditions dramatically reduce the conditions of NO pollutant formation and increase the efficiency of the combustion process. Being FC a relatively new technology, it still needs optimization and R&D, which can be expensive and time consuming. Potentially, CFD can reduce both the financial costs as well as the R&D projects length. The context in which this thesis is inserted is exactly the numerical modeling of FC, by using Large Eddy Smulations for its better prediction of the turbulent ternary mixing (fuel - burnt gases -air), compared to RANS. This work has been divided into two main parts. In the first, combustion in FC has been investigated by means of a new tabulated combustion model initially written in the context of the EC-KIAI project and developed and adapted to FC in this thesis. The model uses diluted homogeneous reactors DHR to simulate FC and it was developed to account for under adiabatic enthalpy losses and the ternary mixing typical of FC. The model was firstly validated on a non-premixed flame academical configuration called Flame D and subsequently on a real FC combustor from the work of Verissimo et al. The results obtained for these configurations are quite correct although some discrepancies in CO prediction are observed. In the second part of the thesis, the NO pollutant modeling in FC is investigated. With this aim, the Diffusion Flame - NO relaxation approach DF-NORA was developed. It consists in tabulating the NO relaxation towards equilibrium of the NO source term in a flamelet structure. As done in the first part, the model was first validated on Flame D and then employed in a real FC configuration. Results are quite satisfactory in both config- urations. The encouraging results obtained in this work open the possibility of applying the proposed developments to real industrial configurations in the future.
Single-use Bioreaktoren sind im biopharmazeutischen Umfeld etabliert und werden heute vor allem im F&E-Bereich sowie bei der klinischen Produktion von biopharmazeutischen Produkten eingesetzt. Für die Herstellung solcher Produkte werden vielfach die single-use Bioreaktoren von Sartorius Stedim Biotech (UniVessel® SU und der BIOSTAT® STR) und Thermo Scientific (S.U.B.) genutzt, deren Eignung auf Basis ihrer Strömungseigenschaften in dieser Arbeit diskutiert wird. Hierfür wird sowohl eine grundlegende als auch eine erweiterte, örtlich und zeitlich betrachtende verfahrenstechnische Charakterisierung durchgeführt. Die für Zellkulturbioreaktoren verfahrenstechnisch relevanten Parameter, wie der spezifische Leistungseintrag, die Mischzeit, der Sauerstoffübergang werden durch etablierte, experimentelle Methoden bis zu einem Maßstab von 50 L bestimmt. Mittels der örtlichen und zeitlich auflösenden numerischen Strömungsmechanik (engl.: Computational Fluid Dynamics, CFD) werden Prozessgrößen verglichen und detaillierte Strömungsverläufe beschrieben. Die experimentelle Betrachtung des Strömungsverhaltens und der Fluidgeschwindigkeiten sowie der Vergleich der experimentell und numerisch erhaltenen verfahrenstechnischen Parameter dienen der Validierung der CFD-Modelle bis zum 50 L Maßstab. Auf Basis der validierten CFD-Modelle erfolgt die numerische Bestimmung der verfahrenstechnischen Parameter für die unterschiedlichen single-use Bioreaktoren bis zu den jeweiligen maximalen Arbeitsvolumen von 1000 L (BIOSTAT® STR) bzw. 2000 L (S.U.B.). Aufgrund der verfahrenstechnischen Parameter sind die betrachteten single-use Kultivierungssysteme vergleichbar mit konventionellen Zellkulturbioreaktoren (aus Glas oder Edelstahl) und zeigen eine Skalierbarkeit auf. Eine detailliertere Betrachtung zur Maßstabsübertragung basiert auf den Mischzeit und den mittleren, lokalen Schergradienten. Beide Parameter zeigen eine Abhängigkeit zur Reaktor- und Rührergeometrie, zum spezifischen Leistungseintrag und zum Volumen, wodurch sich deren Bestimmung durch die Etablierung zweier Gleichungen für die aufgeführten single-use Bioreaktoren realisieren lässt. Die numerisch erhaltenen verfahrenstechnischen Parameter werden schließlich für die Prozessauslegung und -entwicklung eines Modellprotein-Produktionsprozesses mit CHO-Zellen herangezogen. Das üblicherweise eingesetzte Kriterium einer Maßstabsübertragung - der spezifische Leistungseintrag - zeigt dabei nur bedingt erfolgversprechende Ergebnisse für die Prozessauslegung auf. Hingegen werden mit den numerischen Mischzeiten und den mittleren, lokalen Schergradienten als Kriterien zur Maßstabsübertragung wesentlich höhere maximale Lebendzelldichten erhalten. Zusätzlich sind die gemessenen maximalen Lebendzellzahlen für die Labor- und Pilotmaßstäbe reproduzierbar. Des Weiteren wird für die Prozessentwicklung die Quantität der Proteinexpression des biphasischen Produktionsprozesses (mit CHO XM 111-10 Zellen) herangezogen. Nach der Proteininduktion mittels eines etablierten single-use Crossflow-Verfahrens werden Proteinkonzentrationen bis 60 U/mL gemessen. Die aus den Produktionsprozessen gewonnenen Resultate lassen dabei auf die vorteilhafte Nutzung der single-use Bioreaktoren von Sartorius Stedim Biotech schließen und zeigen die Möglichkeit einer CFD-basierten Prozessauslegung auf. Die numerische Herangehensweise kann resultierend auch als Grundlage für weitere moderne Produktionsprozesse, wie beispielsweise für die Stammzellexpansionen, dienen.
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.
This work is concerned with the study of two-dimensional inviscid flow. The main concern is the so-called "accuracy problem" of first-order upwind schemes in the low Mach number regime. The thesis is divided into two parts. In a preliminary chapter the governing thermodynamic and mechanical equations are introduced. The Navier-Stokes equations for viscous flow are presented because the concepts of fluid viscosity and Reynolds number are later needed in the context of artificial viscosity of numerical schemes. The Euler equations are introduced along with a single-scale asymptotic analysis for small Mach numbers. In the first part the behaviour of various first-order upwind schemes in the low Mach number regime is analysed with respect to a one-dimensional model case, where the two-dimensionality only remains in the shear waves of the local Riemann problem. The concepts of numerical viscosity and numerical Reynolds number are first introduced for the upwind method for the scaler linear advection equation. These concepts are then applied to Roe's scheme and the scheme by Harten-Lax-van Leer (HLL). The aim is to show that the accuracy problem can only be avoided, if all characteristic waves are resolved by the upwind scheme. Otherwise, the artificial viscosity on these waves is of the wrong order of magnitude dx/M and grows with decreasing Mach numbers, instead of being order dx. In the following chapter, various flux vector splitting methods are analysed in this respect. The analysis presented is verified with a number of numerical results. Comparisons with analytical solutions give a direct measure of the accuracy of the scheme; to this end we use the flow around a cylinder. As standard test case the flow around a NACA0012 aerofoil is used. The second part of the thesis is dedicated to two-dimensional flow. The numerical scheme of choice is based on Roe's approximate Riemann solver, which does not show the accuracy problem in the one-dimensional setting. Part II begins with broad numerical studies, which path the way to the analysis by giving answers to the following questions. How does the numerical behaviour of the scheme change, when the cells in a structured, body-fitted grid around a cylinder are continuously transformed from (almost) squares, via trapezoids to triangles? How important is the grid structure to the accuracy problem? Later we restrict the numerical investigations to structured grids with two different cell geometries: squares and rectangular triangles, which originate from the squares by adding a diagonal edge. On these types of finite volume cells the steady flow around a rectangle and the dissipative behaviour of an oblique contact layer is investigated. The moving Gresho vortex is simulated as an example of an unsteady flow simulation. All numerical studies suggest two things: firstly, the accuracy problem is linked to the momentum transport in shear flow and, secondly, this problem is absent if the finite volume cells are of triangular shape -- irrespective of the grid being structured or unstructured. The analysis begins with heuristic considerations. We investigate a special case of a divergence free flow with constant pressure and density on a Cartesian and a related triangular grid. Already here, the different form of the artificial viscosity term on square and triangular finite volume cells becomes evident. On Cartesian grids there is a decoupling of the artificial viscosity into horizontal and vertical direction. For non-trivial velocity fields the viscosity terms of order dx/M cannot vanish and cause the numerical error to grow for decreasing Mach numbers. On triangular grids there is no such decoupling: the artificial viscosity of order dx/M contains all jumps of the normal component of the velocity at the three cell interfaces. This suggests that the accuracy problem is absent because these jumps can completely vanish without constraining the velocity field to a trivial flow. The thesis closes with a proof of this proposal for the Roe scheme for steady low Mach number flow. Using asymptotic analysis of the semi-discrete equations, it is explicitly derived that the accuracy problem is avoided, if the Roe scheme is used on triangular finite volume cells. The accuracy of the scheme is accompanied by a constraint: the normal velocity does not jump at cell interfaces. This constraint leaves enough degrees of freedom for the velocity field as is shown with graph theoretic arguments.
A computational tool and a methodology for steady state heat exchanger simulations of recuperated gas turbines and aero-engines have been developed. As an example a compact tube bundle heat exchanger with oval shaped tubes was chosen. The simulation tool proved to work for different layouts of the heat exchanger and for different geometrical configurations of the gas turbine engine exhaust ducts. The resistance tensors were tuned against both CFD-data and experimental data and the computational model was to some extent validated against experimental results. For the validation isothermal experimental data from the Laboratory of Fluid Mechanics and Turbomachinery at the Technical University of Thessaloniki was used together with hot gas channel data from MTU. The calculated and measured velocity profiles showed an acceptable agreement that in some of the cases was even very good. The calculated pressure drop deviated less than 10% for the compared cases, which must be considered to be acceptable. The calculared results for the hot gas cases showed an exaggerated heat transfer rate, most likely due to the use of a cold side heat transfer correlation for fully turbulent flow, although the Reynolds numbersindicated transitional flow.