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 der Oxidationsprozess von Eisenstaubwolken analysiert werden. Die Fälle basieren auf Vorarbeiten der direkten numerischen Simulation der Trägerphase (Carrier-phase DNS, CPDNS) mit Eisen (siehe Abb. 1). Die dreidimensionale reagierende Mischungsschicht besteht aus zwei gegenläufigen Strömen mit "kalter"Luft im oberen und "heißer"Luft im unteren Strom. Eisenpartikel werden initialisiert und zufällig im oberen Strom verteilt. Mit fortschreitender Zeit findet eine zunehmende Durchmischung statt, wobei die Partikel in den unteren Strom gelangen, sich dort aufheizen und oxidieren. Der Zündprozess und die anschließende Verbrennung ist durch eine Reihe von Prozessparametern bestimmt, z.B. der Konzentration des Sauerstoffs, der Temperatur, Strahlung, Partikelgröße, Turbulenzgrad etc. Ziel des Projekts ist die detaillierte Analyse der bestimmenden Prozessparameter und die geeignete Quantizierung der Zünd- und Verbrennungsvorgänge anhand dieser Parameter.

Abbildung 1: Zeitlicher Verlauf der dreidimensionalen reagierenden Mischungsschicht mit Eisenpartikeln.

Aufgabenstellung:

• Literaturrecherche zum Thema turbulente reagierende Mehrphasenströmung und Verständnis der physikalischen Prozesse der Oxidation fester Brennstoffe, speziell Eisen
• Einarbeitung in die Grundlagen der numerischen Strömungssimulation und OpenFOAM
• Analyse der bestimmenden Prozessparameter für die Partikeloxidation (z.B. Sauerstokonzentration, Anfangstemperatur, Strahlung, Partikelgröße, Turbulenzgrad, etc.) mittels CP-DNS einer turbulenten reagierenden Mischungsschicht mit Eisenpartikeln
• Auswertung und Interpretation der Simulationsergebnisse
• Dokumentation (Bachelor-/Masterarbeit) und Präsentation des Projektes

Lernerfolge:

• Anwendung des numerischen Strömungssimulationsprogrammes 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