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Gasturbinen werden in der Energiewirtschaft zur Stromerzeugung eingesetzt und sind als Antriebe für moderne Flugzeuge aufgrund ihrer hohen spezifischen Leistungen und herausragenden Zuverlässigkeit nahezu alternativlos. Die aktuellen Entwicklungsziele werden neben der weiteren Steigerung des thermischen Wirkungsgrads zunehmend von der Steigerung der Flexibilität und der Verbesserung des Teillastverhaltens bestimmt. Mit neuartigen adaptiven Dichtungen, wie beispielsweise der axial adaptiven Gleitringdichtung mit Lufteinblasung (AFS), ist es möglich, geringe Spaltweiten über weite Betriebsbereiche einzuhalten und dabei einen berührungsfreien Betrieb der Komponenten bei minimaler Leckage zu gewährleisten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und numerische Ergebnisse zur Charakterisierung des Betriebsverhaltens einer AFS beschrieben. Im Fokus stehen die Ergebnisse zum transienten Schließverhalten, dem Folgeverhalten bei bewegtem Gehäuse und zu den Einflüssen von Anströmung und Rotation. Erstmals werden experimentelle Daten zur Druckkraft und Luftfilmsteifigkeit für das Luftlager des Dichtsystems bei drehendem Rotor präsentiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird auf das Strömungsfeld und die Validierung der numerischen Strömungssimulation eingegangen. Aus den experimentellen und numerischen Ergebnissen werden Berechnungsansätze für den stationären Betrieb abgeleitet und eine beispielhafte Auslegung des Dichtsystems durch Optimierung einzelner Komponenten diskutiert.

In this paper we will show a way to a paradigm shift in building automation. Air handling units (AHU) play an increasingly important role in the air conditioning of buildings and their energy consumption. Classical approaches in building automation use PID controllers to ensure stable, comfortable and energy efficient operation of AHUs. When using a PID controller, a disturbance is not compensated until it has already caused a measurable change, e.g. in the room temperature. The time from the occurrence of the disturbance to the detection of its influence on the room climate is decisive for the speed with which the control can compensate for the disturbance. The slower the detection, the greater the effect of the disturbance and associated with it, for example, the cost as well as the discomfort of overheating a room. We will show that it is possible to detect the intensity of a disturbance based on a thermal source without waiting for its effect on the room climate. An indicator will be used to estimate the intensity of the thermal sources, based on an evaluation of a high-frequency signal component of a temperature or air velocity measurement. In order to obtain this indicator and the necessary basic understanding, we investigate the relevant properties of thermal convection, as they can occur under comfortable conditions in room air conditioning, using the example of Rayleigh-Bénard convection (RBC). A rectangular geometry in 2D is heated from below and cooled from above at temperature differences that approximate the heat dissipation of people indoors. The goal is to determine whether structures can be identified in the resulting flow field that can be used to estimate the intensity of the heat sources driving the convection. The convection under the investigated parameters shows a deterministic chaotic behavior. In order to be able to consider the properties of this behavior prototypically and isolated from other disturbing or too specific influences, we use the Lorenz model. The focus is on the use of different approaches from the field of time series analysis and statistics to test which approach can be used validly and numerically inexpensive for the formation of the indicator. The use of the sample standard deviation will be established as an important first building block. In order to better assess the effects of geometry, measured quantity as well as evaluation time in the formation of the indicator, the RBC will be investigated in detail with a direct numerical simulation (DNS). It will be shown that the use of the sample standard deviation allows to estimate the intensity of the convection with a linear approach with a high statistical confidence. The theoretical findings from the Lorenz model and the DNS will be complemented by measurements under laboratory conditions. It is shown that a transfer of the evaluation methods to a three-dimensional space geometry is possible by using a suitable measurement technique. Qualitative agreements on the specific properties, especially in the difference between an air velocity and a temperature measurement to the simulated data, underline the goodness of this broadly performed analysis. Finally, we will show that people can also be detected as real heat sources with the indicator and that, under this condition, it is possible to demonstrate the effects on operational safety and the possible cost savings on a model. In the model, the indicator is applied as a basis for a new model predictive (MP) control concept. It is shown that an improvement of the control performance as well as a reduction of the operation management costs can be realized. The main innovation of the concept is the reduction of the degree of difficulty of the controlled system in case of disturbance. This approach offers a wide range of applications, the full potential of which still needs to be further developed., Wir werden in dieser Arbeit einen Weg zu einem Paradigmenwechsel in der Gebäudeautomation aufzeigen. Raumlufttechnische (RLT-)Anlagen nehmen eine zunehmend bedeutsame Rolle in der Klimatisierung von Gebäuden und deren Energieverbrauch ein. Klassische Ansätze in der Gebäudeautomation verwenden PID-Regler um einen stabilen, behaglichen und energieeffizienten Betrieb von RLT-Anlagen zu gewährleisten. Bei der Verwendung eines PID-Reglers wird eine Störung erst dann kompensiert, wenn sie bereits eine messbare Änderung z.B. der Raumtemperatur verursacht hat. Der Zeitpunkt vom Auftreten der Störung bis zur Feststellung ihres Einflusses auf das Raumklima ist entscheidend für die Geschwindigkeit, mit der die Regelung die Störung ausgleichen kann. Je langsamer die Detektion erfolgt, desto größer ist die Auswirkung der Störung und entsprechend z.B. Kosten oder Unbehaglichkeit bei Überhitzung des Raumes. Wir werden zeigen, dass es möglich ist, die Intensität einer auf thermischen Quellen basierenden Störung zu detektieren, ohne ihre Auswirkung auf das Raumklima abwarten zu müssen. Es wird dabei ein Indikator verwendet, welcher die Intensität der Wärmequellen abschätzt, basierend auf einer Auswertung eines hochfrequenten Signalanteils einer Temperatur- bzw. Luftgeschwindigkeitsmessung. Um diesen Indikator und das notwendige Grundlagenverständnis zu erlangen, untersuchen wir die relevanten Eigenschaften der thermischen Konvektion, wie sie unter behaglichen Bedingungen in der Raumklimatisierung auftreten können, anhand des Beispiels der Rayleigh-Bénard-Konvektion (RBK). Dabei wird eine rechteckige Geometrie in 2D bei Temperaturdifferenzen, die näherungsweise der Wärmeabgabe von Personen in Innenräumen nachempfunden sind, von unten beheizt und von oben gekühlt. Damit soll geprüft werden, ob in dem dabei entstehenden Strömungsfeld Strukturen erkennbar sind, anhand derer die Intensität der die Konvektion antreibenden Wärmequellen abgeschätzt werden kann. Die Konvektion unter den betrachteten Parametern zeigt ein deterministisch chaotisches Verhalten. Um die Eigenschaften dieses Verhaltens prototypisch und isoliert von sonstigen störenden oder zu spezifischen Einflüssen betrachten zu können, verwenden wir das Lorenz-Modell. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt dabei in der Verwendung verschiedener Ansätze aus dem Bereich der Zeitreihenanalyse und Statistik, um zu prüfen, welche Methode valide und numerisch kostengünstig für die Bildung des Indikators genutzt werden kann. Die Verwendung der Stichprobenstandardabweichung wird sich dabei als wichtiger erster Baustein herausstellen. Um die Auswirkungen der Geometrie, Messgröße sowie Auswertungsdauer bei der Bildung des Indikators besser beurteilen zu können, wird die RBK mit einer direkten numerischen Simulation (DNS) eingehend untersucht. Dabei wird sich zeigen, dass die Verwendung der Stichprobenstandardabweichung es ermöglicht, die Intensität der Konvektion mit einem linearen Ansatz und einer hohen statistischen Sicherheit abzuschätzen. Die theoretischen Erkenntnisse aus dem Lorenz-Modell und der DNS werden durch Messungen unter Laborbedingungen ergänzt. Dabei zeigt sich, dass eine Übertragung der Auswerteverfahren auf eine dreidimensionale Raumgeometrie unter Verwendung einer geeigneten Messtechnik möglich ist. Qualitative Übereinstimmungen zu den spezifischen Eigenschaften insbesondere im Unterschied zwischen einer Luftgeschwindigkeits- und einer Temperaturmessung zu den simulierten Daten unterstreichen die Güte dieser in der Breite durchgeführten Analyse. Abschließend werden wir zeigen, dass auch Personen als reale Wärmequellen mit dem Indikator detektiert werden können und es unter dieser Voraussetzung möglich ist, die Auswirkungen auf die Betriebssicherheit sowie die mögliche Kostenersparnis an einem Modell aufzeigen. In dem Modell wird der Indikator als Basis für eine neues Modellprädiktives (MP) Regelungskonzept angewendet. Dabei zeigt sich, dass sowohl eine Verbesserung der Regelgüte als auch eine Reduktion der Betriebsführungskosten realisiert werden kann. Die wesentliche Neuerung des Konzeptes besteht in der Reduktion des Schwierigkeitsgrades der Regelstrecke im Störfall. Dieser Ansatz bietet ein breites Anwendungsspektrum, dessen volles Potential es noch weiter zu erschließen gilt.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Verdrängerpumpenprinzipien für die Applikation in Automatikgetrieben durch numerische und experimentelle Untersuchungen miteinander verglichen und bewertet. Neben der einphasigen Ölförderung wird insbesondere auch der mehrphasige Betrieb mit verschiedenen Luftvolumenfraktionen im Öl betrachtet, da diese Betriebszustände in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Durch die Evaluierung der systemseitigen Anforderungen der Getriebesysteme und deren Gewichtung für verschiedene Anwendungsfälle kann das breite Feld der Verdrängerpumpen durch eine umfangreiche theoretische und empirische Bewertungssystematik auf eine Vorauswahl von drei Pumpenprinzipien eingegrenzt werden: die doppelhubige, symmetrische Flügelzellenpumpe, die vollkompensierte Innenzahnradpumpe und die sogenannte Tumbling Multi Chamber (TMC)-Pumpe, eine neuartige Zahnradpumpe mit einer dreidimensionalen, axial angeordneten Verzahnung. Für die Berechnung der dispersen Öl-Luft-Mehrphasenströmung wird eine CFD-Methode auf Grundlage eines inhomogenen Euler-Euler Ansatzes genutzt. Herausfordernd sind hier die engen Spalte in den Verdrängerpumpen, in denen hohe Druckgradienten und Strömungsgeschwindigkeiten zu numerischen Instabilitäten führen können. Anhand eines vereinfachten 2D-Modells der Flügelzellenpumpe werden Grundlagenuntersuchungen zur Gitterkonvergenz sowie zu Modellparametern und Modellsensitivitäten durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass vor allem der mittlere Luftblasendurchmesser der dispersen Phase einen großen Einfluss auf die numerische Lösung hat. Die grundsätzlichen Effekte in den Betriebscharakteristiken der Pumpe, die aus einer Luftvolumenfraktion im Öl resultieren, können auch anhand des 2D-Modells vorhergesagt werden. Freie Luft führt zu deutlich höheren Druck- und Massenstrompulsationen am Auslass. Weiterhin sinkt durch die erhöhte Kompressibilität des Öl-Luft-Gemischs das notwendige mittlere Antriebsdrehmoment. Es zeigt sich ebenfalls, dass die größten Luftanteile in den Förderkammern aufgrund des radialen Druckgradienten bei den kleinsten Radien transportiert werden. Die für die drei Pumpen anhand der numerischen Modelle vorhergesagten Charakteristiken zeigen eine gute Übereinstimmung mit den generierten experimentellen Daten. Abweichungen ergeben sich hauptsächlich durch die Annahmen für die Spalthöhen in den Simulationen. Hier zeigen sich vor allem bei den Druckpulsationen Unterschiede zwischen experimentellen und numerischen Daten. Trotzdem können mithilfe der zwei verwendeten numerischen Konfigurationen nahezu alle relevanten Charakteristiken der Pumpen vorhergesagt und miteinander verglichen werden. Zusätzlich liefern die experimentellen Daten ebenfalls ergänzende Informationen über die Betriebscharakteristiken. Eine Herausforderung bei den experimentellen Versuchen ist vor allem die Erfassung der von der Pumpe verursachten Druckpulsationen, da bei der Messung auch Schwinganteile des angeschlossenen Hydrauliksystems und des Antriebs auftreten und es zu Reflexionen im Messbereich kommen kann. Weiterhin ist die korrekte Generierung und Messung der Phasenmorphologie der dispersen Luftphase ein weiterer Punkt, an dem für eine bessere Übereinstimmung von numerischen und experimentellen Daten weiterführend gearbeitet werden sollte. Unter Berücksichtigung aller numerischen und experimentellen Daten zeigt sich, dass vor allem die Flügelzellenpumpe und die Innenzahnradpumpe für den Einsatz in zukünftigen Getriebegenerationen gut geeignet sind. Beide zeigen hohe Wirkungsgrade und geringe Volumenstrom- und Druckpulsationen. Die TMC-Pumpe erreicht aufgrund ihrer geringeren Anzahl an Verdrängerkammern, ihrer komplexen Spaltgeometrie und ihres kleineren Kompressionsverhältnisses deutlich niedrigere Wirkungsgrade und weist höhere Druck- und Volumenstrompulsationen und eine wenig drucksteife Fördercharakteristik auf. Vor allem im Betrieb mit Luft wirkt sich das kleine Kompressionsverhältnis der TMC-Pumpe stark negativ aus. Grundsätzlich lässt sich aus den Untersuchungen schlussfolgern, dass für den Betrieb mit freier Luft ein möglichst großes Kompressionsverhältnis vorteilhaft ist. Weiterhin erreicht die TMC-Pumpe durch hohe Druckverluste im Saugbereich früh die Kavitationsgrenzdrehzahl und ist daher für hohe Drehzahlbereiche im jetzigen Design nicht geeignet. Der große Vorteil der TMC-Pumpe gegenüber den beiden anderen untersuchten Pumpen ist die Möglichkeit, die Pumpenbauteile aus Kunststoff zu fertigen und so eine deutliche Kosteneinsparung zu erreichen. Daher sollten mögliche Optimierungspotenziale, die zu einer vergleichbaren Leistung der TMC-Pumpe entsprechend der beiden anderen Pumpen führen, weiter untersucht werden., In the scope of this work, different positive displacement pump principles for application in future automatic transmission systems are evaluated and compared using numerical and experimental methods. In addition to operation with pure oil, a multiphase operation with different inlet gas volume fractions of free air in the oil is considered, as these multiphase pumping conditions will occur more frequently in the future and thus gain in importance. By deriving the system requirements and ranking them according to their importance for three different transmission system applications, the broad field of positive displacement pumps can be narrowed down to a preselection of three pump principles by means of an extensive theoretical and empirical-based evaluation: the double-stroke, balanced vane pump, the fully compensated internal gear pump and the so-called Tumbling Multi Chamber (TMC) pump, a gear pump with three-dimensional, trochoidal gears, which are aligned axially. A CFD methodology based on an inhomogeneous Euler-Euler approach is used to predict the dispersed oilair multiphase flow. The main challenge here is presented by resolving the narrow clearances in the positive displacement pumps. Due to the high pressure gradients and velocities numerical instabilities often occur here. By using a simplified 2D model of the balanced vane pump, fundamental investigations concerning the grid convergence as well as on model parameters and sensitivities are conducted. It can be shown that especially the assumption for the mean air bubble diameter of the dispersed phase has a large impact on the numerical solution. The fundamental phenomena in the operating characteristics of the pumps resulting from an inlet gas volume fraction of free air in the oil can be predicted by the 2D model. Air in the oil leads to significantly higher outlet pressure and mass flow pulsations. Furthermore, the necessary mean driving torque decreases due to the increased mixture compressibility. It can also be shown that the highest air volume fractions in the enclosed conveying chambers are transported at the smallest radii due to the radial pressure gradient. The operational characteristics predicted for the three pumps using the numerical models show a good fit with the obtained experimental data. Deviations are mainly caused by the assumptions for the gap heights in the numerical simulations. Especially in the pressure pulsation signals, deviations between experimental and numerical data can be observed. Nevertheless, with both numerical configurations used, almost all relevant operational characteristics of the pumps can be predicted and compared. In addition, the experiments also provide valuable, additional data regarding the operating characteristics. The main challenge in the experimental measurements lies in the recording of the pressure pulsations caused by the pumps since vibrations of the connected hydraulic circuit and the driving engine are also recorded in the measurement and pressure reflections can occur in the measurement section. In addition, the generation and measurement of the phase morphology of the dispersed air phase is another point on which further work should focus to achieve a better agreement of numerical and experimental data. Considering all the obtained numerical and experimental data, it can be concluded that the balanced vane pump and the internal gear pump in particular are well suited for application in future generations of transmission systems. Both show high efficiencies and low flow and pressure pulsations. Due to its comparatively smaller number of displacement chambers, its complex gap geometry and its low compression ratio, the TMC pump reaches significantly lower volumetric efficiencies and shows higher pressure and flow pulsations and a less pressure-stiff conveying characteristic than both other pumps. Especially in operation with free air, the large dead volumes in the rotor and the resulting low compression ratio of the TMC pump have a strong negative effect. In general, it can be concluded from the investigations, that a high compression ratio is advantageous for operation with free air. Furthermore, the TMC pump reaches the cavitation limit quite early due to high pressure losses in the suction area and therefore is not suitable for operation at high rotational speeds in the current development status. The major advantage of the TMC pump over the other two pumps investigated is the possibility of manufacturing its components from plastic, thus achieving significant cost savings. Therefore, possible optimization potentials leading to a comparable performance of the TMC pump in line with the other two pumps should be further investigated.

Diese Arbeit betrachtet die Transportvorgänge bei der Pyrolyse von Biomasse in der PYTHON – einer Technikumsanlage mit einer maximalen Kapazität von 20 $kg\ h^{-1}$ Biomasse. Erste Untersuchungen zu dieser Thematik wurden von Kornmayer [1] durchgeführt. Im Zuge seiner Dissertation erfolgte eine Charakterisierung der Pyrolyse im Doppelschneckenmischreaktor der PYTHON-Versuchsanlage anhand eines Blackbox-Verfahrens, d.h. der Betrachtung der ein- und ausgehenden Massen- und Energieströme, ohne nähere Betrachtung der inneren Vorgänge. Daran anknüpfend betrachtet diese Arbeit die Stoff- und Energietransportvorgänge im Doppelschnecken-mischreaktor. Aufgrund der Reaktionsbedingungen von 500 $°C$, der Reaktivität der Produkte und der unbekannte Einfluss der Geometrie auf das Partikelverhalten, ist es nicht möglich komplexere Messungen am Reaktor im Betrieb durchzuführen. Aus diesem Grund wurde ein numerischer Ansatz gewählt. In einem ersten Schritt wurde das Misch- und Transportverhalten der beteiligten Feststoffpartikel im Doppelschneckenmischreaktor mittels Diskrete-Elemente-Methode untersucht. Im Vorfeld wurden mehrere Schritte zur Optimierung der Simulationsqualität unternommen. Zunächst wurde im Rahmen einer Charakterisierung von Weizenstroh die Partikeldichte, d.h. die Materialdichte inklusive Porenvolumen, die Partikelgrößenverteilung und die Partikelform ermittelt. Weitere Parameterstudien hatten die Optimierung der Reib- und Rollreibwerte zum Ziel. Darüber hinaus wurden Modelle angepasst, um den Wärmeübergang nach Schlünder [2] effektiv approximieren zu können. Unter diesen Vorbetrachtungen wurden Studien für einen Werkzeug-Froude-Bereich von 0.1 < $Fr_W$ < 2.0 durchgeführt. Dabei konnten Verblockungen im unteren Drehzahlbereich (< 2 $rpm$) beobachtet werden. In höheren Drehzahlbereich (> 3 $rpm$) konnte eine leichte Entmischung beobachtet werden. Des Weiteren ist die Verweilzeit in diesem Bereich nicht ausreichend, um den Wärmeübergang abzuschließen, sodass ein Wärmeübergang selbst am Reaktorende erkennbar war. Generell konnte beobachtet werden: je höher die Drehzahl, desto höher der Wärmeübergangskoeffizient und desto niedriger die Verweilzeit, sodass ein Wert von 2.5 $rpm$ einen guten Kompromiss darstellt. Bei allen Untersuchungen des aktuellen Aufbaus konnte eine nachteilige Rückvermischung des Wärmeträgers in den Biomasse-Transportbereich festgestellt werden. Ein Effekt, der bei vertauschter Biomasse-/Wärmeträgerzugabereihenfolge, d.h. Biomasse zu Wärmeträger, nicht beobachtet werden konnte. Vorhergehende Erkenntnisse in Bezug auf Verweilzeit, Wärmeübergang und Verblockung konnten ohne Einschränkung auf die vertauschte Zugabereihenfolge übertragen werden. Jedoch zeigte sich bei 2 $rpm$, dass der Mischeffekt des Reaktors zu schwach ausfällt, sodass sich ein kompaktes Paket bildet, das in Schlieren durch den Reaktor wandert und den Wärmeübergang auf diese Weise hemmt. Weitere Studien bzgl. des Biomasse-/Wärmeträgerverhältnisses bestätigen den zu erwartenden Sachverhalt. D.h. mit sinkendem Biomasseanteil steigt der maximale Wärmeübergangskoeffizient. Jedoch wird auch ersichtlich, dass mit sinkendem Biomasseanteil die Rückvermischung zum dominanten Effekt beim Wärmeübergang wird. D.h. Wärmeträger dringen bis in den Biomassezugabebereich und geben auf dem Weg dorthin ihre thermische Energie an die Biomasse ab, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen Biomasse und Wärmeträger sinkt. Die bisherigen Untersuchungen wurden unter Vernachlässigung der Reaktionstechnik oder der fluiden Phase unternommen. Um beide Effekte betrachten zu können, musste in die DEM-Simulation ein Reaktionsmodell implementiert und dies um die Strömungssimulation erweitert werden. Dazu wurde die inkompressible Strömungsbehandlung (cfdemSolverPiso) um die Kompressibilität erweitert und mit einem PaSR-Reaktionsmodell (Partially stirred reactor) kombiniert. Darüber hinaus wurden mehrere Methoden zur Darstellung der co-rotierenden, ineinander kämmenden Schnecken getestet. Nur ein einziges Verfahren - das Brinkmann-Strafverfahren, erfüllte die Anforderungen an Stabilität und Genauigkeit und wurde implementiert. Darüber hinaus wurde eine zweistufige Studie bzgl. der Reaktionstechnik bei der Pyrolyse von Weizenstroh durchgeführt, mit dem Ziel ein geeignetes Reaktionsnetzwerk und die dazugehörenden Parameter zu bestimmen. Dazu wurden Methoden der Parameterschätzung gewählt, um die Reaktionsparameter anhand einer TG-Analyse und die molaren Massen der Pyrolyseprodukte anhand der Verweilzeitverteilung in einem semikontinuierlichen Bach-Pyrolysereaktor, zu bestimmen. Die Modellgüte war in beiden Fällen $R^2$>0.91. Aufgrund des numerischen Aufwandes wurde nur eine Simulation bei 2 $rpm$ durchgeführt. Dabei konnte ein Massen- und Energieverlust von rund 10$%$ beim Übertrag von DEM auf CFD beobachtet werden konnte. Dies ist auf eine Interaktion mit dem Brinkmann-Strafverfahren zurück zu führen. Dennoch konnte beobachtet werden, dass die Rückvermischung bis in den nicht-begleitbeheizten Biomasse-Transportbereich hineinragt und dort zu einer nachteiligen Abkühlung der Wärmeträger führt. Des Weiteren konnte ein lokaler Versatz des Wasser-Verdampfungsbereichs und des Reaktionsbereichs festgestellt werden, sodass durch eine Modifikation des Auslassbereichs Einfluss auf die Produktqualität genommen werden kann. Eine Betrachtung des Reaktionsverlaufes im Reaktor zeigt, dass die Verweilzeit nicht ausreicht, um Biomasse vollständig zu zersetzen. Weder beim thermisch stabilen Lignin, noch bei der Cellulose konnte eine wesentliche Zersetzung beobachtet werden. Eine Sensitivitätsanalyse der Reaktionskinetik, bei der Reaktionen mit konstanten Temperaturen und in einem breiten Temperaturbereich betrachtet wurden, bestätigt diese Aussage. TG-Analysen weisen Heizraten von bis zu 50 $K\ min^{-1}$ auf. Bei der Schnellpyrolyse von Biomasse können Heizraten von über 500 $K\ s^{-1}$ beobachtet werden, sodass ein abweichendes Reaktionsverhalten durch den Übertrag von TGA auf die Schnellpyrolyse nicht auszuschließen ist. Jedoch weisen die aktuellen Daten darauf hin, dass eine Verlängerung der Verweilzeit im Reaktor erforderlich ist. Diese kann aufgrund der engen optimalen Betriebsbedingungen nur durch eine Verlängerung des Reaktors erzielt werden.

The abatement of the anthropogenic climate change and dependency on fossile energy carriers are two of the greatest challenges, which mankind has to overcome in the current century. The approach of utilization of as much as possible renewable sources for a sustainable energy supply holds many challenges for the established supply structures as well. Especially the temporal and local balance of renewable energies seems to be an important obstacle in the terms of the energy transition. Synthetic fuels can contribute to this balance by providing renewable energies to the transport sector via the concept of sector coupling. Methanol prevails to be in a key role, whether utilized as an alternative fuel or as base chemical for the production of advanced alternative fuels. The topic of this PhD-thesis is to analyze different pathways for the renewable production of methanol. The focus of this analysis is set to the developed reactor concepts. A study of potential reactors evaluates the different concepts from a point of view of the synthesis process. In this study CFD-models will be developed to perform detailed analyses with changing boundary conditions. The CFD-models of the reactors have to combine different aspects in the modeling process. In terms of modeling the reaction kinetics of the CO2-based methanol synthesis three Langmuir-Hinshelwood models are selected: Graaf [1], Bussche and Froment [2] and by Seidel et al. [3]. The mass transport is modeled by the concept of catalyst efficiencies. The model by Graaf [1] is selected to be used in further studies, because it shows the best agreement with the experimental data from an industrial reactor and and the prediction of the chosen reference case seems to be the most reasonable. The frame of this potential study includes simulations of quasi-isothermal tube reactors like the Lurgi-type reactor, the Mitsubishi-Superconverter und an innovative membrane reactor. The quench reactor is integrated in this study as well. Tailormade optimization strategies are applied to the diverse reactor concepts, which show the intrinsic advantages of the reactor concepts to optimize the production of methanol. Furthermore, fluid dynamic analyses are used to determine the potential of application of fluidized bed and slurry bubble coloumn reactors in methanol synthesis processes. In the end the membrane reactor shows the greatest potential to overcome the challenges of CO2-based methanol synthesis by an in-situ capture of water

In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozesskette entwickelt, mit deren Hilfe aerodynamische numerische Optimierungen eines Hochdruckverdichters unter Berücksichtigung mehrerer relevanter Betriebspunkte effizient durchgeführt werden können. Dazu werden zwei Parametriken erarbeitet und implementiert, um neben den konventionellen Beschaufelungsparametern auch die betriebspunktspezifische Stellung der Verstellstatoren und deren Verstellgesetz als freie Parameter berücksichtigen zu können. Um die für die Optimierung nötigen Sensitivitätsinformationen des 17 Schaufelgitter umfassenden Hochdruckverdichter effizient bestimmen zu können, wird auf das Adjungiertenverfahren zurückgegriffen. Dieses entkoppelt den Aufwand zur Bestimmung der Gradienteninformation von der Anzahl der freien Parameter nahezu. Der rechenintensive Teil der Prozesskette, die Strömungslösung und -auswertung, wird mit dem diskret adjungierten Strömungslöser adjointTRACE und dem Auswertewerkzeug adjointPOST durchgeführt. Die auf einem Fixpunkt-Ansatz beruhende Vorgehensweise zur Lösung der adjungierten Gleichung ermöglicht eine konsistente adjungierte Strömungslösung, deren Konvergenzrate derjenigen der primalen Strömungslösung entspricht. Die Validierung der Sensitivitätsinformationen, auf Basis der im Rahmen der Arbeit entwickelten Prozesskette, wird in einem Vergleich zum Ansatz der Finiten Differenzen erfolgreich durchgeführt. Mithilfe der validierten Prozesskette können erfolgreich Mehrpunktoptimierungen mit dem Ziel durchgeführt werden, den Pumpgrenzabstand an einem der betrachteten Betriebspunkte deutlich zu vergrößern. Die durch die neu implementierten Verstellgitterparametriken verbesserten Optimierungsergebnisse zeigen dabei deutlich den Einfluss und das Potential modifizierbarer Statorverstellwinkel im Auslegungsprozess. Die Durchlaufzeiten der durchgeführten Optimierungen können aufgrund der erarbeiteten Prozesskette um Faktor vier bis zehn verglichen zur konventionellen Vorgehensweisen reduziert werden. Die noch stärker verkürzten Rechenaufwände gemessen in CPU-Zeit belegen die Notwendigkeit der Verwendung des Adjungiertenverfahrens für aerodynamischen Optimierungsaufgaben mit mehreren hundert Parametern und wenigen Nebenbedingungen., In the present thesis a process chain is developed, which is capable of being efficiently used in aerodynamic numerical optimizations of an high pressure compressor with respect to several relevant load cases. Two parametrizations are developed and implemented to take the load case specific positions of variable stator vanes and their schedule into account. To efficiently determine the necessary sensitivity information of the 17-row high pressure compressor, the adjoint method is used. The adjoint method makes the computational costs to calculate the gradient information almost independent of the number of free variables. The most expensive part of the process chain, the flow solution and its postprocessing, are executed with the help of the discrete adjoint flow solver adjointTRACE and the postprocessing tool adjointPOST, respectively. The chosen fixed point approach for the solution of the adjoint equation offers a consistent adjoint flow solution, which convergence rate is that of the underlying primal solver. The validity of the sensitivity information, gathered with the help of the developed process chain, is executed in comparison to the method of finite differences. With the help of this validated process chain, multi-point optimizations with the aim of improving the surge margin at a distinct load case, can be accomplished. The new implemented variables on the variable stator vanes are shown to offer better optimization results and point out the influence and the potential of the modified vane angles in the design process. Throughput times of the accomplished optimizations can be reduced due to the adjoint method by factor four to ten compared to the conventional approach. The even more reduced CPUtimes prove the necessity of the adjoint method for aerodynamic optimizations with several hundred parameters and few constraints.

In dieser Arbeit wird mit Hilfe numerischer Methoden die Geräuschcharakteristik von Flügelzellenpumpen in Getriebeanwendungen von der anregenden Pumpeninnenströmung bis zum abgestrahlten Luftschall modelliert. Dafür wird ein kombinierter CFD-FEM Ansatz gewählt. Eine 3D Simulation der Pumpe dient zur Berechnung der Strömung. Diese ist als URANS Simulation ausgeführt, wobei die Netzbewegung mit einer Morphing-Methode realisiert wird. Die Ergebnisse dieses Modells werden mit Kammerinnendruckmessungen einer Verdrängerkammer der Flügelzellenpumpe validiert. Für die Validierung werden verschiedene Betriebspunkte und deren Einfluss auf den Druckverlauf in einer Verdrängerkammer analysiert. Mit Hilfe dieses Modells werden die Ursachen für Druckschwankungen und -stöße während des Pumpenbetriebs untersucht. Optimierungspotenziale zeigen sich vor allem beim Übergang einer Verdrängerkammer vom Druckauslass zurück zum Saugeinlass. Der dort entstehende Druckstoß kann durch eine Modifikation nahezu komplett vermieden werden. Mit weiteren Untersuchungen einer Mehrphasenströmung werden Stellen, an denen sich hohe Luftanteile im Pumpenbetrieb sammeln, aufgezeigt. Außerdem werden die Auswirkungen von freier Luft im Öl auf den Druckverlauf in einer Verdrängerkammer, auf den volumetrischen Wirkungsgrad und auf das durch Fluidkräfte verursachte Drehmoment dargestellt. Die resultierende Kraft auf den Innenflächen der Flügelzellenpumpe wird genutzt, um die korrekte Übertragung der Strömungsvariablen vom Netz der CFD Simulation auf das Netz der FEM Simulation zu gewährleisten. Die für die Interpolation zwischen den Netzknoten verwendeten Parameter werden anhand dieses Kriteriums kalibriert. Eine angemessene Wahl der Zeitsignallänge und Zeitschrittweite für eine geeignete Frequenzauflösung des Drucksignals wird ebenso vorgestellt. Die nachfolgenden strukturmechanischen und vibroakustischen Simulationen nutzen die Anregungsgrößen aus der Strömung als Last. Verschiedene Randbedingungen des strukturmechanischen Modells werden im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Zur Validierung des Modells werden Beschleunigungs- und Luftschallmessungen in einem Halbfeldraum herangezogen. Während die berechneten Beschleunigungswerte am Pumpengehäuse in der Größenordnung der gemessenen Werte liegen, zeigen sich im prognostizierten Luftschall starke Abweichungen. Diese Abweichungen werden unter anderem durch die Diskrepanz zwischen dem Simulationsmodell und dem Prüfstandsaufbau verursacht. Die Anbauten und Schläuche am Prüfstand sowie das angeschlossene Hydrauliksystem sind in der Simulation nicht abgebildet. Die qualitative Veränderung der Geräuschcharakteristik durch verschiedene Anregungsgrößen kann durch das Simulationsmodell jedoch erfasst werden. Untersuchungen mit dem Modell zeigen, dass ein höherer Luftanteil im System neben den hohen Anregungen zu den Hauptordnungen der Pumpe auch zu erhöhten Amplituden weiterer Frequenzen führt. Dadurch heben sich die Hauptordnungen nicht mehr so stark vom Grundniveau des Schalldruckpegels ab. Insgesamt steigen durch den Luftanteil jedoch die Druckschwankungen und anregenden Kräfte im System und führen zu einer erhöhten Schallabstrahlung der Pumpe. Werden die Fluidkräfte, die auf den Rotor wirken und die entstehenden Kräfte durch die Wandschubspannung berücksichtigt, zeigt sich, dass bei dem hier betrachteten Pumpentyp die größten resultierenden Kräfte in der Flügelzellenpumpe durch das hydrostatische Arbeitsprinzip und das sich in der Strömung ausbildende Druckfeld hervorgerufen werden. Durch den Übergang einer Verdrängerkammer vom Saug- in den Druckbereich oder umgekehrt, entstehen am Kurvenring Bereiche von der Winkelausdehnung einer Verdrängerkammer, die abwechselnd mit hohen und niedrigen Kräften belastet sind. Die Druckstöße in der Verdrängerkammer über das vom Verbraucher geforderte Druckniveau heraus haben dabei nur einen geringen Anteil an diesen Kräften. Der Hauptteil der Kräfte und der Schallentstehung wird über die Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugbereich verursacht. Im finalen Schritt werden in dieser Arbeit die Auswirkungen des aus den CFD-Simulationen resultierenden Designs zur Reduzierung des Druckstoßes in einer Verdrängerkammer experimentell anhand von Drehzahlhochläufen und Schallleistungsmessungen überprüft. Hier bestätigt sich das Ergebnis aus der Untersuchung der Kräfte im Simulationsmodell. Ein reduzierter Druckstoß wirkt sich nicht maßgeblich auf die Geräuschcharakteristik der Pumpe aus. Lediglich bei hohen Drehzahlen ist eine leichte Tendenz zu einer verbesserten Geräuschcharakteristik des Designs mit den reduzierten Druckstößen erkennbar., In this thesis, a numerical approach is used to model the noise characteristics of rotary vane pumps in automatic transmission applications. The scope of this work includes the modeling of the stimulating internal oil flow of the pump as well as the modeling of the emitted structure-borne and airborne noise. For this task, a combined CFD-FEM approach is chosen. A 3D simulation of the pump is used to predict the flow. The simulation is carried out as an URANS simulation, whereby the mesh movement is performed using a morphing method. The results of this model are validated by the means of internal pressure measurements in a displacement chamber of the vane pump. Various operating points are investigated to validate the simulation and to analyze the influence on the pressure in a displacement chamber. This model is further used to investigate the causes of pressure fluctuations and pressure surges during the pump operation. There is potential for optimization for the pressure surge occurring during the transition of a displacement chamber from the delivery to the suction port. This pressure surge can almost be completely avoided by a modified design. With further investigations of a multiphase flow, locations of high volume fractions of air in the flow during pump operation are analyzed. In addition, the impact of free air in the oil flow on the pressure in a displacement chamber as well as on the volumetric efficiency and on the torque caused by fluid forces are shown. The resulting force on the inner surfaces of the vane pump is used to ensure the correct transfer of the flow variables from the CFD mesh to the FEM mesh. The parameters used for the interpolation between the mesh nodes are calibrated against this criterion. An appropriate choice of time signal length and time step size for a suitable frequency resolution of the pressure signal is presented, too. The following structural-mechanical and vibroacoustic simulations use the excitation variables from the flow as a load. Various boundary conditions of the structural-mechanical model are investigated in this work. Acceleration measurements and airborne noise measurements performed in a hemi-anechoic room are used to validate the model. While the calculated acceleration values on the pump housing are in the range of the measured values, there are strong deviations in the predicted airborne noise. These deviations are caused, among other things, by the discrepancy between the simulation model and the test bench setup. The attachments and hoses on the test bench and the connected hydraulic system are not modeled in the simulation. However, the qualitative change in the noise characteristics due to different excitation variables can be captured by the simulation model. By the use of the model, it is shown that a higher volume fraction of air in the system does not only lead to high excitations of the pump at the blade passing frequencies and its harmonics but also leads to increased amplitudes at additional frequencies. As a result, the blade passing frequency and its harmonics are less dominating in the sound pressure level. Overall, an introduced volume fraction of air in the flow increases the pressure fluctuations and stimulating forces in the system and leads to increased noise radiation of the pump. If the fluid forces that act on the rotor and the forces generated by the wall shear stress are taken into account, it becomes apparent that the largest resulting forces are caused by the hydrostatic working principle and the pressure field that forms in the flow of the investigated pump type. Due to the transition of a displacement chamber from the suction to the pressure port or vice versa, areas of the angular expansion of a displacement chamber on the cam ring are loaded alternately with high and low forces. The pressure surges in the displacement chamber exceeding the system pressure level only have a small proportion of these forces. The main part of the forces arises from the pressure difference between the delivery and suction port. In the final step of this thesis, the effects of a design change that reduces the pressure surge in a displacement chamber are experimentally validated using ramp-ups and sound power measurements. Here, the result from the investigation of the forces in the simulation model is confirmed. A reduced pressure surge does not have a significant effect on the noise characteristics of the pump. Only at high speeds, there is a slight tendency towards improved noise characteristics in the design with reduced pressure surges.

Stirred liquid-liquid extraction columns are common unit operations used for the separation in chemical industry. For a model based design of liquid-liquid extraction columns drop movement, coalescence, breakage and mass transfer have to be calculated. Models with PBE (Population Balance Equation) are usually applied to describe the drop property distribution either in a one-dimensional (ReDrop) or three-dimensional simulation domain via CFD-PBE-simulations.However, one-dimensional models cannot be applied for various column designs. CFDPBE-simulations require high computational effort. Therefore, a CFD based compartmentmodel was developed. The design dependent velocity profile is approximated with a single phase CFD-simulation calculating the continuous phase. The dispresed phase is neglected to reduce the computational effort. The single phase velocity profile is then applied in the compartment-model to simulate the convection of the continuous phase, drop movement, coalescence, breakage and mass transfer between the phases.The sensitivity of the simulation parameters was investigated in detail. Solver for the calculation of the drop movement in the compartment-model are compared to solver implemented in CFD. The best solver was identified. Additionally, the influence of the simulation time-step-size on the calculation of the drop-trajectory was evaluated. Furthermore, the domain of the simulation parameters scaling factor and grid resolution were determined.The compartment-model was applied for the calculation of a broad data set of experimental column experiments. Two extraction systems with different drop coalescence and breakage behavior were tested as well as various column loads and stirrer speeds. The comparison between simulation and experiments shows a good simulation accuracy. Following, the simulation results of the compartment-model were compared to simulation results of a one-dimensional model (ReDrop) showing the potential of both simulation tools.Therefore, an innovative compartment-model for mutliphase devices was developed. The applicability of the CFD based compartment model was shown at the example of a stirred liquid-liquid extraction column in comparison to column experiments.

Seit der immer noch anhaltenden Corona-Pandemie erleben die Kapitalmärkte einen umfassenden Aufschwung. Besonders junge Privatanleger haben die Börse für sich entdeckt. Während beim Abschluss von Finanzprodukten über eine Bank weitreichende Restriktionen vorherrschen, ist der Kauf von Finanzprodukten durch den Verbraucher selbst mittlerweile grenzübergreifend auch bei ausländischen Anbietern ohne größere Schwierigkeiten möglich. Neben klassischen Aktien handeln Privatanleger vor allem börsengehandelte ETF (Exchange-Traded Funds), Hebelzertifikate, Kryptowährungen und finanzielle Differenzkontrakte (Contract for difference bzw CFD). Das zeigen auch die Handelsstatistiken - im Jahr 2020 hat sich das Transaktionsvolumen bei CFD im Vergleich zum Vorjahreszeitraum fast verdoppelt. Besonderes Augenmerk verdient dabei ein bestimmter Typus eines Anbieters dieser Finanzinstrumente, der zumindest gegenüber privaten Kleinanlegern nur in Verbindung mit CFD vorkommt. Während üblicherweise beim Kauf von Finanzprodukten ein „dreipersonales Verhältnis“ zwischen Anleger, Broker und Börsenplatz vorherrscht, kommt es im Falle von CFD zum Phänomen eines Anbieters, der die Gegenposition des Kunden einnimmt. Solche CFD-Anbieter werden gemeinhin als Market Maker bezeichnet. Der Gesetzgeber reagierte im Jahr 2018 und schränkte den Handel mit CFD für Verbraucher weitreichend ein. Aufgabe dieser Diplomarbeit ist es, dem Leser einen Überblick über die Funktionsweise von CFD und die Agitation eines Market Makers zu geben sowie die aktuellen innerstaatlichen und europäischen Rechtsgrundlagen für CFD überblicksweise darzustellen. eingereicht von Philippe Cayeux Universität Linz, Diplomarbeit, 2021

In dieser Arbeit wird das frei erhältliche Open Source CFD Programm OpenFOAM mit dem kommerziellen Programm StarCCM+ von Siemens verglichen. Das Ziel dieser Arbeit ist es die frei erhältliche Software mit den Ergebnissen des kommerziellen Programmes zu vergleichen. Des weiteren wird die Handhabung und die Rechenleistung der beiden Programme gegenübergestellt. Mit den Rennwägen von Joanneum Racing Graz wurden bereits experimentelle Ergebnisse mit Simulationen von StarCCM+ verglichen, weshalb dieses Programm und dasselbe Fahrzeugmodell zum Vergleich herangezogen werden. Im Laufe dieser Arbeit wird versucht, das Gitter von OpenFOAM an die Genauigkeit des Gitters von StarCCM+ anzunähern. Anschließend werden beide Gitter auf Genauigkeit sowie Rechenzeit verglichen. Mit dem erhaltenen Gitter wird eine Strömungssimulation des jr21 von Joanneum Racing Graz durchgeführt und sowohl die Abtriebswerte als auch die Strömungen an sich gegenübergestellt. Als letztes werden mit dem selben Fahrzeug Messfahrten durchgeführt und die erhaltenen Kräfte gegenübergestellt. Aus diesen Gegenüberstellungen wird im Anschluss eine Einschätzung gegeben, ob mit OpenFOAM eine effektive Aerodynamikentwicklung möglich ist, oder es mehr Sinn hat, in ein kommerzielles Programm zu investieren. In this thesis, the freely available open source CFD software OpenFOAM is compared to the commercial software StarCCM+ from Siemens. The aim of this thesis is to find out, how close the results of the freely available software are to the commercial one. Furthermore, it is examined whether the handling and the computing power of OpenFOAM can keep up with StarCCM+. With the racing cars from Joanneum Racing Graz, model validations have already been made with StarCCM+, which is why this program and the same vehicle model are used for comparison. In the course of this work, an attempt has been made to approximate the mesh of OpenFOAM to the accuracy of the mesh of StarCCM +. Then both meshes are compared for accuracy and computing time. A flow simulation of the jr21 by Joanneum Racing Graz has been performed with the obtained grid and the downforce values, as well as the flows, habe been compared. Finally, a test drive has been carried out with the same vehicle for a comparison of the obtained forces. Based on these comparisons, a recommendation has been made, whether an effective aerodynamic development is possible with OpenFOAM, or if it makes more sense to invest in a commercial software. verfasst und vorgelegt von Georg Gursch Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Bachelorarbeit FH JOANNEUM 2021

Verschmutzung in elektronischen Geräten durch Staub stellt in vielen Bereichen ein Problem dar. Durch den Einsatz von Lüftern gelangt dieser in den Innenbereich und lagert sich dort ab. Es handelt es sich dabei meist um stark verdünnte Partikelströmungen. Durch das zunehmende Aufkommen numerischer Simulationen stellt sich nun die Frage, ob diese Verschmutzungen im Voraus berechnet werden können. Dazu werden in dieser Arbeit Experimente mit zwei unterschiedlichen Versuchskörpern im Partikelwindkanal durchgeführt, die im Anschluss für die Validierung numerischer Simulationen dienen. Neben der Messung mit dem Pitot-Rohr und dem Hitzdrahtanemometer kommen auch optische Verfahren wie die Particle-Image-Velocimetry und eine eigens aufgebaute Laser-Abrasterung zum Einsatz. Damit können sowohl Fluid- und Partikelgeschwindigkeiten als auch Partikelablagerungen aufgezeichnet werden. Durch eine geeignete Auswertung der Bilddaten lassen sich Rückschlüsse auf die zeitliche Entwicklung der Partikelanhäufungen ziehen. Mit Kenntnis der Geschwindigkeits- und Turbulenzrandbedingung wird der Aufbau der Messstrecke 1:1 in die Simulation übertragen. Die Fluidströmungen werden für beide Versuchskörper sowohl stationär als auch transient berechnet. Die Partikelmodellierung erfolgt nach Lagrange'scher Betrachtung in Kombination mit dem Discrete-Random-Walk Turbulenzmodell. Ein Ablagerungsmodell für die Berechnung der Partikelanhäufung wird aus der Literatur entnommen und als Funktion implementiert. Eine eigene Untersuchung gibt Aufschluss über die Auswirkung von bestimmten Partikel-Parametern auf die Ablagerungen. Die Vergleiche zeigen, dass mit dem verwendeten Ablagerungsmodell genauere Ergebnisse erzielt werden, als mit den verfügbaren Standardmodellen. Die Vernachlässigung von gewissen Effekten, die bei der Ablagerung von Partikeln eine Rolle spielen, ermöglicht zwar eine einfache Implementierung des Ablagerungvorgangs, lässt aber auch Raum für zukünftige Verbesserung. Dust pollution in electronic devices is a common problem. Within the forced flow of cooling fans dust particles can reach the interior of such devices where they deposit. These flows are usually very dilute. The increasing use of numerical simulation raises the question, if it is possible to predict locations of potential dust pollution in advance. Experiments in the particle wind tunnel with two different test bodies are performed for the validation of subsequent simulations. Besides the measurement with a Pitot tube and the constant temperature anemometer, optical methods like the particle image velocimetry and a specially built laser scanning apparatus are applied. Hence particle and fluid velocities as well as particle deposition can be captured. By the use of an appropriate post-processing of the image data, information of the temporal deposition growth is gathered. Knowing of the velocity and turbulence boundary condition the setup of the working section can be reproduced one-to-one for the simulation. For both test bodies steady and transient calculations of the fluid flow are performed. The particles are modelled according to the Lagrangian approach in combination with the discrete random walk turbulence model. A specific deposition model is taken from literature and implemented as a custom function. Dependencies between particle parameters and depositions are indicated by separate investigations. Comparisons show, that the results with the implemented deposition model are closer to reality compared to the standard models. As several phenomena concerning the deposition process are neglected, the model is straightforward to implement. However this also leaves room for further improvement. eingereicht von Tobias Eichberger, BSc Masterarbeit Universität Linz 2021

Bei der Auslegung von Turbomaschinen wird immer stärker auf die computergestützte numerische Simulation (CFD) gesetzt. Diese Rechnungen sind im Allgemeinen sehr aufwändig, was dazu führt, dass sie parallel abgearbeitet werden müssen, um Ergebnisse in akzeptablen Zeitspannen zu erhalten. Durch immer leistungsfähigere Rechenknoten wird dabei verstärkt auf Shared-Memory Parallelisierung gesetzt. Eine Möglichkeit dies zu implementieren ist die sogenannte Task-Parallelisierung, welche die zu bearbeitende Aufgaben in einzelne kleine Tasks zerlegt welche dann teilweise parallel ausgeführt werden können. Um zu koordinieren, wann welcher Task auf welchem Rechenkern ausgeführt wird, benötigt man einen Scheduler. In dieser Arbeit wird der Task-Scheduler des DLR-Strömungslösers TRACE analysiert und seine Performance evaluiert. Dabei werden vor allem zwei mögliche Probleme aufgezeigt: Die ineffiziente Verwaltung der Tasks, sowie eine möglicherweise nicht-optimale Priorisierung der Tasks. Danach werden einige alternative Datenstrukturen vorgestellt, welche zwar in der Lage sind Skalierungsprobleme zu lösen, jedoch in der aktuellen Konfiguration eine schlechtere Performance aufweisen. Darüber hinaus werden einzelne Sortierungskriterien analysiert und einige alternative Sortierungskriterien evaluiert. Durch diese neue Sortierung wird ein Performancegewinn von 2 - 3% erzielt.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Potential von neuronalen Netzen als alternative Ersatzmodelle zur Effizienzsteigerung bei der Erzeugung aerodynamischer Daten zu bewerten. Zu diesem Zweck werden drei verschiedene Fallbeispiele analysiert, die sowohl sub- als auch transsonische Strömungsbereiche sowie stationäres und instationäres Strömungsverhalten abdecken. Für jedes Fallbeispiel wird sowohl ein klassisches Ersatzmodell, das aus einer Dimensionsreduzierung durch die Proper Orthogonal Decomposition-Methode und einer Thin Plate Splinesbasierten Interpolation besteht, als auch ein neuronales Netz für die Erzeugung bzw. Vorhersage von aerodynamischen Daten verwendet, wobei die Druckverteilung hierbei im Fokus steht. Als neuronales Netz wird ein Multilayer Perceptron für stationäre Strömungen bzw. ein Long ShortTerm Memory-basiertes rekurrentes neuronales Netz für instationäre Strömungen verwendet. Außerdem werden verschiedene Datenaufbereitungsmethoden untersucht. Zur Bestimmung geeigneter Hyperparameter werden zudem verschiedene Methoden, die entweder auf einer zufälligen oder optimierten Suche basieren, eingesetzt und miteinander verglichen. Die Vorhersagegenauigkeit der Ersatzmodelle wird anhand eines Vergleichs mit der CFD-Referenzlösung ermittelt. Abschließend wird das Potential des neuronalen Netzes anhand der Kriterien Vorhersagegenauigkeit und zeitlicher Aufwand durch einen Vergleich mit dem klassischen Ersatzmodell bewertet. Es wird gezeigt, dass die optimierte Suche zu genaueren Vorhersageergebnissen als die zufällige Suche führt. Die Vorhersagegenauigkeit des neuronalen Netzes steigt um 39:08%, wenn die Druckverteilung anhand der Druckbeiwerte an einzelnen Oberflächenpunkten vorhergesagt wird im Vergleich zu der Vorhersage der Druckverteilung als Gesamte. Zudem zeigt sich bei der Untersuchung der instationären Strömung ein deutlicher Trend zu genaueren Vorhersagen bei einer steigenden Anzahl an zeitlichen Ableitungen des Anstellwinkels als zusätzliche Eingangsgrößen. Die Verwendung eines neuronalen Netzes als Ersatzmodell für die Vorhersagen der Druckverteilung erfordert generell einen höheren Zeitaufwand als die Verwendung eines klassischen Ersatzmodells. Dieser zeitliche Mehraufwand kann jedoch durch den Einsatz der neuronalen Netze als Ersatzmodell im transsonischen Bereich durch eine deutlich höhere Vorhersagegenauigkeit bezüglich auftretender Verdichtungsstöße gerechtfertigt und der Einsatz der neuronalen Netze für diesen Bereich empfohlen werden.

In dem vorliegenden Forschungsbericht wurde eine Referenzkombination an numerischen Schalter und Modelle für die Durchführung einer Brandsimulation erstellt und mit experimentellen Daten validiert. Ein Fokus bei der Bewertung der Modelle lag dabei, neben der Genauigkeit, auch auf einem geringen Zeit- und Ressourcenbedarf für die Simulation. Verschiedene numerische Modelle wurden anhand eines stationären Brandes untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen u. a., dass mit einer Auflösung mit Zellgrößen kleiner 50 mm die Genauigkeit der Berechnung ausreichend ist um die relevanten Brandgrößen wie Flammenlänge, Rauchschichthöhe und –temperatur zu approximieren. Eine zu grobe Auflösung führt jedoch zu nicht verwertbaren Ergebnissen. Die Variation unterschiedlicher numerischen Schalter hat gezeigt, dass stationäre Flammen gut durch RANS-Simulationen mit Einschritt-Reaktion und eines einfachen, diffusen Strahlungsmodells beschrieben werden können. Anschließend wurde die Referenzkombination numerischer Modelle für die instationäre Berechnungsweise eingesetzt. Ein Vergleich beider Berechnungsmethoden hat gezeigt, dass die Verwendung von weniger rechenintensiven RANS-Simulationen (Berechnungsdauer unter 2 Tage) bei der Simulation stationärer Bränden für die Abschätzung globaler Größen ausreicht, während für die Betrachtung von Maximalwerten in der Flamme eine instationäre Berechnung nötig ist. Insgesamt lässt sich festhalten, dass Brandsimulationen einen potentiell sinnvollen Beitrag zum vorbeugenden Brandschutz liefern können. Zu beachten ist dabei jedoch immer, ob die gewählte Auflösung ausreichend ist. Dies gilt insbesondere bei der Simulation instationärer Brände.

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020; Aachen 1 Online-Ressource (x, 129 Seiten) : Illustrationen, Diagramme (2020). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020, In this work a model that reproduces the transient evaporation behaviour of pool fires during the combustion process is developed. The model calculates the mass burning rate which represents the amount of evaporated liquid fuel during a pool fire. The evaporation model is further extended to include multicomponent fuels. The evaporation model can be used to provide the inlet boundary conditions of the evaporated fuel for a coupled CFD simulation. An experimental setup for conducting measurements of the mass burning rate and the temperature inside the liquid fuel of a pool fire has been constructed. The experimental results were used for the validation of the calculated results. The fuel used for the pool fires were n-Heptane, Ethanol, mixture of n-Heptane and Ethanol in various ratios and heating oil. The developed evaporation model is capable of generating realistic mass burning rates which can be used to predict the combustion behaviour of pool fires. The model was also successfully coupled with the FireFOAM solver and was used to calculate the inlet boundary for the CFD simulation of a n heptane pool fire., Published by Aachen

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers

In der vorliegenden Arbeit wird eine ganzheitliche Methode zur Simulation der instationären Wechselwirkungen zwischen Fluidenergiemaschinen und Anlagen entwickelt. Diese umfasst eine nichtreflektierende Randbedingung für eindimensionale numerische Domains sowie eine nichtreflektierende Kopplungsbedingung zur zeitechten Zwei-Wege-Kopplung von eindimensionalen und dreidimensionalen numerischen Domains. Mithilfe der entwickelten nichtreflektierenden Rand- und Kopplungsbedingung lässt sich sowohl der Einfluss akustischer Rückwirkungen angeschlossener Anlagen auf das Betriebsverhalten als auch die Pulsationsanregung von Fluidenergiemaschinen simulieren und analysieren. Der Bedarf der Entwicklung einer nichtreflektierenden Randbedingung ergibt sich aus der Notwendigkeit bei bisherigen in der Literatur vorhandenen Konzepten, einen Kompromiss zwischen niedrigen Reflexionen einerseits und der Einhaltung eines geforderten Mittelwertes von Strömungsgrößen andererseits zu treffen. Durch Modifikation der etablierten nichtreflektierenden charakteristischen Randbedingung mittels Überlagerung eines geeigneten Filters im Zeitbereich wird eine neuefilterbasierte nichtreflektierende Randbedingung entwickelt, mit der sich die beiden genannten Anforderungen gleichzeitig erfüllen lassen. Anhand umfangreicher Variationen der relevanten akustischen bzw. strömungsmechanischen und numerischen Parameter wird gezeigt, dass sich mit der neu entwickelten filterbasierten nichtreflektierenden Randbedingung eine erhebliche Reduktion von Reflexionen im Vergleich zu bisherigen Ansätzen nichtreflektierender Randbedingungen erreichen lässt, wobei gleichzeitig der vorgegebene Wert der Gleichgrößen eingehalten wird. Die entwickelte nichtreflektierende Kopplungsbedingung wird zur Kopplung detaillierter dreidimensionaler Modelle zur Strömungssimulation von Fluidenergiemaschinen und reduzierter eindimensionaler Modelle zur Strömungssimulation von Rohrleitungssystemen konzipiert. Im Rahmen der Methodenentwicklung werden zunächst die grundlegenden Mechanismen zur Entstehung von Reflexionen an den Grenzflächen zwischen unterschiedlich diskretisierten, gekoppelten numerischen Domains anhand leitungsakustischer Betrachtungen theoretisch diskutiert. Es wird die Theorie abgeleitet, die Reflexionen an der Grenzfläche durch Anpassung der spektralen numerischen Fehler und damit der numerischen Impedanzen von gekoppelten Domains zu minimieren. Zur Validierung der Theorie der numerischen Impedanzanpassung wird im Voraus eine Methode zur numerisch-experimentellen spektralen Fehleranalyse numerischer Schemata entwickelt und anhand analytischer Funktionale validiert. Anschließend wird bei umfassender Parametervariation mit sukzessiver Erhöhung der Komplexität der gekoppelten numerischen Domains der Einfluss der spektralen numerischen Fehler auf die auftretenden Reflexionen an der Kopplungsstelle untersucht. Es wird gezeigt, dass durch gezielte Anpassung numerischer Parameter in den gekoppelten Domains die Reflexionen an einer Kopplungsstelle minimiert werden können. Abschließend werden generische Testfälle mit Kombination der nichtreflektierenden Rand- und Kopplungsbedingung simuliert. Anhand dieser Testfälle wird das Vorgehen bei der numerischen Impedanzanpassung demonstriert sowie die Anwendung der entwickelten Methoden in praktischen ingenieurtechnischen Problemstellungen veranschaulicht.

Während sich die numerische Strömungssimulation durch Computational Fluid Dynamics (CFD)als mächtiges Werkzeug in der Flugzeugentwicklung erwiesen hat, ist diese für dieEvaluierung aller notwendigen Strömungsbedingungen zu rechenaufwendig. Datengetriebeneaerodynamische Ersatzmodelle, welche auf vollständigen CFD Lösungen basieren, könnenVorhersagen für Strömungsbedingungen treffen, für welche keine CFD Berechnungen vorliegen. Die SMARTy Toolbox implementiert solche Erstzmodelle welche auf einer Dimensionsreduzierung der Trainingsdaten durch POD mit anschließender Interpolation auf dem dadurcherzeugen Unterraum basieren. Dabei kann es allerdings zu abweichenden Vorhersagen unter nichtlinearen, transsonischen Strömungsbedingungen kommen. In dieser Arbeit wurden Autoencodernetzwerke evaluiert, welche die POD Methode ersetzen und eine nichtlineareDimensionsreduzierung ermöglichen. Diese wurden erneut mit TPS Interpolation kombiniertund konnten für die getesteten Oberflächendruckverteilungen auf einem zweidimensionalen Flügelprofil genauere Vorhersageergebnisse liefern. Dabei erwiesen sich vor allem Convolu-tional Autoencoder als geeignet. In allen Modellen konnten die, gegenüber POD genaueren Vorhersagen, durch eine für die Interpolation geeignete Einbettung im Unterraum erreichtwerden. Während die Methode gegenüber POD zwar über deutlich höhere Offlinekosten verfügt, sind die Onlinekosten für eine Strömungsvorhersage vergleichbar geblieben

Die vorliegende Arbeit behandelt die numerische Vorhersage mit dem Strömungslöser TRACE von selbst-erregten Instabilitäten im Kontext von nicht-synchronen Vibrationen in Turbomaschinen. Motiviert durch die Effizienzsteigerung gegenüber Zeitbereichsverfahren, soll die Eignung von Harmonic Balance für diese Phänomene geprüft werden. Die Tauglichkeit ist fragwürdig, da sich bisherige Anwendungen auf Fälle beschränken, bei denen die Fundamentalfrequenz als essentielle Voraussetzung des Verfahrens vorliegt, wohingegen hier diese Frequenz eine Unbekannte ist. Dafür werden 2D-Testfälle eines laminar umströmten Zylinders sowie der Überströmung einer Kavität betrachtet. Für den Zylinder stellt sich eine Suchstrategie für die unbekannte Fundamentalfrequenz nach Spiker als zielführend heraus. Aufbauend darauf gelingt es mit Harmonic Balance verifizierte und validierte Ergebnisse bereitzustellen. Darüber hinaus kann durch breitgefächerte Unsicherheiten in der Fundamentalfrequenz das Verhalten der Frequenzbereichsmethode dazu analysiert und Grenzen der Suchstrategie aufgezeigt werden. Ebenfalls liegen Untersuchungen zum Verhalten der Lösung bei einer variierenden Anzahl von betrachteten Frequenzen vor. Für die weitaus komplexere Kavität gelingt es mit der Frequenzsuche die physikalische Frequenz zu ermitteln und mit Harmonic Balance erfolgreich das Strömungsphänomen darzustellen. Jedoch offenbart die Validierung Ungenauigkeiten für die Simulation im Zeit- und Frequenzbereich, sodass weiterführende Untersuchungen notwendig sind. Motivation dazu könnte eine überlegene Lösungsqualität von Harmonic Balance sein.

F��r den Windkanal am Institut f��r Str��mungsmechanik und W��rme��bertragung wird in dieser Arbeit die Luftstr��mung mittels geeigneter CFD-Programme simuliert. Neben diesem Niedergeschwindigkeitswindkanal wird auch der umgebende Raum, in welchem der Windkanal steht, in der Simulation ber��cksichtigt. Au��erdem soll ein ��berblick ��ber die verschiedenen Windkanalarten gegeben werden. Es werden zwei Modelle zur Veranschaulichung des Str��mungsproblems erstellt,welche sich in ihrer Komplexit��t unterscheiden. W��hrend im ersten Modell starke Vereinfachungen getroffen wurden, soll das zweite Modell der Realit��t m��glichst genau entsprechen. Durch den Vergleich beider Modelle soll der Effekt der vereinfachenden Modellannahmen visualisiert werden. Um die zum Rechengebiet proportionale Rechenzeit m��glichst gering zu halten, wird die vorliegende turbulente Str��mung mit Hilfe eines Turbulenzmodells beschrieben. Dar��ber hinaus wurden im Windkanal Geschwindigkeitsmessungen bei verschiedenen Drehzahlen durchgef��hrt, um eine quantitative Gegen��berstellung mit beiden Modellen zu erm��glichen. Nach ausf��hrlicher Analyse der Ergebnisse wird ein Ausblick auf weiterf��hrende Arbeiten gegeben., The airflow through the wind tunnel of the Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer will be simulated using CFD-programs. The surrounded room, in which the low speed wind tunnel is located, will be considered in the simulations as well. Furthermore an overview of different types of wind tunnels will be given. Two models of different complexity will be designed in order to illustrate the flow of the considered problem. While the first model is strongly simplified, the second model should conform to the reality as much as possible. Due to the comparison of both models the effect of the assumptions of the simplified model can be visualized. The computational time is proportional to the computational area and should be as small as possible. Therefor the present turbulent flow will be described with an appropriate turbulence model. Beyond that velocity measurements will be done in order to enable a comparison with the two models. After a detailed analysis of the results an outlook of possible continuative work will be given.

Die Phänomenologie abgehobener nicht vorgemischter Flammen ist vor allem in Hinblick auf das Stabilitätsverhalten nicht vollständig verstanden. Im Besonderen der Unterschied im Stabilitätsverhalten zwischen flüssigen und gasförmigen Brennstoffen wurde bisher noch nicht genau beschrieben. Diese Kenntnislücke soll mit der vorliegenden Arbeit geschlossen werden. Es wurde dafür der Einfluss einer Vielzahl von Betriebsbedingungen, wie der Druckverlust über die Düse, der Absolutdruck, die Vorwärmtemperatur der Verbrennungsluft und die Stöchiometrie auf die Abhebehöhe experimentell untersucht. Um über die experimentellen Untersuchungen hinaus einen besseren Einblick in das Strömungs-, Mischungs- und Temperaturfeld zu erhalten, wurden begleitende CFD-Simulationen der Flamme durchgeführt. Das Ziel dieser Arbeit ist ein phänomenologischer Vergleich der abgehobenen Verbrennung beim Einsatz flüssiger und gasförmiger Brennstoffe.

Dies ist ein Beitrag für das 15. BAM-PTB-Kolloquium zur chemischen und physikalischen Sicherheitstechnik am 21. und 22. Mai 2019 bei der PTB in Braunschweig., Um die Ausbreitung von Schwergaswolken infolge störfallbedingter Freisetzungen in bebautem Gelände besser vorhersagen zu können, soll eine praxisorientierte Methode zur numerischen Simulation von Schwergasausbreitungen entwickelt werden. Dafür muss zunächst die atmosphärische Strömung möglichst realitätsnah abgebildet werden. Es wurde ein Strömungsmodell mit einer weiterentwickelten Turbulenzmodellierung, dazu konsistenten atmosphärischen Einlassrandbedingungen und Wandfunktionen entwickelt und in OpenFOAM programmiertechnisch implementiert. Durch Simulationen von atmosphärischen Strömungen über ebenes Gelände und Gebäudeumströmungen wurde gezeigt, dass der Ansatz, zusätzliche Quellterme in das bestehende Turbulenzmodell einzuführen, zu einer besseren Vorhersage des Windfelds führt. Der gewählte Ansatz, ein Potenzprofil als Geschwindigkeitsprofil vorzugeben, ermöglicht dabei eine hohe bodennahe Gitternetzauflösung, die bei dem üblicherweise verwendeten logarithmischen Geschwindigkeitsprofil nicht möglich ist. Diese hohe Auflösung ist eine Bedingung für die Simulation der bodennahen Ausbreitung von Schwergaswolken. Erste Simulationen von Schwergasausbreitungen zeigen, dass die Turbulenzmodellierung in der Schwergaswolke weiterzuentwickeln ist.

Der stetig zunehmende Ausbau erneuerbarer Energien und die damit einhergehenden st��rker werdenden Schwankungen im Stromnetz haben dazu gef��hrt, dass sich die Anforderungen am Energiemarkt grundlegend ver��ndert haben. Um wettbewerbsf��hig bleiben zu k��nnen, m��ssen Energieerzeuger in der Lage sein, sich dem dynamischen Energiemarkt anzupassen. Dies gilt auch f��r Wasserkraftwerke, die daher immer ��fter in Teillastpunkten, fernab des Auslegungspunktes mit dem besten Wirkungsgrad, betrieben werden. Hauptproblem dabei ist, dass diese Betriebsbedingungen die Bildung eines niederfrequenten Wirbels nach sich ziehen k��nnen, welcher starke Druckfluktuationen innerhalb der Turbineneinheit hervorruft und so den stabilen Betrieb beeintr��chtigt. Studien haben gezeigt, dass die gezielte Luftinduzierung eine vielversprechende Methode ist, um diesem instation��ren Str��mungsph��nomen entgegenzuwirken und dadurch das Betriebsverhalten in der Teillast zu verbessern. Davon ausgehend ist das Ziel dieser Arbeit den numerischen Einfluss von Stabilisierungsluft auf das Betriebsverhalten einer Prototyp-Francisturbine zu untersuchen, wobei die Einblasung der Luft nicht wie h��ufig ��blich ��ber den Kern der Laufradnabe erfolgt, sondern ��ber den schauffellosen Raum zwischen Leitapparat und Laufrad. Zun��chst wurde ein numerisches Modell f��r die Abbildung der Prototyp-Francisturbine erstellt und anhand von Messungen an der Realanlage validiert. Zur Validierung wurden neben der standardm����igen einphasigen Berechnung auch zweiphasige Simulationen mit Kavitationsmodell durchgef��hrt. S��mtliche CFD-Untersuchungen erfolgten dabei mit dem f��r industrielle Anwendungen standardm����ig gew��hlten SST-Turbulenzmodell. Die Analyse der mit den Messdaten validierten Ergebnisse zeigte das Auftreten eines signifikant ausgepr��gten Wirbels, welcher mit ca. dem 0,2-fachen der Laufraddrehfrequenz rotiert. Die Implikation der Wasserdampfphase zur Durchf��hrung einer zweiphasigen Simulation mit dem (SST-)Kavitationsmodell brachte mit den durch Messdaten vorgegebenen Rahmenbedingungen keinen Validierungsmehrwert, was darauf schlie��en l��sst, dass das SST-Modell Druckschwankungen untersch��tzt und dadurch insbesondere die Dr��cke im Inneren des Wirbelzopfes ��bersch��tzt. Ein experimentell reduzierter Saugrohrgegendruck (physikalisch mit einem niedrigeren Unterwasserpegel gleichzusetzen) f��hrte jedoch zu instabilen Dampfgebieten innerhalb des Wirbels und zu stark erh��hten Druckpulsationen. Abschlie��end wurde in einem Betriebspunkt ein Vergleich mit und ohne numerisch integrierter Luft angestellt, wodurch auf die Wirkung der eingeblasenen Luft geschlossen werden konnte. Es wird gezeigt, dass die injizierte Luft mit der in dieser Arbeit angewandten Form der Lufteinblasung keine Abhilfe zum auftretenden Teillastwirbel darstellt. Es konnte jedoch beobachtet werden, dass sich h��here Luftvolumenanteile insbesondere an den Randschichten des Laufrads und des Saugrohres festsetzen. Auf Basis umfangreicher Messuntersuchungen kann darauf geschlossen werden, dass diese Luftverteilungen zu einem wesentlich ruhigeren Betriebsverhalten in der Teillast f��hren., The expanding use of volatile energy sources such as wind and solar and the resulting fluctuations in the electricity grid have led to a fundamental change in the requirements of the energy market. In order to remain competitive, energy producers must be able to adapt and consequently operate power plants according to electricity supply and demand. This also applies to hydropower plants, which are therefore increasingly operated at partial load points, far away from the best-efficiency point. The primary concern here is that these part load conditions can lead to the formation of a rotating vortex rope, which causes strong pressure fluctuations within the turbine unit and thus impairs stable operation. Studies have shown that targeted air injection is a promising method for counteracting this dynamic flow phenomenon and thus improving the operating behaviour at partial load. Based on this, the aim of this thesis is to investigate the numerical influence of stabilization air on the operating behaviour of a prototype Francis turbine, whereby the air is injected into the vaneless space between guide vanes and runner and not as often the case, via central aeration of the runner core. First a numerical model of the Francis turbine was created and validated using prototype site measurements. In addition to the conventional single-phase calculation, two-phase simulations with a cavitation model were also carried out for validation purposes whereat all CFD investigations were performed with the standard Shear Stress Transport (SST) turbulence model selected for industrial applications. The analysis of the results validated with the measurement data showed the occurrence of a significant draft tube vortex structure rotating at about 0.2 times the rotational frequency of the runner. The implication of the water vapour phase to the simulation using the (SST-)cavitation model with the numerical boundary conditions specified by measurement data did not add any value and leads to the conclusion that the SST turbulence model underestimates pressure fluctuations inside the vortex rope. However, an experimentally reduced draft tube outlet pressure level (physically equivalent to a lower underwater level) led to unstable steam areas within the vortex and highly increased pressure pulsations. Finally, a comparison was made at an operating point with and without numerically integrated air, through which the effect of the injected air could be concluded. It is shown that the form of air injection applied in this work does not prevent or even affect the formation of a rotating vortex core. However, it could be observed that higher air volume proportions are particularly attached to the outer layers of the runner and the draft tube. On the basis of extensive measurement investigations, it can be concluded that these air distributions lead to a significantly improved operating behaviour at partial load.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Problem, wie durch Zusatzügelchen, die am Außentank an den Tragächenspitzen eines Flugzeugs angebracht werden, der Nachlaufwirbel so beeinusst werden kann, dass sich ein positiver Eekt auf den Gesamtwiderstand ergibt. Dies soll anhand des konkreten Beispiels einer Piper Cheyenne mittels theoretischer Betrachtungen und insbesondere durch numerische Strömungssimulationen gezeigt werden. Um den Rechenaufwand bei den CFD-Simulationen in Grenzen zu halten, wird das Flugzeug vereinfacht als Nurügler modelliert. Da für das untersuchte Flugzeug keine CAD-Daten verfügbar waren, musste das Modell mithilfe von Zeichnungen und Messungen am realen Flugzeug konstruiert werden. Die Prole des Flügels und dessen Verwindung sind durch Angaben in der Literatur bekannt. Um jedoch das Prol des Außentanks bzw. den Übergang vom Tank auf den Tragügel so realistisch wie möglich abbilden zu können, wurde ein Prol-Laserscanner gebaut. Dieser ermöglicht es, eine Kontur durch eine Menge gemessener Punkte abzubilden, woraus im CAD-System das Objekt gut rekonstruiert werden kann. Zur Untersuchung werden die drei Flugsituationen Steigug, Reiseug und Landeanug gewählt. Diese Flugzustände unterscheiden sich sowohl in der Fluggeschwindigkeit als auch der Höhe, der Neigung der Flugbahn und der Motorleistung. Die Daten der unterschiedlichen Flugzustände dienen als Randbedingungen bzw. Parameter für die CFD-Berechnungen. Da sich dieses Flugzeug im Reiseug mit einer Machzahl von bis zu 0,4 bewegt, kann die Kompressibilität der Luft nicht mehr vernachlässigt werden. Es werden daher stationäre CFD-Simulationen, in welchen die Luft als ideales Gas modelliert wird, durchgeführt. Zur Berücksichtigung der Turbulenz wird ein RANS-Modell verwendet. Zusätzlich wird ein Transitionsmodell zur Berücksichtigung des laminar-turbulenten Übergangs der Grenzschicht genutzt. Für jeden der zu simulierenden Flugzustände muss der richtige Anstellwinkel gefunden werden, um den vorgegebenen Auftrieb zu erreichen. Da in den CFD-Simulationen aber nur der Anstellwinkel deniert werden kann, werden zunächst mehrere Rechnungen mit unterschiedlichen Anstellwinkeln durchgeführt, um aus den Ergebnissen mittels Interpolation jenen Winkel zu ermitteln, bei dem sich der vorgegebene Auftrieb ergibt. Für diesen Winkel wird eine abschließende Simulation durchgeführt. Aus den CFD-Simulationsdaten werden die Kräfte auf die einzelnen Komponenten des Flügels, die Auftriebs- und Widerstandsverteilung über der Spannweite, die Zirkulation hinter dem Flügel, der induzierte Widerstand, etc. ermittelt. Dazu werden z.B. Skripts für die Tretz-Ebenen-Analyse erstellt. Beim Vergleich der originalen Geometrie, bei welcher am Außentank kleine deltaförmige Flügelchen angebracht sind, mit jener ohne Flügelchen, zeigt sich, dass bereits diese Flügelchen zu einer Widerstandsreduktion führen. Dies wird vor allem dadurch erreicht, dass die bei den Flügelchen den Wirbel, der sich sonst um dem Außentank zusammenzieht, im Inneren in zwei kleinere Teile aufteilen, wodurch der eektive Wirbelkernradius vergrößert wird. Dadurch wird die Ausbildung einer ausgeprägten Saugspitze am Ende des Außentanks verhindert. Um optimale Flügelchen zu entwerfen, wird ein Verfahren, welches in der Dissertation „Über die optimale Gestaltung von widerstandmindernden Zusatzelementen eines Tragügels“ von Mehrle, A.H. (2006) beschrieben ist, verwendet. Dazu wird der Geschwindigkeitsverlauf des Wirbels im Fall ohne Flügelchen ermittelt und als Ausgangsbasis für die Berechnung der Kontur der neuen Flügelchen verwendet. Diese Flügelchen sollen den Wirbel nicht nur teilen, sondern die Zirkulation um den Außentank nutzen, um daraus Vortrieb zu generieren. Es stellt sich heraus, dass die in der Theorie vorausgesetzte Rotationssymmetrie im Geschwindigkeitsfeld am realen Modell nicht sehr gut gegeben ist. Dadurch beeinussen sowohl der Ort, an welchem die Geschwindigkeitsdaten ausgewertet werden, als auch die Positionen, an denen die Flügelchen montiert werden, die Wirksamkeit der Flügelchen. Es kann eine Version mit drei Flügelchen entworfen werden, welche nach Umrechnung der Ergebnisse auf das gesamte Flugzeug im Reiseug eine Widerstandsreduktion von 1.2% und im Steigug von 1.1% im Vergleich zur Variante ohne Flügelchen erreicht. Die originalen Flügelchen erzielen mit einer sehr einfachen Bauweise eine Widerstandsreduktion gegenüber der Variante ohne Flügelchen von 0.5% im Reiseug und von 0.4% im Steigug. Damit ergibt sich mit den neuen Flügelchen eine Widerstandsreduktion im Vergleich zur Originalgeometrie von 0.8% im Reiseug und von 0.7% im Steigug. eingereicht von Tobias Kronlachner Universität Linz, Masterarbeit, 2019 (VLID)4654492

Das Gesamtziel des Vorhabens war die Verbesserung der methodischen experimentellen Basis für die Weiterentwicklung von CFD-Codes zur Berechnung dreidimensionaler zweiphasiger Strömungsvorgänge, wie sie im Kühlkreislauf von Kernkraftwerken auftreten. Es ordnet sich damit in das strategische Ziel der Reaktorsicherheitsforschung ein, wobei die nachhaltige Verbesserung der experimentellen Basis zur Validierung von CFD-Modellen für die Berechnung sicherheitsrelevanter Strömungsvorgänge in Kernkraftwerken im Fokus stand. Die erzielten Ergebnisse der experimentellen Studien liefern zudem wertvolle Grundlagenkenntnisse zu Zweiphasenströmungen sowie Validierungsdaten für zukünftige Weiterentwicklungen von CFD-Codes. Wesentliche Bestandteile aktueller CFD-Code-Weiterentwicklung, speziell für den Reaktorkreislauf, sind die Turbulenzmodellierung und Zweiphasenströmungen. Hierfür werden räumlich und zeitlich hochaufgelöste experimentelle Validierungsdaten benötigt. In diesem Vorhaben wurden dafür zwei moderne Messverfahren für die Charakterisierung von zweiphasigen Strömungen eingesetzt. Mit diesen wurden die Phasenverteilung und Gasphasendynamik, sowie Flüssigphasengeschwindigkeit und Turbulenz in ausgewählten generischen Experimenten untersucht. Weiterhin wurden in diesem Vorhaben ausgewählte experimentelle Ergebnisse mit CFD-Vorausrechnungen verglichen. Die zweiphasige Strömungssimulation wurde mit dem verfügbaren Simulationswerkzeug ANSYS-CFX durchgeführt, um für diesen Anwendungsfall bereits verfügbare Standardmodelle auf ihre Anwendbarkeit zu prüfen.

In der vorliegenden Arbeit wird die Strömung in Kohleschwimmringdichtungen untersucht. Kohleschwimmringdichtungen sind berührungsfreie Dichtungen und werden häufig in Ventilatoren und mehrstufigen Kompressoren verwendet. Durch Einsatz verschiedener CFD-Tools werden die Einflüsse der Fluid-Struktur Interaktion sowie der mikroskopischen und makroskopischen Obeflächenstruktur auf die Leckage analysiert. Die Arbeit konzentriert sich auf stationäre und damit stabile Betriebszustände. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines reduzierten Modells, das mit geringem Rechenaufwand die Leckage im Dichtsystem mit hoher Genauigkeit vorhersagen kann. Eine Kohleschwimmringdichtung funktioniert nach dem Prinzip der Drosselung. Der entscheidende Parameter für die Leckage ist die Geometrie des Ringspalts, die von vielen Faktoren beeinflusst werden kann. Daher müssen der Dichtring und die dazugehörigen Bautei- le als ein Gesamtsystem betrachtet werden. Aufgrund der erwünschten kleinen Spalthöhe ist der Einuss der Oberflachenstruktur ein Hauptthema in dieser Arbeit. Der Einuss der Mikro- und Makro-Struktur auf die Leckage wird analysiert. Um die Strömungszustände zu quantizieren, werden neben dem kommerziellen Programm ANSYS auch der Opensource Code OpenFOAM und eine selbst implementierte Bulk-Strömungstheorie verwendet. Aufgrund der hohen Druckdifferenz für den Einsatz in Kompressoren werden die Fluid-Struktur Interaktion (FSI) im Programmpaket ANSYS Workbench berücksichtigt. Anhand der Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen wird eine quasi-eindimensionale Theorie für die kompressible Strömung als Basismodell entwickelt. Das Modell wird mit einem analytischen Lösungsansatz für die Festkörperdeformation angepasst, um den Einfluss der FSI auf die Leckage zu berücksichtigen. Eine Erweiterung des Modells für Dichtsysteme mit mehreren Dichtringen wird ermöglicht, indem die Zustandsänderung bei der Expansion vom Spaltaustritt zur Kammer als isobar angenommen und die Geschwindigkeit in der Kammer vernachlässigt wird. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Neben der Leckage wird der Lomakin-Effekt untersucht, der für die Selbstzentrierung des Dichtrings verantwortlich ist. Im Gegensatz zur Leckage ist die Lomakin-Kraft empfindlich gegenüber der Oberäflächenstruktur. Aufgrund der hohen Reibungskraft ist die Lomakin-Kraft allerdings für Hochdruckanwendungen zu klein, um den Dichtring wirksam zu zentrieren. Eine Berücksichtigung der Wellenschwingungen bei der Auslegung des Dichtsystems ist notwendig, um den Verschleiß und die Kolliisionsschäden zwischen der Wellenhülse und dem Kohlering zu vermeiden., Floating ring seals are typical non-contact seals and widely used in fans and multi-stage ompressors. This thesis analyzes the flow in a carbon floating ring seal and identifies the influence of the fluid structure interaction, micro- and macro-surfaces on the leakage via different computational fluid dynamic tools, with the focus on stable and stationary operating conditions. Finally, the thesis aims to develop a simplied model to predict the leakage in the sealing system with both high accuracy and low computational effort. Floating ring seals typically operate according to the principle of throttling. One key parameter of leakage is the geometry of the ring gap, which might be influenced by several factors. Therefore, the sealing ring and the associated components must be considered as a complete system. In addition, as the ideal gap height could be rather small, the influence of the surface structure should be taken into account as well. Depending on different structure types, there are several ways to quantify the flow states, including the commercial program ANSYS, the Opensource Code OpenFOAM and a self-implemented bulk flow theory. The results of the analysis show that the leakage depends much less on the micro surface structure. Additionally, for the application with high-pressure gradient like compressors, the fluid-structure interaction (FSI) is considered using the program package ANSYS Workbench. Based on these results, a basic model is built up to calculate the leakage by implementing a quasi-one-dimensional theory for the compressible flow. Furthermore, the model could adapt to different FSI leakage situations with an analytical approach for the mechanical deformation. According to the results from the experiment with air, the calculated leakage shows a good agreement. In addition, the Lomakin forcce which affects the self- centering of sealing rings is investigated in this work. Compared with the leakage, this Lomakin effect is more sensitive to the surface structure. However, for the present high-pressure application, the Lomakin force is smaller than the radial friction and cannot force the sealing ring to center effectively. Therefore in the sealing system construction, it is essential to take the shaft vibration into consideration as well, in order to reduce the potential wear and collision damage between the shaft sleeve and the carbon ring.

Die umweltschädlichen, durch die Menschheit produzierten, Emissionen nehmen schon über Jahre zu. Jeder möchte immer mehr, zu immer günstigeren Preisen, zu jeder Jahreszeit, weshalb nicht nur der Luftraum immer voller wird. Aufgrund dieser Tatsachen steigt der Druck, unter anderem auf die Luftfahrtindustrie, nach umweltschonenderen Antrieben zu forschen beziehungsweise die vorhandenen so zu optimieren, dass die Effizienz gesteigert und der Treibstoffverbrauch sowie schädliche Emissionen minimiert werden. Im Zuge dessen wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) eine Ringgitterwindkanalmessstrecke aufgebaut, welche einen verkürzten, aggressiveren, jedoch nicht ablösegefährdeten Übergangskanal mit S-Schlag zwischen Nieder- und Hochdruckverdichter einer Fluggasturbine simuliert. Ein verkürzter Übergangskanal führt zu einem kürzer ausführbaren Triebwerk und folglich zu einer Gewichtsreduktion und Treibstoffeinsparung. In dieser Arbeit werden einige der experimentellen und numerischen Daten dieses Übergangskanals verglichen, um so die CFD zu validieren. Bei den ersten beiden betrachteten Betriebspunkten zeigt sich, dass die Simulationen, nach geringer Variation der numerischen Randbedingungen, im Allgemeinen recht gut zu den Messergebnissen passen. Differenzen zeigen sich hier bei der Simulation der Strömungswinkel sowie bei den Totaldruckniveaus (über den Messstreckenverlauf gesehen). Beim Betriebspunkt mit erhöhter Zapfluftentnahme ergeben sich erhebliche Probleme in der CFD: Aufgrund der hohen Zapfluftentnahme bilden sich in den Rechnungen Ablösungen in der Passage zwischen den Stützstreben. Dadurch ist es nicht möglich eine konvergierte Lösung nach vorgegebenen Randbedingungen zu erhalten. Die Validierung der CFD muss im Anschluss an diese Arbeit noch durch Vergleiche weiterer Messergebnisse fortgeführt werden

Im industriellen Umfeld ist die numerische Strömungsmechanik (CFD) ein fester Bestandteil im Produktentwicklungsprozess. Sie wird unter anderem für die Auslegung und Optimierung von Wasserpumpen genutzt. Gängig ist die Berechnung dieser Bauteile mittels stationärer Verfahren, bei denen nach der rotierenden Strömung im Relativsystem gelöst wird. Das Ziel der Berechnung ist dabei nicht nur optimale hydraulische Kennwerte zu erreichen, sondern auch den Komfort des Kunden zu verbessern durch Reduzierung des Lärmpegels der Bauteile. Druckfluktuationen innerhalb der Pumpe sind dabei eine entscheidende Schallquelle. Die Druckfluktuationen können mittels instationärer Rechnungen ermittelt werden. Zeitlich aufgelöste Rechnungen mit herkömmlichen Zeitschrittverfahren benötigen hierfür jedoch viel Rechen- und Speicherressourcen. Es wird daher nach Alternativen zu Zeitschrittverfahren gesucht. Der zeitlich periodische Charakter von Wasserpumpen erlaubt eine Modellreduzierung über Frequenzverfahren. Das Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung eines zeitspektralen Strömungslösers in den offenen Strömungslöser OpenFOAM zur effizienten Berechnung zeitlich periodischer, inkompressibler Strömungen. Zunächst werden unterschiedliche zeitspektrale Methoden vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung analysiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Time Spectral Method (TSM) weiter verfolgt, da auch nichtlineare Effekte modelliert werden können. Anschließend werden anhand einer Prototypengleichung die Eigenschaften der TSM den Eigenschaften herkömmlicher Zeitschrittverfahren gegenübergestellt. Die Mehrzahl an Implementierungen der TSM basieren auf den kompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen. Eine direkte Anwendung auf inkompressible Strömungen ist daher nicht ohne weiteres möglich. Ein thematischer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Herleitung und Implementierung der TSM in einen Druckkorrektur-Algorithmus. Hierzu werden unterschiedliche numerische Lösungsstrategien des gekoppelten Systems untersucht und mittels unterschiedlicher Strömungen verifiziert. Eine vollständige Kopplung aller Zeitinstanzen und Kontrollvolumina über ein Krylow-Unterraum-Verfahren stellt sich als geeignete Lösung für industrielle Probleme heraus. Nach der Anwendung auf einfache Beispiele erfolgen Strömungssimulationen um ein mehrfach angeregtes Flügelprofil, einen Propeller und ein Lamellenventil. Die zeitlichen Moden der Strömungen werden analysiert und die Frage beantwortet, ob periodische Strömungen über eine geringe Anzahl an Frequenzen gut repräsentiert werden können. Simulationen mit Zeitschrittverfahren und der TSM werden durchgeführt und gegenübergestellt. Die Arbeit schließt ab mit einer Analyse der Potentiale und Grenzen des zeitspektralen Lösers., Computational fluid dynamics (CFD) is a well-established tool in the product design process. Particularly it is used to design water pumps. In general these components are simulated using steady simulations with moving reference frames. The aim of these simulations is not only optimal hydraulic parameters, but also to improve customer comfort by reducing the noise level of the single components. Pressure fluctuations are one main source of noise. These fluctuations can be computed by unsteady simulations. At present unsteady simulations are quite costly in computational resources and memory, thus alternatives are sought. The time periodic behavior of fluid machines allows a model reduction using frequency methods. Thus in this work a time domain method to efficiently compute incompressible, periodic fluid flows is investigated and implemented into the open source software OpenFOAM. First, different frequency and time domain methods are introduced and the time spectral method (TSM) is identified as a suitable approach as the method is able to solve nonlinear effects in time. Then the properties of the TSM are outlined using prototype equations instead of the more complex Navier-Stokes equations. The differences between the TSM and regular time stepping schemes are shown. Different implementations of the TSM have been developed in the past. However, most are dedicated to compressible flow and thus cannot be used to solve for incompressible flows. Thus, in the first part of this work a formulation of the TSM within a pressure-correction algorithm is derived and implementation details are shown. Different numerical solution strategies to solve the coupled system are investigated and verified using simple flow problems. It is shown that a Krylov subspace method coupling all temporal and spatial nodes is well suited for industrial problems. After the TSM has been applied to simple cases, more complex flow phenomena are computed. The flows around an oscillating blade profile, around a ship propeller and through a flutter valve are investigated. The temporal modes of the fluid flow are computed and the necessary amount of frequencies to represent the flow field is researched. Simulations using regular time stepping schemes and the TSM are performed and compared. The work concludes showing the potentials and limitations of the proposed method., Forschungsbericht Niedersächsisches Forschungszentrum für Luftfahrt, vol. 2018-16

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines algebraischen turbulenten Wärmeflussmodells vorgestellt, welches speziell für die Berechnung von Strömungen niedriger Prandtl-Zahl geeignet ist. Ausgangspunkt ist eine Analyse und Bewertung von existierenden Schließungsansätzen der Energieerhaltungsgleichung. Das Potenzial des entwickelten Modells wird mit Hilfe von Vergleichsdaten in turbulenten Platten- und Rechteckkanalströmungen bei erzwungener und gemischter Konvektion diskutiert.

Die numerische Berechnung der Aerothermodynamik einer filmgekühlten Turbine mittels 3D-CFD führt zu einem verbesserten Verständnis der Strömungs- und Temperatursituation. Typischerweise werden im industriellen Auslegungsprozess die reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen gelöst, die eine geeignete Modellbildung für die unbekannten Terme des turbulenten Impuls- und Wärmetransports erfordern. Es werden zwei verschiedene Modellansätze für den turbulenten Wärmetransport untersucht: Die einfache und die generalisierte Gradientendiffusion. Danach wird an einer wandgebundenen Grenzschicht sowie an einer freien Scherschicht die grundlegende Funktionalität der Modellierung nachgewiesen. Die Validierung eines verrippten Kühlkanals, eine filmgekühlte Turbinenseitenwand sowie die Berechnung der Ausmischung einer heißen Strähne geben einen Eindruck von der Leistungsfähigkeit der Modellierung in der Anwendung beim Turbomaschinendesign. Es zeigt sich bei der Berechnung des Temperaturfelds der freien Scherschicht, dass die Modelle der generalisierten Gradientendiffusion den anderen Ansätzen überlegen sind. Insbesondere bei massiv filmgekühlten Turbinenschaufeln kann die generalisierte Gradientendiffusion zu einer verbesserten Berechnung der in einer turbulenten Turbinenströmung transportierten Wärmemenge führen.

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018; Duisburg : Christian Jäkel 1 Online-Ressource (xii, 144 Seiten) : Illustrationen, Diagramme (2018). = Dissertation, RWTH Aachen University, 2018, The changes in the energy sector, caused by global warming and consequently by the reduction of hydrocarbons, have resulted in the discussion of a hydrogen infrastructure as a successor of the current hydrocarbon energy sector. Beside the production and use of hydrogen in a technical scale, additional infrastructure is needed for storage and transportation of the hydrogen. Currently hydrogen is economically only storable and transportable over long periods and distances in its liquid state. Liquid hydrogen has a temperature at ambient pressure of -253 ◦C. For this cryogenic liquid further infrastructure is needed. An accidental release of liquid hydrogen leads to a cryogenic pool, a dynamic vaporization and a distribution of gaseous hydrogen into the environment. The gaseous hydrogen distribution is initially identified as a dense gas distribution, but later, when gaining temperature, the gas becomes lighter than the surrounding air, so buoyancy effects need to be considered. The air and hydrogen mixture at environ-mental pressure is potentially explosive and combustible at a concentration in air above4.0 Vol.-%, while the ignition energy is marginal compared to hydrocarbon-air mixtures. This implies that both the cryogenic pool and the evolving gaseous hydrogen, are dangerous and analysis needs to be done to predict their distribution in technical installations containing cryogenic hydrogen. In this thesis a model is developed and introduced, which is a holistic approach, capable of predicting the pool and the gas distribution in a complex 3D geometry. The model uses a common CFD multiphase multicomponent approach with sub-modelling of the vaporization. The model is validated against available experiments and afterwards applied to an accidental release scenario in a liquefaction plant., Published by Christian Jäkel, Duisburg