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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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Mischung
Mischvorgänge spielen in vielen Bereichen der Technischen Chemie, der pharmazeutischen- und Lebensmittelindustrie, der Verfahrenstechnik sowie in Strömungsmaschinen eine zentrale Rolle. Ziel ist es dabei, einen Temperatur- oder Konzentrationsausgleich zwischen zwei oder mehreren Fluiden zu schaffen. Beispielhaft seien hier moderne Entstickungsverfahren, wie z. B. das SNCR- Verfahren (Selective Non Catalytic Reduction), genannt, die auf der Eindüsung von Ammoniak in das Rauchgas einer Verbrennungseinrichtung basieren. Auch bei der Entwicklung neuer Gas-turbinenbrennkammern steht die Absenkung der Stickoxidemission im Vordergrund. Bei Fett- Mager- Stufenbrennkammer oder RQL (Rich- Quench- Lean) gilt es hohe, insbesondere stöchio-metrienahe und damit stickoxidreiche Verbrennung zu verhindern. Die Strategie ist es hierbei, die in der Primärstufe im fetten Stöchiometriebereich ablaufende Verbrennung durch Einmischung von Luft schnell in eine magere Verbrennung in der Sekundärstufe zu überführen. Der Erfolg einer solchen Strategie hängt im wesentlichen davon ab, inwieweit es gelingt, schnell und räum-lich homogen den stöchiometrischen Bereich der Verbrennung zu überbrücken und in eine mage-re zu überführen.

 
 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Untersuchung der Vermischung einphasiger fluider Gemische mittels 2d- LIF
(SPP 1141_2)
Die Jet-in-Crossflow- Strömungsanordnung (JCF) ist eine geometrisch einfache Strömungskonfiguration, bei der ein Freistrahl senkrecht in eine gleichmäßige Querströmung eingedüst wird. Diese Strömungskonfiguration findet sich in einer Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen in Industrie, Luft/Raumfahrt und Natur. Das wesentliche experimentelle Ziel des Vorhabens ist es, „Reynolds- Flüsse“ bzw. „-Spannungen“ <rc’;n’> zu ermitteln, die den turbulenzbedingten, erhöhten Stoffaustausch in einer Strömung widerspiegeln. Diese Größen sind aufgrund dessen im Hinblick auf die Erstellung und Validierung von Modellen zur Beschreibung von Vermischvorgängen von großer Bedeutung.

Berechnung von Strömung und Wärmeübertragung in der Mikrostruktur fester keramischer Schwämme
(FOR583-T2)
Der Transport von Wärme in festen Schwämmen ist sowohl von der Mikrostruktur des Festkörpermaterials als auch von den Materialeigenschaften des Festkörpers und der Gasphase abhängig. Dies gilt insbesondere bei hohen, für Verbrennungsvorgänge relevanten Temperaturen (T>1000K), da hier zusätzlich zur Wärmeleitung durch Festkörper und Gasphase und zur Konvektion auch ein hoher Anteil des Wärmetransports durch Strahlung erfolgt.
Die Separation der physikalischen Effekte Wärmeleitung (Festkörper), Wärmeleitung (Gasphase), Wärmübergang Gasphase zum Festkörper und Strahlung von Festkörper zu Festkörper ist durch experimentelle Untersuchungen aufgrund der sehr begrenzten Zugänglichkeit nur sehr schwer möglich. Im beantragten Teilprojekt soll daher unter Zuhilfenahme der mit Computertomografie gemessenen Geometriedaten von Schwämmen numerische Simulationen (CFD) der Wärmeübertragung durchgeführt werden.
Dabei wird sowohl Konvektion und Wärmeleitung aber auch der Wärmeübergang und insbesondere die Wärmestrahlung auf Basis von Monte Carlo Simulationen detailliert beschrieben. Ziel ist die Beschreibung des Gesamtphänomens durch eine effektive Wärmeleitfähigkeit.

Rechts ist eine mit einem Zufallsprozess erzeugte generische Schwammstruktur dargestellt, bei der versucht wurde durch geeignete Geometrieparameter die physikalischen Eigenschaften der realen Struktur zu rekonstruieren.

Kraftwerke des 21. Jahrhunderts - GV 7 - Turbulente Mischung
(KW21-GV7)
Das vorliegende Teilprojekt der Forschungsinitiative "Kraftwerk des 21. Jahrhunderts" dient der theoretischen und experimentellen Erfassung turbulenter Mischungsvorgänge am Beispiel der Querstrahleinmischung. Das Teilprojekt gliedert sich in zwei Arbeitspakete. Das experimentelle Arbeitspaket dient der Erstellung einer breiten Datenbasis mit Hilfe von modernen planaren laseroptischen Messmethoden. Durch den simultanen Einsatz von PIV (Particle Image Velocimetry) und LIF (Laser-Induced-Fluorescence) sollen vor allem die Reynolds-Flüsse, welche den turbulenten Stofftransport steuern, ermittelt werden. Das theoretische Arbeitspaket befasst sich mit der Weiterentwicklung der RANS/uRANS-Modellierung mit Hilfe von Messdaten aus dem experimentellen Arbeitspaket und den Ergebnissen von im theoretischen Arbeitspaket durchgeführten Detached Eddy Simulationen (DES).
Dadurch soll die RANS/uRANS-Modellierung zu einer genauen quantitativen Vorhersage des Mischungsfeldes ertüchtigt werden. Die quantitative Vorhersage des Mischungsfeldes ist eine absolute Notwendigkeit, um einerseits durch eine beschleunigte Entwicklung neuer Konzepte die NOx-Emissionen möglichst schnell auf unter 10 ppm reduzieren zu können und andererseits die Kosten bei der Entwicklung von Gasturbinenbrennkammern zu reduzieren. (s.a.: KW21 Webseite)

Knowledge for Ignition, Acoustics and Instabilities
(KIAI)
Der Auslegungsprozess für eine Triebwerksbrennkammer startet normalerweise mit der Berechnung des benötigten Volumens an. Dabei ist es wichtig Wiederzündungsbedingungen in großer Höhe zu erfüllen. Um diese Bedingen zu ermitteln werden üblicherweise Beziehungen aus empirischen Gleichungen verwendet. Dabei handelt es sich um die sogenannten „Wiederzündungs- und  Beschleunigungs-„ Parameter, die die thermodynamischen Bedingungen und das Brennkammervolumen liefern. Die Wiederzündung kann nur dann gewährleistet werden, wenn diese Parameter kleiner als die vom Hersteller definierten Technologiestandards sind. Die beiden Parameter können nicht wirklich interpretiert werden, weil sie, wegen der Exponenten in deren Definitionen, keine gemeinsame Einheit haben. Dies bedeutet, dass der Wiederzündungsprozess ist bis heute noch nicht wirklich verstanden wurde. Darüber hinaus sind die neuen, mageren Brennkammern durch einen sehr großen Massenstrom in der Primärzone des Brenners charakterisiert. Demzufolge ist es fraglich, ob die obergenannte Gleichungen, die für konventionelle Brennkammern ausgelegt wurden, auch für die Mageren verwendet werden dürfen.
Das Verstehen des Wiederzündungsprozesses ist erforderlich für weitere Entwicklung der Flugzeugtriebwerke, weil es die weitere Reduktion des Brennkammervolumens ermöglicht. Die Reduktion des Brennkammervolumens begünstigt sowohl die Reduktion der NOx-Emissionen durch Verringerung der Verweilzeit, als auch der CO2 Emissionen durch Reduktion der Triebwerkmasse.