M.Sc. Tien Duc Luu

Studierende des Chemieingenieurwesens/Verfahrenstechnik (o.ä.) mit Freude an numerischer Arbeit. Kenntnisse in numerischer Strömungssimulation oder Strömungsmechanik, sowie Programmierkenntnisse (z.B. C/C++, Python, Matlab o.ä.) können den Einstieg erleichtern, sind aber nicht zwingend erforderlich.

Ort: CS

Motivation:

Die Verbrennung fester Brennstoffe ist nach wie vor eine der am weitesten verbreiteten Technologien in der Energieumwandlung. Fossile Brennstoffe sind eine dominierende Energiequelle, aber aufgrund ihrer Umweltgefährdung, begrenzten Verfügbarkeit, Treibhausgasemissionen und negativen Auswirkungen auf den Klimawandel ist der Bedarf an alternativen Energiequellen sehr hoch. Ein vielversprechender und innovativer Ansatz ist die Verwendung von Eisen als Energieträger in einer klimaneutralen Kreislaufwirtschaft, bei der Eisenpartikel in einem Kraftwerksprozess oxidiert werden und das dabei entstehende Eisenoxid in einem Reduktionsschritt zur Einspeicherung erneuerbarer Energie mittels Solar- oder Windenergie wieder zu Eisen reduziert wird.

Projektbeschreibung:

In diesem Projekt soll zunächst ein neu entwickelter numerischer Löser für die Oxidation von Eisenpartikel mit der Hilfe von Referenzdaten validiert werden. Im Anschluss soll die Erweiterung des Lösers erfolgen, um die Prozesse der Verdampfung und Nanopartikel-Bildung vorherzusagen, welche während der Oxidation auftreten können. Das Partikel bendet sich hierbei zentral in einem Berechnungsraum, siehe Abb. 1. Der Berechnungsraum ist in verschiedene Zellen und Gitterpunkte diskretisiert, sodass das numerische Verfahren der Finiten Volumen Methode auf die Erhaltungsgleichungen von Masse, Impuls, Energie und Spezies angewendet werden kann. Das Gitter wird in Richtung der Partikeloberfläche sukzessive verfeinert, um sämtliche Impuls-, Massen- und Energieaustauschprozesse über die Partikelgrenzschicht hinweg auflösen zu können. Das Innere des Eisenpartikels selbst wird hierbei nicht aufgelöst, sondern über einen 0D-Ansatz modelliert. Das Projekt zielt darauf ab, ein vollständiges DNS-Modell für die Eisenpartikelzündung-, Verbrennung und Nanopartikelbilanz zu entwickeln und zu validieren.

Abbildung 1: Diskretisierter Berechnungsraum eines Eisenpartikels.

Aufgabenstellung:

• Literaturrecherche zum Thema vollaufgelöste reagierende Partikelsimulationen und das Verständnis des physikalischen Prozesses der Eisenoxidation
• Einarbeitung in die Grundlagen der numerischen Strömungssimulation und OpenFOAM
• Durchführung der Simulationen für oxidierende Eisenpartikel und Validierung der Ergebnisse mit experimentellen und numerischen Referenzdaten
• Erweiterung des Lösers um die Prozesse Verdampfung und Nanopartikel-Bilanz
• Auswertung und Interpretation der Simulationsergebnisse
• Dokumentation (Bachelor-/Masterarbeit) und Präsentation des Projektes

Lernerfolge:

• Anwendung des numerischen Strömungssimulationsprogramms OpenFOAM (CFD)
• Selbstständiges Lösen komplexer technischer Probleme
• Verständnis der Methodik und Modellierung von reaktiven Mehrphasenströmungen
• Code- und Modellentwicklung in der Programmiersprache C/C++
• Darstellung, Interpretation und Beurteilung von Simulationsergebnissen
• Verfassen und Verteidigung einer wissenschaftlichen Arbeit

Aufgabensteller:

Prof. Dr. Oliver T. Stein