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Distillation is the most important thermal separation process, accounting for about 3 % of the world's energy demand. In the chemical industry, distillation processes are often realized in packed columns. In many cases their large-scale implementation is based on preliminary experimental investigations in laboratory-scale test columns, especially if new chemicals are involved or when particularly complex processes are to be realized. According to the state of the art, laboratory columns with a diameter of 50 mm are used for the scale-up process to generate reliable measurement data. Packings with particularly advantageous scalability properties should be used. In the context of this work, the term scalability describes a separation efficiency of a packing that is independent of the gas load and thus constant. Furthermore, the generation of reliable, reproducible mass transfer measurement data is of great importance. In principle, however, packed columns with greatly reduced diameters, Die Destillation ist das wichtigste thermische Trennverfahren, auf das etwa 3 % des weltweiten Energiebedarfs entfallen. In der chemischen Industrie werden Destillationsverfahren häufig in Packungskolonnen realisiert. Deren großtechnische Umsetzung basiert in vielen Fällen, insbesondere wenn es sich um neue Chemikalien handelt oder wenn besonders komplexe Prozesse realisiert werden sollen, auf experimentellen Voruntersuchungen in Testkolonnen im Labormaßstab. Nach dem Stand der Technik werden zur Generierung verlässlicher Messdaten für den Scale-up Prozess Laborkolonnen mit einem Durchmesser von 50 mm eingesetzt. Dabei sollten Packungen mit besonders vorteilhaften Skalierbarkeitseigenschaften verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit beschreibt der Begriff Skalierbarkeit eine von der Gasbeladung unabhängige und somit konstante Trennleistung einer Packung. Darüber hinaus ist in diesem Zusammenhang die Generierung zuverlässiger, reproduzierbarer Stofftransportmessergebnisse von großer Bedeutung. Grundsätzlich würden jedoch Packungskolonnen mit stark reduzierten Durchmessern

Polymer components are shaped mostly out of the molten state. As in the case of semi-crystalline polymers, crystallization can be suppressed by shock cooling, thermal process design allows to influence the solid bodies properties. A simulation approach that enables to predict these properties based on a forecast of crystallinity is presented in this paper. The main effects to consider and possibilities of modeling and simulation are discussed. A detailed description of how to create an experimental foundation using dynamic scanning calorimetry (DSC) and a rheometer is provided. Suppression of crystallization is modeled by a novel phenomenological approach, based on data over a large band of cooling rates. Special focus is put on parameter identification and extension of insufficient DSC data. The mechanical behavior is modeled using a weighted approach based on a nonlinear-thermoviscoelastic model for the molten state and a highly viscous Newtonian model for the solid state. Parameterization of both models is highlighted. An implementation in OpenFOAM is documented, emphasizing specific methods that were applied. Results of simulations for a simplified profile extrusion and injection molding case are presented. Basic relationships are forecasted correctly by the method, and important findings are presented for both processes.

In diesem Beitrag wird die Wirksamkeit statischer Mischer in verschiedenen Anordnungen und Strömungskonfigurationen untersucht. Auf Grundlage umfangreicher numerischer Untersuchungen werden die Anwendungsgrenzen von spiralförmigen statischen Mischern zur Verbesserung des Wärmeübergangs in Kühlkanälen von Werkzeugmaschinen aufgezeigt. Die numerischen Simulationen wurden mit der kommerziellen Computational-Fluid-Dynamics (CFD)-Software, ANSYS Fluent 2020 R2, durchgeführt. Diese Studie zeigt, dass es einen optimalen Anwendungsbereich für statische Mischer als Wärmeaustauschverstärker in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit, dem übertragenen Wärmestrom und der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs gibt. Die Untersuchungen in diesem Beitrag beschränken sich auf einphasige Strömungen in kreisförmigen Querschnitten und geraden Kanalgeometrien. Als repräsentatives Anwendungsbeispiel für eine Werkzeugmaschine wird die Kühlung eines einfachen Spritzgießwerkzeugs untersucht. Die durchgeführten Analysen zeigen, dass der Einsatz von statischer Mischelemente zur Verbesserung der Wärmeübertragung sehr effektiv ist, insbesondere bei Strömungen mit niedrigen bis mittleren Reynoldszahlen, konturnaher Kühlung, hohen Wärmestromwerten sowie hoher Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugmaterials. In this contribution, the effectiveness of helical static mixers in different arrangements and flow configurations/regimes is explored. By means of a thorough numerical analysis the application limits of helical static mixers for the heat transfer enhancement inside cooling channels of machine tools is provided. The numerical simulations were processed with the commercial finite volume Computational Fluid Dynamics (CFD) code, ANSYS Fluent 2020 R2. This study shows that there exists an optimal range of application for static mixers as heat exchange intensifier depending on the flow speed, the transmitted heat flow and the thermal conductivity of the tool. The investigations of this contribution are restricted to single-phase flow in circular cross-sections and straight channel geometries. As a representative application example for a machine tooling, the cooling of a simple injection mould is investigated. The research carried out reveals that the application of static mixing elements for enhancement of heat transfer is very effective, particularly for fluid flow with low to medium Reynolds numbers, close-contour cooling, high values of heat fluxes as well as high thermal conductivity of the tooling material.

Dieser Beitrag untersucht die Gültigkeit von 2,5D und 3D Simulationsmodellen des Füllvorgangs beim Spritzgießen. Zur numerischen Approximation dieser Ansätze wird für das 2,5D Verfahren die Software Cadmould 3D-F und für das 3D Verfahren Ansys CFX verwendet. Um das nicht newtonsche Viskositätsverhalten der Polymerschmelze abzubilden, wird in beiden Simulationen ein geeignetes Viskositätsmodell verwendet. Die Ergebnisse des numerischen Füllvorgangs werden anschließend mit experimentellen Daten validiert. This article examines the validity of 2.5D and 3D simulation models of the filling process in injection molding. To numerically approximate these approaches, the software Cadmould 3D-F is used for the 2.5D method and Ansys CFX for the 3D method. To represent the non-Newtonian viscosity behavior of the polymer melt, a suitable viscosity model is used in both simulations. The results of the numerical filling process are then validated with experimental data.

Ein CFD-basierter Compartmentmodellansatz wird auf eine kontinuierliche Polymerisation in einer vereinfachten statischen Mischergeometrie zur modellgestützten Untersuchung der Belagsbildungswahrscheinlichkeit angewendet. Die Definition der Compartments in den periodischen Strömungszonen der Mischergeometrie erfolgt auf Basis stationärer CFD-Simulationen der Hydrodynamik. Anhand von Geschwindigkeitskriterien werden Totzonen sowie Strömungszonen identifiziert und durch ideale Reaktorelemente abgebildet. Ein variabler Austauschstrom zwischen den Compartments als Funktion der Reynoldszahl bildet den Einfluss des Polymerisationsfortschritts auf das Strömungsprofil ab. Im Anwendungsbeispiel für die freie radikalische Lösungspolymerisation von Methylmethacrylat kann in stationären Simulationen mit dem entwickelten Modell eine deutlich erhöhte Viskosität in den Totzonen nachgewiesen werden, die auf ein erhöhtes Belagsbildungsrisiko hindeutet.

An experimental analysis regarding the distribution of the cutting fluid is very difficult due to the inaccessibility of the contact zone within the bore hole. Therefore, suitable simulation models are necessary to evaluate new tool designs and optimize drilling processes. In this paper the coolant distribution during helical deep hole drilling is analyzed with high-speed microscopy. Micro particles are added to the cutting fluid circuit by a developed high-pressure mixing vessel. After the evaluation of suitable particle size, particle concentration and coolant pressure, a computational fluid dynamics (CFD) simulation is validated with the experimental results. The comparison shows a very good model quality with a marginal difference for the flow velocity of 1.57% between simulation and experiment. The simulation considers the kinematic viscosity of the fluid. The results show that the fluid velocity in the chip flutes is low compared to the fluid velocity at the exit of the coolant channels of the tool and drops even further between the guide chamfers. The flow velocity and the flow pressure directly at the cutting edge decrease to such an extent that the fluid cannot generate a sufficient cooling or lubrication. With the CFD simulation a deeper understanding of the behavior and interactions of the cutting fluid is achieved. Based on these results further research activities to improve the coolant supply can be carried out with great potential to evaluate new tool geometries and optimize the machining process., Advances in manufacturing;Vol.10. 2022, issue 2, pp 235-249

In the Garu-Tempane area and Tamne River basin of north-eastern Ghana, granitic aquifers supply nearly 80% of annually abstracted groundwater. Rapid and diffuse recharge enters the fractured and weathered Tamnean Plutonic Suite aquifers mainly granitoid, which are the dominant rock types in the study area. However, a greater challenge to the water supply in the area is posed by global climatic changes and overexploitation due to population growth. The semi-arid nature of the area together with the factors mentioned earlier has caused water scarcity, particularly in the dry season and these have affected the livelihoods of the farmers who depend mostly on the groundwater for irrigation and domestic purposes. A promising way to balance water resources in the region is using engineering technology such as managed aquifer recharge (MAR). MAR augments water levels in water-scarce areas and represents a key tool in water supply management. For this reason, a comprehensive hydrogeological characterization involving the hydrochemistry of the groundwater, groundwater recharge process and residence time using multi-environmental tracers, and a numerical groundwater flow model was developed. Based on the hydrochemistry results, the water quality index showed that the groundwater is very suitable for drinking. However, about 10.5 % out of the 38 groundwater samples had elevated nitrate concentrations exceeding the permissible WHO drinking water limit. These are mainly agricultural areas, which might have influenced the elevated nitrate concentrations. Groundwater age dating using sulphur hexafluoride (SF6) and chlorofluorocarbons (CFCs) was used to date shallow groundwater in Ghana for the first time. The results proved that the mean residence time of groundwater was around 30 years, an indication of young groundwater and rapid groundwater renewability. The findings also showed different groundwater ages implying diffused flow systems occurring in the fractured granitic aquifer. Investigation of the groundwater recharge using stable isotopes of deuterium and oxygen-18 revealed that the main source of groundwater recharge is of meteoric origin. There were little or no contributions from the stream and ponds as they were subjected to evaporative fractionation during the dry season. The White Volta River samples and samples from two big rivers were depleted in heavy isotopes, which suggested a hydraulic connection between them and the groundwater. The numerical groundwater flow model was used to assess the feasibility of MAR and determine the maximum recharge and abstraction rates. The results showed that the aquifer had enough storage to accommodate enough volumes of floodwater without causing groundwater mounding. This shows that MAR is feasible in augmenting the water levels in the area when irrigation and domestic withdrawals are regulated., Im Nordosten Ghanas liefern Granitgrundwasserleiter fast 80 % des jährlich aufkommenden Grundwassers. In beiden Gebieten tritt eine schnelle und diffuse Wiederanreicherung des Grundwasserleiters vor allem durch Granitoide als dominierende Gesteinstypen auf. Eine große Herausforderung für die Wasserversorgung in der Region stellen globale klimatische Veränderungen und die Übernutzung des Grundwasserleiters durch das aktuelle Bevölkerungswachstum dar. Hinzu kommt die charakteristische Trockenheit des Gebiets, die die Wasserknappheit insbesondere in der Trockenzeit immens verstärkt. Dies beeinträchtigt wiederum erheblich die Lebensgrundlage der Bauern, die für Bewässerungs- und Haushaltszwecke hauptsächlich vom Grundwasser abhängig sind. Aus diesem Grund wurde für die ausgewählte Region eine umfassende hydrogeologische Charakterisierung unter Einbeziehung der Hydrochemie des Grundwassers, des Grundwasserneubildungsprozesses und der Verweilzeit unter Verwendung von „Multi-Umwelttracern“ sowie ein numerisches Grundwasserströmungsmodell entwickelt. Basierend auf den Daten der Hydrochemie zeigt der sogenannte Wasserqualitätsindex, dass das Grundwasser sehr gut zum Trinken geeignet ist. Allerdings weisen etwa 10,5 % der Grundwassersproben aus insgesamt 38 Messstellen erhöhte Nitratkonzentrationen auf, die den zulässigen WHO-Trinkwassergrenzwert überschreiten. Die erhöhten Nitratwerte werden hauptsächlich durch Landwirtschaft verursacht. Die Datierung des Grundwasseralters mit Multi Umwelt Tracer (SF6, FCKW) wurde erstmals von flachem Grundwasser in Ghana verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass die Durchschnittsverweildauer des Grundwassers bei etwa 30 Jahren liegt. Dies ist ein Hinweis auf junges Grundwasser, d.h. der Grundwasserleiter kann „zügig“ mit Grundwasser angereichert werden. Die Ergebnisse zeigen auch unterschiedliche Grundwasseralter, was auf diffuse Strömungssysteme hindeutet, die im zerklüfteten Granitaquifer vorkommen. Die Untersuchung der Grundwasserneubildung mit stabilen Isotopen von Deuterium und Sauerstoff-18 zeigt, dass die Hauptquelle der Grundwasserneubildung meteorischen Ursprungs ist. Es gab nur geringe oder keine Wassereinträge aus den kleineren Oberflächengewässer da keine Isotopen aus diesen Quellen im Grundwasser nachweisbar waren. Aus den größeren Oberflächengewässern wie dem White Volta River konnten hingegen schweren Isotopen im Grundwasser nachgewiesen werden, was wiederum ein Hinweis auf eine hydraulische Verbindung zwischen ihnen ist. Das numerische Grundwasserströmungsmodell wurde verwendet, um die Machbarkeit von MAR zu bewerten und die maximalen Neubildungs- und Entnahmeraten zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Aquifer über genügend Stauraum verfügt, um genügend Hochwassermengen aufzunehmen ohne Grundwasseranhäufungen zu verursachen. MAR ist somit realisierbar, um die Wasserstände in dem Gebiet zu erhöhen, wenn Bewässerung und häusliche Entnahmen reguliert werden.

Wind energy is a growing concern over the present awareness of lethal impact of green house gas emission. This energy source has been proven a promising alternative to fossil fuel based energy. Increased onshore wind capacity and decreased amount of low roughness wind sites has inspired the wind energy researchers to explore the possibilities of wind energy from high roughness sites such as urban area. Moreover, exhausted grid capacity between the wind energy producer from remote area and the consumer at city is also a major constrain for wind energy expansion. Driven by such motivation, this thesis has explored possibilities of wind energy conversion from buildings where energy is needed the most. Urban topography is known to be highly turbulent region considering its roughness characteristics. Wind energy yield from urban aerodynamics is a vast arena of experimental research. Within the time frame of the thesis period and available opportunities, a brief description about the wind energy assessment modelling approach from urban flow was outlined. There are several possibilities of wind energy yield from the built structure, but only building integrated duct was focused in this thesis. Time-averaged and global wind speed on the building integrated ducts, flow around the buildings was measured from wind tunnel and numerical analysis. Available wind energy yield and turbulence present in the locations measured from the flow was calculated based on the wind tunnel data and summarized with the pros and cons of the particular geometry. Elliptical duct configuration was found to achieve maximum energy yield from the omnidirectional free stream flow. However, simple rectangular duct configuration was determined as most efficient and optimized considering its simplicity, financial feasibility and relative energy yield with other duct configuration. The thesis also showed that on roof configuration is also very promising for wind energy exploration from the omnidirectional free stream flow. Necessary recommendations were made based on available result for future development of the research approach. Scope and opportunities was mentioned. This investigation has proved that it is possible to extract limited amount of wind energy from building augmented ducts using concentrator effect of the building exterior. Thus, the thesis concluded that the wind energy yield from building augmented ducts using the concentrator effect of the building exterior is a promising renewable energy source., Windenergie gibt angesichts des gegenwärtigen Bewusstseins für die tödlichen Auswirkungen von Treibhausgasemissionen zunehmend Anlass zur Sorge. Die erhöhte Onshore-Windkapazität und die verringerte Anzahl von Windstandorten mit geringer Rauheit haben die Windenergieforscher dazu inspiriert, die Möglichkeiten der Windenergie von Standorten mit hoher Rauheit, wie z. B. städtischen Gebieten, zu untersuchen. Darüber hinaus ist auch die erschöpfte Netzkapazität zwischen dem Windenergieerzeuger in abgelegenen Gebieten und dem Verbraucher in der Stadt ein großes Hindernis für den Ausbau der Windenergie. Angetrieben von einer solchen Motivation hat diese Arbeit Möglichkeiten der Windenergieumwandlung von Gebäuden untersucht, in denen die Energie am meisten benötigt wird. Die städtische Topographie ist aufgrund ihrer Rauheitseigenschaften als hochturbulente Region bekannt. Darüber hinaus erfordert die Komplexität des städtischen Gebiets aufgrund seiner unterschiedlichen Topographie und Form ein besseres Verständnis in Bezug auf die Aerodynamik. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Möglichkeit der Windenergieausbeute von Gebäuden und die geeignete Designlösung zu untersuchen. Im zeitlichen Rahmen der Arbeit und der verfügbaren Möglichkeiten wurde eine kurze Beschreibung des Modellierungsansatzes für die Windenergiebewertung aus dem urbanen Fluss skizziert. Es existieren mehrere Möglichkeiten der Windenergieausbeute aus der gebauten Struktur, aber in dieser Arbeit wurde nur der gebäudeintegrierte Kanal fokussiert. Die zeitlich gemittelte und globale Windgeschwindigkeit auf den gebäudeintegrierten Kanälen, die Strömung um die Gebäude herum wurde aus dem Windkanal und der numerischen Analyse gemessen. Verfügbare Windenergieerträge und vorhandene Turbulenzen an den aus der Strömung gemessenen Stellen wurden auf Basis der Windkanaldaten berechnet und mit den Vor- und Nachteilen der jeweiligen Geometrie zusammengefasst. Es wurde festgestellt, dass eine elliptische Kanalkonfiguration eine maximale Energieausbeute aus dem omnidirektionalen freien Stromfluss erzielt. Jedoch wurde eine einfache rechteckige Kanalkonfiguration als die effizienteste und optimierte unter Berücksichtigung ihrer Einfachheit, finanziellen Machbarkeit und relativen Energieausbeute mit anderen Kanalkonfigurationen bestimmt. Die Diplomarbeit zeigte auch, dass die Auf-Dach-Konfiguration auch für die Windenergieerkundung aus der omnidirektionalen freien Strömung sehr vielversprechend ist. Notwendige Empfehlungen wurden basierend auf verfügbaren Ergebnissen für die zukünftige Entwicklung des Forschungsansatzes gegeben. Umfang und Möglichkeiten wurden genannt. Diese Untersuchung hat bewiesen, dass es möglich ist, eine begrenzte Menge an Windenergie aus gebäudegestützten Kanälen zu extrahieren, indem der Konzentrator-Effekt der Gebäudehülle genutzt wird.

Die Verarbeitung von Folien auf Schneid und Wickelmaschinen erzeugt je nach verwendetem Material Schneidstaubpartikel, welche die Produktqualität herabsetzen können. Um eine hohe Qualität sicherzustellen, wird der Schneidstaub in unmittelbarer Nähe zu seiner Entstehung durch spezielle Absaugungsvorrichtungen entfernt. Versuche haben jedoch gezeigt, dass trotz hoher Absaugleistung bei bestimmten Prozessparametern ein Teil der Partikel nicht erfasst wird. Daher wird im Anschluss an eine Erhebung der bestehenden Systemgrößen ein Modell der Absaugdüse mittels numerischer Simulation auf ihre Eignung zur Partikelentfernung untersucht. Die Untersuchung zeigt, dass bei der Auslegung der Düse eine Berücksichtigung der auf der Folie entstehenden Grenzschicht zwingend erforderlich ist. Um eine zuverlässige Absaugung aller Schneidstaubpartikel auch bei extremen Prozesseinstellungen sicherzustellen, werden weitere Untersuchungen und Anpassungen erforderlich.

In dieser Arbeit wird eine kompressible Semi-Lagrangesche Lattice-Boltzmann-Methode neu entwickelt und erprobt. Die Lattice-Boltzmann-Methode ist ein Verfahren zur numerischen Strömungssimulation, das auf einer Modellierung von Partikeldichten und deren Interaktion untereinander basiert. In ihrer Ursprungsform ist die Methode jedoch auf schwach kompressible Strömungen mit niedriger Machzahl beschränkt. Wesentliche Nachteile der bisherigen Versuche zur Erweiterung auf supersonische Strömungen sind entweder mangelhafte Stabilität der Verfahren, unpraktikabel große Geschwindigkeitssätze oder die Beschränktheit auf kleine Zeitschrittweiten. Als Alternative zu bisherigen Ansätzen wird in dieser Arbeit ein Semi-Lagrangescher Strömungsschritt eingesetzt. Semi-Lagrangesche Verfahren entkoppeln mittels Interpolation die Orts-, Zeit- und Geschwindigkeitsdiskretisierung der ursprünglichen Lattice-Boltzmann-Methode. Nach der Einleitung wird im zweiten und dritten Kapitel dieser Arbeit zunächst auf die Grundlagen und Prinzipien der Lattice-Boltzmann-Methode eingegangen sowie bisherige Ansätze zur Simulation kompressibler Strömungen aufgeführt. Im Anschluss wird die kompressible Semi-Lagrangesche Lattice-Boltzmann-Methode entwickelt und beschrieben. Die Erweiterung erfolgt im Wesentlichen durch die Verknüpfung der Methode mit geeigneten Gleichgewichtsfunktionen und Geschwindigkeitssätzen. Im vierten Kapitel der Arbeit werden neue Kubatur-basierte Geschwindigkeitssätze entwickelt und getestet, darunter ein D3Q45-Geschwindigkeitssatz zur Berechnung kompressibler Strömungen, der den Rechenaufwand gegenüber konventionellen Geschwindigkeitsdiskretisierungen erheblich verringert. Im fünften Kapitel der Arbeit werden zur Validierung Simulationen von eindimensionalen Stoßrohren, zweidimensionalen Riemann-Problemen und Stoß-Wirbel-Interaktionen durchgeführt. Im Anschluss zeigen Simulationen von dreidimensionalen, kompressiblen Taylor-Green-Wirbeln sowie von wandgebundenen Testfällen die Vorteile der Methode für kompressible Strömungssimulationen. Zu diesem Zweck werden die Überschallströmung um ein zweidimensionales NACA-0012-Profil und um eine dreidimensionale Kugel sowie eine supersonische Kanalströmung untersucht. Dem Simulationsteil folgt eine umfangreiche Diskussion der Semi-Lagrangeschen Lattice-Boltzmann-Methode im Vergleich zu anderen Methoden. Die Vorteile der Methode, wie vergleichsweise große Zeitschrittweiten, körperangepasste Netze und die Stabilität der Methode, werden hier herausgearbeitet., In this thesis, a compressible semi-Lagrangian lattice Boltzmann method is newly developed and tested. The lattice Boltzmann method is a rapidly advancing numerical method for computational fluid dynamics. However, in its original form, the lattice Boltzmann method is limited to weakly compressible flows with low Mach number. Previous attempts to extend the lattice Boltzmann method to supersonic flows suffered either from poor stability, from impractically large velocity sets, or from small time step sizes. As an alternative to previous approaches, a semi-Lagrangian streaming step is used in this work. Semi-Lagrangian methods decouple the spatial, time, and velocity space discretization of the original lattice Boltzmann method by interpolation during the streaming step. Following the introduction, the second and third chapters of this thesis first detail the basics of the lattice Boltzmann method and list previous approaches to simulate compressible flows. Subsequently, the compressible semi-Lagrangian lattice Boltzmann method is developed and described. In the fourth chapter of the thesis, new cubature-based velocity sets are developed and tested, including a D3Q45 velocity set for the computation of compressible flows, which significantly reduces the computational cost compared to conventional velocity discretizations. In the fifth chapter of the thesis, simulations of one-dimensional shock tubes, two-dimensional Riemann problems, and shock-vortex interactions are performed for validation. Thereafter, simulations of compressible Taylor-Green vortices as well as wall-bounded problems demonstrate the advantages of the method for compressible flow simulations. The latter include the supersonic flow around a two-dimensional NACA-0012 profile and around a three-dimensional sphere as well as a supersonic channel flow. The simulation section is followed by an extensive discussion of the semi-Lagrangian lattice Boltzmann method in comparison to other methods. The advantages of the method include comparatively large time step sizes, compatibility with body-fitted meshes, and the intrinsic stability of the method even without artificial viscosity.

Die hybride Brandsimulation (HFS) ist eine neuartige Methode zur Analyse der Gesamtstrukturen im Brandfall. Bei dieser Methode wird der Teil eines Bauwerks, das einem Brand ausgesetzt ist, in einem Brandversuch physikalisch getestet, während der Rest des Bauwerks numerisch modelliert wird. Bei HFS als erweiterter FE-Simulation kontrolliert und aktualisiert das numerische Modell kontinuierlich die Daten des laufenden Brandversuchs. In dieser Dissertation wird ein kleines Benchmark-Problem mit einem Freiheitsgrad verwendet. Es werden eine Reihe von hybriden Brandsimulationen durchgeführt und die Robustheit und Genauigkeit des implementierten HFS-Frameworks wird durch die Untersuchung verschiedener Parameter, wie z.B. des angewandten Lastverhältnisses, der Aufheizrate sowie einflussreicher rechnergestützter Faktoren, validiert. Darüber hinaus wird der Einfluss des Wärmeübergangs an der Schnittstelle von Substrukturen im Hybridmodell durch einen virtuellen HFS-Ansatz dargestellt., Hybrid fire simulation (HFS) is a novel method for analysis of global performance of structures in fire. In the principles of this method, the part of a structure subjected to fire is physically tested in a fire test while the rest of the structure is numerically modeled. In HFS as an extended FE simulation, the numerical model continuously controls and updates the data of the ongoing fire test. In this dissertation, a small-scale one-degree-of-freedom benchmark problem is applied. A series of hybrid fire simulations are performed and the robustness and accuracy of the implemented HFS framework are validated by investigating various parameters as applied load ratio, heating rate as well as influencing computational factors. Additionally, the influence of heat transfer at the interface of substructures in hybrid model is also presented by a virtual HFS approach.

Für die Weiterentwicklung von Turbomaschinen werden Strömungssimulationen verwendet um Designs zu bewerten. Hierfür wird aus der Design-Geometrie ein Netz erzeugt, das der Simulation als räumliche Diskretisierung dient. Dabei bieten sich blockstrukturierte Netze für die Vernetzung von Schaufelpassagen in Turbomaschinen an. In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Generierung blockstrukturierter Netze entworfen und bewertet. Diese soll hochwertige Netze erzeugen und dabei mit einem kleinen Parametersatz an Blockgrößen und Abstandsvorgaben auskommen. Hierbei wird die Vernetzung als ein Optimierungsproblem aufgefasst, dessen Komplexität durch eine auf B-Splines aufbauende Netzdarstellung verringert wird. In einem automatischen mehrstufigen Prozess werden verschiedene Kriterien optimiert und ein Netz erstellt. Die Anwendung der Methode wird an verschiedenen turbomaschinenrelevanten Testfällen demonstriert und mit einer algebraischen Vernetzungsmethode verglichen.

This thesis is aimed at reliable numerical predictions of hydrodynamic damping and loads on floating offshore wind turbines. Investigations of hydrodynamic damping and loads on a moored semi-submersible floater are presented using Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations. The investigations include systematic verification studies comparing three discretisation error and uncertainty quantification methods on four different aspects of floating wind turbine simulations. These aspects are wave propagation, wave loads on a cylinder, surge decay motion of a semi-submersible, and a dynamic mooring model in surge decay motion. The discretisation error and uncertainty estimation approaches are based on Richardson extrapolation. Furthermore, a variety of different settings and models are studied to predict hydrodynamic damping, including temporal and spatial discretisation, wave radiation as well as turbulence and mooring models. For each model and numerical setting, the hydrodynamic damping in terms of the linear and quadratic component along with the flow field is analysed. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2021

Die Ber��cksichtigung von Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI) zwischen Ingenieurbauwerken und dem Wind ist eine fundamentale Herausforderung des Windingenieurwesens. Ein noch nicht vollst��ndig verstandenes FSI-bedingtes Ph��nomen stellen hierbei wirbelinduzierte Schwingungen dar. Um das Verst��ndnis dieser Schwingung bei unter- und ��berkritischen Reynoldszahlen zu verbessern, verwendet diese Arbeit eine hybride Strategie, die auf der Durchf��hrung von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) und dem Heranziehen experimentellen Ergebnissen beruht. Die Bewertung der Simulationsergebnisse durch Validierung mit experimentellen Daten erlaubt in einem zweiten Schritt das Erlangen neuer Erkenntnisse ��ber die Natur von wirbelinduzierten Schwingungen, die ��ber die experimentellen Daten hinaus gehen. Die Simulationen umfassen Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes Simulationen und Large-Eddy-Simulationen an station��ren, gef��hrt bewegten und frei schwingenden Kreiszylinderabschnittsmodellen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Strömungsverhalten und der Optimierung von Übergangsdiffusoren von zweiwelligen Kleingasturbinen bei vergleichsweise kleinen Eintrittsreynoldszahlen (∼ 10000), welche sich aus den geringen Abmessungen ergeben. Im Zuge der Untersuchung wird ebenfalls auf die Modellierung des Kreisprozesses von Kleingasturbinen eingegangen. Dabei wird der Einfluss von parasitären Effekten wie unerwünschte Wärmeleitung aufgrund der geringen Abmessungen betrachtet, um möglichst realistische Randbedingungen für die Diffusoruntersuchung zu generieren. Einleitend wird auf Trendprognosen betreffend der unbemannten Luftfahrt eingegangen, was ein mögliches Anwendungsgebiet von zweiwelligen Kleingasturbinen als Antriebsmaschine darstellt. Diese Prognosen zeigen einen steigenden Trend für Drohnennutzung im kommerziellen Sektor, wodurch ein erhöhter Bedarf für Forschung und Entwicklung im Bereich der Antriebskomponenten für UAVs zu erwarten ist. Im Zuge dessen wird auf ein spezielles Drohnenkonzept eingegangen, welches die Möglichkeit bietet, eine Kleingasturbine als Antrieb zu verwenden und deren Vorteile für den Flugbetrieb zu nutzen. Dabei wurde eine benötigte Antriebsleistung von etwa 40 kW abgeschätzt. Wie eine durchgeführte Marktsondierung zeigt, sind jedoch im Bereich der Kleingasturbinen im betrachteten Bereich von bis zu 500 kW keine Wellenleistungstriebwerke mit mehr als 15 kW Antriebsleistung direkt verfügbar. Im Vorfeld der Strömungsuntersuchungen wurde deshalb ein vorhandenes Strahltriebwerk in ein Wellenleistungstriebwerk übergeleitet, woraus sich die Hauptabmessungen des Übergangsdiffusors ergaben. Dazu wird zunächst die relevante Literatur betreffend Kleingasturbinen aufgezeigt. Weiters werden die bekanntesten Erkenntnisse betreffend der Strömung und der Optimierung von Übergangsdiffusoren angeführt. Es zeigt sich, dass sich der Großteil der bekannten Diffusorliteratur auf Eintrittsreynoldszahlen bezieht, die um eine Größenordnung über jenen liegt (∼ 100000), welche in Übergangsdiffusoren von Kleingasturbinen auftreten. Um Besonderheiten betreffend der Modellierung von Kleingasturbinen besser beurteilen zu können, wurde im Vorfeld der Triebwerksüberleitung eine Messung an der institutseigenen Kleingasturbine durchgeführt. Im Zuge dessen wurde die Messtechnik des Gasturbinenprüfstandes erneuert und ein Messprogramm zur digitalen Datenauswertung erstellt. Parallel zu der experimentellen Untersuchung wurde der thermodynamische Kreisprozess der Kleingasturbine mittels geeigneter Simulationssoftware modelliert. Durch den Vergleich der Messdaten mit den Simulationsergebnissen konnte anschließend das Simulationsmodell validiert werden. Auf Basis dessen wurde für das Triebwerk, welches für die Überleitung ausgewählt wurde, ebenfalls eine Kreisprozesssimulation durchgeführt. Daraus ergaben sich die Zustandsgrößen am Austritt der Gasgeneratorturbine. Die Strömungsgrößen wurden dabei durch eine parallel ausgeführte Mittelschnittrechnung generiert. Durch die anschließende Vorauslegung der Nutzleistungsturbine wurden schließlich die Hauptabmessungen des Übergangsdiffusors fixiert. Die Größen am Gasgeneratoraustritt wurden anschließend als Eintrittsrandbedingung für die numerische Untersuchung des Übergangsdiffusors verwendet. Neben der Variation von Turbulenzgrad und Versperrung am Diffusoreintritt wurde auch der Einfluss des mittleren Diffusoröffnungswinkels, sowie des Kantenradius an den Stoßkanten der Diffusorwände untersucht. Zusätzlich wurde bei den einzelnen Berechnungen die Diffusorlänge variiert. Dadurch konnten optimale Diffusorlängen für maximalen Druckrückgewinn sowie der Druckrückgewinn in Abhängigkeit de rDiffusorlänge gewonnen werden. Durch eine zweidimensionale Simulation konnte eine Vielzahl an Diffusorgeometrien untersucht und schließlich mit den Ergebnissen aus der bekannten Diffusorliteratur verglichen werden. Dabei stellte sich heraus, dass auch bei geringeren Eintrittsreynoldszahlen die bekannte Literatur für die Auswahl optimaler Geometrien verwendet werden kann. Dies gilt jedoch nur für ein bestimmtes Kanalhöhenverhältnis von etwa 1,2. Für abweichende Kanalhöhenverhältnisse ergeben sich aus dieser Arbeit ebenfalls Diffusordiagramme, die für eine Vorauswahl optimaler Geometrien bei kleinen Eintrittsreynoldszahlen herangezogen werden können. Im Anschluss an die Untersuchungen betreffend geradwandiger Übergangsdiffusoren wurde eine Geometrieoptimierung auf Basis der erhaltenen Hauptabmessungen durchgeführt. Dabei wurde die Methode der antwortflächenbasierten Optimierung verwendet. Dadurch konnte bei gleichem Druckrückgewinn der Diffusor um 30 %verkürzt werden. Abschließend wurde die Rückwirkung der Nutzleistungsturbinenleitreihe auf die Diffusorströmung mit Hilfe eines porösen Mediums untersucht., This thesis deals with the numerical investigation of flows within intermediate turbine ducts at low inlet Reynolds numbers (∼ 10000), as these flows occur in micro-gas turbines due to small dimensions. Modelling of micro-gas turbines is also part of the present work in order to generate realistic boundary conditions for the duct flow investigation. Initially, trend forecasts concerning unmanned aerial vehicles (UAVs) are discussed.UAVs represent a possible field for a micro-turbo shaft gas turbine application. As the forecasts show an increasing trend for commercial UAV use, a growing demand of research and development in the field of UAV propulsion is expected. In this context, a special UAV concept is discussed which offers the possibility of a gas turbine propulsion while using its advantages in flight operations. For this concept,a required drive power of about 40 kW was estimated. However, a market survey shows that no turbo shaft engines are available in this power range. Therefore, an existing micro-jet engine was converted into a micro-turbo shaft engine, what resulted in the main dimensions of the intermediate turbine duct which are essential for the flow investigation. For this purpose, the relevant literature on small gas turbines is presented at first. Furthermore, the best-known findings concerning the flow and the optimisation of intermediate turbine ducts are presented. It is shown that most of the known diffuser literature refers to inlet Reynolds numbers, which are an order of magnitude higher (∼ 100000), than those of ducts within micro-gas turbines. In order to be able to better assess specific issues concerning the modelling of micro-gas turbines, a measurement was carried out on the institute’s gas turbine test stand in the forefield of the engine conversion. In this course, the existing measurement technology has been replaced by digital transducers and a data acquisition program has been developed. Subsequently, the thermodynamic cycle of the institute ́s gas turbine has been modelled using suitable simulation software. The model was then validated by comparing the measurement data with the simulation results. Based on this, the micro-gas turbine which was selected for the conversion has also been modelled. As a result, the thermodynamic properties at the gas generator turbine outlet were obtained. Flow velocities were calculated via mean line analysis in parallel. Finally, the main dimensions of the intermediate turbine duct were fixed by the subsequent pre dimensioning of the power turbine. The conditions at the gas generator outlet were then used as inlet boundary conditions for the numerical investigation of the intermediate turbine duct. Beside the Reynolds number, inlet turbulence and blockage, as well as mean rise angle have been varied during the simulations. Additionally, all investigations have been carried out at different duct lengths. As a result, pressure recovery as a function of duct length and optimum lengths for maximum pressure recovery were obtained. Through a two-dimensional, rotationally symmetric modelling, it was possible to investigate a large number of duct geometries. Finally the results were compared to the known diffuser literature. It turned out, that lower inlet Reynolds numbers have almost no influence on the location of the optimal geometry in the performance chart of intermediate turbine ducts, as long as the channel height ratio differs no tfrom 1,2. For deviating channel height ratios, diffuser performance charts which also result from this work, can be used for a pre selection of optimal intermediate turbine duct geometries. Following the investigations concerning straight-walled intermediate turbine ducts,a geometry optimisation was carried out using response surface-based optimisation. Thereby, the intermediate turbine duct could be shortened by 30 % without any loss in pressure recovery. Finally, the effect of the power turbine ́s guide vane row on the diffuser flow was numerically investigated using a porous medium approach.

Die simulative Prognose des Mündungsgeräusches von Fahrzeugabgasanlagen stellt ein essentielles Auslegungswerkzeug dar, um den vielseitigen akustischen Anforderungen in der modernen Fahrzeugakustikentwicklung gerecht zu werden. Ein hierfür etablierter methodischer Ansatz ist die eindimensionale nichtlineare Gasdynamiksimulation im Zeitbereich. Während mit dieser Methode schnelle Simulationen bei geringem Rechenaufwand möglich sind, gehen damit aufgrund der implizierten eingeschränkten eindimensionalen Abbildung der Strömungsvorgänge ebenfalls verschiedene Restriktionen im Prognoseumfang einher. Aufgrund der kontinuierlich steigenden akustischen Anforderungen, sowohl aus Kundensicht als psychoakustischer Qualitätsaspekt als auch hinsichtlich gesetzlicher Vorschriften, ist für die zukünftige adäquate und zielgerichtete Entwicklung des Mündungsgeräusches eine deutliche Erweiterung des numerischen Prognoseumfanges notwendig. Für die vollständige Abbildung der akustischen Quellmechanismen ist es erforderlich, die Strömungsvorgänge vollumfänglich im dreidimensionalen Kontext, einschließlich derer Turbulenzinformationen, abzubilden und daraus die akustischen Quellen sowie deren Ausbreitung abzuleiten. In der vorliegenden Arbeit wird dieser zusammenhängende Themenkomplex mittels systematischer experimenteller Analysen der grundlegenden Strömungs- und Akustikmechanismen erschlossen und mit darauf aufbauenden numerischen Untersuchungen schrittweise zu einer geeigneten dreidimensionalen Prognosemethode geführt. Für die differenzierte Untersuchung der überlagerten strömungsakustischen Einzelmechanismen, die dem Entstehungsprozess des Mündungsgeräusches zugrunde liegen, wurde eine geometrische und physikalische Abstrahierung vorgenommen. Dabei wurden drei generische Untersuchungsmodelle definiert: ein gerades Rohr und zwei zylindrische Expansionskammern, die sich im Durchmesser unterscheiden. Die Modelle wurden mit zwei separierten physikalischen Eingangsrandbedingungen in Form eines stationären Massenstroms bei unterschiedlichen Machzahlen und eines pulsierenden Massenstroms bei verschiedenen Motordrehzahlen beaufschlagt. Dadurch wurde die Analyse der distinktiven akustischen Entstehungsmechanismen sowie eine schrittweise Evaluierung einer geeigneten numerischen Prognosemethode ermöglicht. Im Experiment wurden sowohl die transienten turbulenten Strömungsfelder im Freistrahl stromabwärts der Modellmündungen als auch die von dort emittierten Akustikfelder erfasst. Zur numerischen Abbildung wurden Strömungssimulationen mit hybriden DES- und LES-Turbulenzformulierungen unter Verwendung unterschiedlicher numerischer Konfigurationen durchgeführt und zur Berechnung des akustischen Signals mit der Ffowcs Williams und Hawkings Methode gekoppelt. Anhand der experimentellen Daten zum geraden Rohr bei stationärem Massenstrom konnte gezeigt werden, dass die in der Freistrahlakustik etablierten Ähnlichkeitsspektren auch für Freistrahlen im niedrigen subsonischen Bereich basierend auf einer voll turbulenten Rohrströmung Validität besitzen. Allerdings war bei jedem Abstrahlwinkel stets eine Superpositionierung der beiden Ähnlichkeitsspektren und damit der beiden selbstähnlichen turbulenten Quellmechanismen zur Approximation der gemessenen Frequenzspektren erforderlich. Dies steht im Kontrast zu den Literaturergebnissen und konnte als Eigenschaft der in dieser Arbeit untersuchten kleinen Machzahlen identifiziert werden. Mit den dazugehörigen Simulationen konnte gezeigt werden, dass das DES-Modell in Standard-Konfiguration nicht zur Abbildung eines auf einer voll turbulenten Rohrströmung basierenden Freistrahls geeignet ist. Aufgrund einer räumlichen Verzögerung in der Entstehung aufgelöster turbulenter Fluktuationen stromabwärts der Modellmündung entstand ein Verhalten mit ähnlichen Charakteristika einer laminar-turbulenten Transition. Durch stark ausgeprägte räumlich kohärente Wirbelstrukturen führte dies zu akustischen Überhöhungen bei tiefen und mittleren Frequenzen von bis zu +12 dB/Hz. Dieser Effekt konnte durch eine numerische Konfiguration in Form einer künstlichen Reduzierung der Wirbelviskosität im Freistrahl vermieden werden, wodurch die akustischen Überhöhungen um bis zu 9.8 dB/Hz verringert wurden. Weitere Konfigurationen zeigten, dass die Form des radialen turbulenten Strömungsprofils an der Mündung sowie die Auflösung turbulenter Fluktuationen in der Grenzschicht stromaufwärts der Mündung maßgebliche Parameter für die korrekte akustische Prädiktion in mittleren und hohen Frequenzbereichen sind. Als übergreifend geeignetste Methode ließ sich schließlich die skalenauflösende Simulation der innenliegenden Rohrströmung mittels WMLES und synthetischer Eingangsturbulenz festhalten. Die komplementären experimentellen Untersuchungen an den Modellen der Expansionskammern zeigten, dass trotz identischer Eingangsrandbedingungen deutlich erhöhte Schalldruckpegel im Mündungsgeräusch gegenüber dem geraden Rohr entstehen. Diese ließen sich auf tonale Komponenten, bedingt durch angeregte Systemresonanzen, sowie auf erhöhte breitbandige Anteile, hervorgerufen durch gesteigerte Turbulenzgrade, zurückführen. Beide Effekte zeigten dabei eine Abhängigkeit vom Kammerdurchmesser. Mit dem Übertrag der WMLES-Methode vom geraden Rohr auf die große Expansionskammer wurden sowohl im turbulenten Strömungsfeld als auch in Form der deutlich erhöhten akustischen Anregung sowie in derer Tonalität sehr gute Ergebnisse erzielt. Dies bestätigte die gute Prognosegüte dieses Ansatzes auch für komplexere Geometrien. Bei den zweiten physikalischen Eingangsrandbedingungen in Form des pulsierenden Massenstroms zeigten die experimentellen Ergebnisse ein stark tonal geprägtes Mündungsgeräusch. Dieses wies trotz niedrigerer mittlerer Machzahl eine erhebliche Erhöhung der Schalldruckpegel gegenüber dem stationären Massenstrom auf und verdeutlichte dadurch die signifikant erhöhte Effizienz eines pulsierenden Massenstroms als akustischer Quellmechanismus, der als Monopolquelle agiert. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass mit steigender Motordrehzahl eine Umverteilung der akustischen Anregung von Haupt- zu Nebenordnungen einhergeht, was auf eine Änderung der frequenziellen Aufteilung der strömungsseitigen Anregungsenergie zurückzuführen war. Die bei global stationären Randbedingungen verifizierte Simulationsmethodik des WMLES-Modells ergab auch bei pulsierendem Massenstrom sowohl hinsichtlich des erhöhten Schallpegelniveaus als auch in Bezug auf die Tonalität sehr gute Ergebnisse. Ferner stimmten die Gesamtschalldruckpegel sehr gut bis exakt mit den experimentellen Daten überein. Insgesamt ist dieser numerische Ansatz somit als geeignete Methode zur Abbildung aller grundlegenden strömungsakustischen Mechanismen des Mündungsgeräusches von Fahrzeugabgasanlagen festzuhalten., The simulative prediction of the tailpipe noise of automotive exhaust systems is an essential design tool to meet the manifold acoustic requirements in modern automotive acoustics development. A well-established methodological approach for this purpose is the one-dimensional nonlinear gas dynamics simulation in the time domain. While this method allows for fast simulations with low computational effort, due to the implied limited one-dimensional modelling of the flow processes, various restrictions in the prediction scope are also associated with it. Due to the continuously increasing acoustic requirements, both from the customer’s point of view as a psychoacoustic quality aspect as well as with regard to legal regulations, a considerable extension of the numerical prediction range is necessary for the future adequate and targeted development of the tailpipe noise. For the complete capture of the acoustic source mechanisms it is necessary to model the flow processes entirely in a three-dimensional context, including their turbulence information, and to derive the acoustic sources and their propagation out of the transient flow data. In the present work, this contiguous topic complex is elaborated by means of systematic experimental analyses of the fundamental flow and acoustic mechanisms and, with numerical investigations based on this, is gradually led to a suitable three-dimensional prediction method. For the differentiated investigation of the superimposed individual aeroacoustic mechanisms, which are underlying the formation process of the tailpipe noise, a geometrical and physical abstraction was carried out. Thereby three generic study models were defined: a straight pipe and two cylindrical expansion chambers, which differ in diameter. The models were impinged with two separate physical inlet boundary conditions in the form of a steady-state mass flow at different Mach numbers and a pulsating mass flow at different engine speeds. Thereby the analysis of the distinctive acoustic formation mechanisms as well as a gradually evaluation of a suitable numerical prediction method was enabled. In the experiment both the transient turbulent flow fields in the free jet downstream of the model orifices and the acoustics fields emitted from there were detected. For numerical modelling, flow simulations with hybrid DES and LES turbulence formulations were carried out using different numerical configurations and coupled with the Ffowcs Williams and Hawkings method to compute the acoustic signal. On the basis of the experimental data of the straight pipe at steady-state mass flow it could be shown that the well-established similarity spectra of free jet acoustics also have validity for free jets in the low subsonic range based on a fully turbulent pipe flow. However, at each radiation angle a superpositioning of the two similarity spectra and thus of the two self-similar turbulent source mechanisms for approximation of the measured frequency spectra was always required. This contrasts with the literature results and could be identified as a property of the small Mach numbers examined in this work. With the associated simulations it could be shown that the DES model in standard configuration is not suitable for modelling a free jet based on a fully turbulent pipe flow. Due to a spatial delay in the formation of resolved turbulent fluctuations downstream of the model orifice, a behavior with similar characteristics of a laminar-turbulent transition resulted. Owing to strongly pronounced spatially coherent vortex structures, this led to acoustic superelevations at low and medium frequencies of up to +12 dB/Hz. This effect could be avoided by a numerical configuration in the form of an artificial reduction of the eddy viscosity in the free jet, whereby the acoustic superelevations were reduced by up to 9.8 dB/Hz. Further configurations showed that the shape of the radial turbulent flow profile at the orifice as well as the resolution of turbulent fluctuations in the boundary layer upstream of the orifice are decisive parameters for the correct acoustic prediction in medium and high frequency ranges. Finally, the overall most suitable method was the scale-resolving simulation of the internal pipe flow using WMLES and synthetic inlet turbulence. The complementary experimental studies on the models of the expansion chambers showed that despite identical inlet boundary conditions, considerable increased sound pressure levels occur in the tailpipe noise compared to the straight pipe. These could be attributed to tonal components conditioned by excited system resonances as well as to increased broadband proportions caused by raised turbulence levels. Thereby both effects showed a dependence on the chamber diameter. With the transfer of the WMLES method from the straight pipe to the large expansion chamber very good results were achieved both in the turbulent flow field as well as in the form of considerable increased acoustic excitation and its tonality. This verified the good predictive quality of this approach even for more complex geometries. With the second physical inlet boundary conditions in the form of the pulsating mass flow, the experimental results showed a strongly tonal pronounced tailpipe noise. Despite the lower mean Mach number, this showed a significant increase in the sound pressure levels compared to the steady-state mass flow and thus illustrated the considerable increased efficiency of a pulsating mass flow as an acoustic source mechanism that acts as a monopole source. In addition it could be shown that with increasing engine speed a redistribution of the acoustic excitation from main to secondary orders is accompanied, which could be attributed to a change in the frequency distribution of the flow-sided excitation energy. The simulation methodology of the WMLES model, verified in globally stationary boundary conditions, also yielded very good results at pulsating mass flow both in terms of increased sound level and in respect of tonality. Furthermore, the overall sound pressure levels had a very good or even an exact match with the experimental data. Overall, this numerical approach can therefore be stated as a suitable method for modelling all the basic aeroacoustic mechanisms of the tailpipe noise of automotive exhaust systems.

Electrostatic precipitators (ESPs) belong to the most efficient devices for control of particle emissions in the process industry and environmental technologies in general. The operating principle of ESPs, relying on particle precipitation by electrical charging, leads to an enhanced turbulent motion by electrohydrodynamic (EHD) effects within the gaseous working fluid passing through the ESP. This enhanced turbulence is generally considered detrimental to the separation efficiency, because the additional shear forces acting on the collection electrodes promote re-entrainment of already precipitated particles. Further, the enhanced turbulent cross mixing diminishes the transport of charged particles by electric forces directed towards the collection electrodes. In other industrial applications however, many process units that are based on heat or mass transport would benefit from enhanced turbulent mixing. These include heat exchangers for energy recuperation or evaporation and absorption units such as flue gas scrubbers. A combination of these with an ESP possibly allows for versatile new applications in the process industry. The motivation of this thesis is to study the effects of electrohydrodynamically generated motions onto the turbulent cross mixing within gaseous flows over a wide parameter space including variations in geometry and operating conditions. In order to do so, the influence of EHD effects on the three major transport properties, i.e. thermal energy, mass and momentum, were experimentally investigated. Based on analogies caused by similar transport mechanisms, the experimental results were compared despite different methods being used. In order to help with the comparison a simplified eddy viscosity model is applied. The study for each transport property was conducted with a different setup of a tube type ESP. These setups include axial and radial pressure drop measurements to quantify the momentum transport, a self-built local heat transfer sensor to determine heat transfer coefficients and a wetted wall-column to study the enhancement of mass transport phenomena. Experiments on momentum and heat transport include a large variation of different geometries and operating variables such as discharge electrode design, tube diameter, flow velocity, as well as magnitude and polarity of operating voltage. In addition, selected measurements with aerosol particles were conducted, to gain additional insights on the effects of EHD induced turbulence generation by particle bound space charge compared to ion bound space charge in clean gas flows. The results do not only provide transport coefficients for the hands-on application by plant designers, but also feature numerous experimental data that can be used as reference values for ongoing research in the numerical simulation of electrohydrodynamically enhanced flow and therefore significantly increase the available amount of data provided by current literature., Im Rahmen der Maßnahmen zur Eindämmung der Luftverschmutzung sind Elektroabscheider als eines der effektivsten Systeme zur Minderung von Feinstaubemissionen im industriellen Umfeld bekannt. Charakteristisch für den Betrieb von Elektroabscheidern ist das Auftreten elektrohydrodynamischer (EHD) Strömungen, welche die Turbulenz des gasförmigen Trägermediums der Partikeln weiter anfachen. Aus emissionstechnischer Sicht handelt es sich dabei um einen unerwünschten Nebeneffekt, da Scherkräfte, verursacht durch die zusätzliche Turbulenz in der Gasströmung, auf die bereits abgeschiedenen Partikeln auf der Niederschlagselektrode wirken und zu deren Wiedereintrag in die Gasströmung führen. Zudem wirkt die turbulente Quervermischung dem Partikeldrift der geladenen Teilchen in Richtung der Sammelelektrode entgegen. Andere Komponenten der Prozessindustrie hingegen würden von einer erhöhten Turbulenz in der Gasphase profitieren, insbesondere dann, wenn ihr Funktionsprinzip auf Wärme- und Stoffübertragung basiert. Dies beinhaltet neben Wärmeübertragern zur Energierückgewinnung oder Verdampfungszwecken auch Wäscher zur Schadgasabsorption. Damit steht ein großes Potential zur Anwendung des elektrohydrodynamisch verstärkten Wärme- und Stofftransports in der Prozessindustrie zur Verfügung. Das Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, die Auswirkungen von EHD-Effekten auf die turbulente Quervermischung in einem Rohr-Elektroabscheider, unter Variation verschiedener Geometrien und Betriebsparameter zu untersuchen. Dazu zählen unterschiedliche Rohrdurchmesser und Sprühelektrodenformen, sowie die Abdeckung eines großen Arbeitsbereichs von Betriebsspannungen beider Polaritäten bei drei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten. Bei ausgewählten Versuchen erfolgt außerdem noch die Zugabe eines stark beladenen Aerosols. Die Wahl der Rohr-Elektroabscheidergeometrie erlaubt es auf Basis der Rotationssymmetrie theoretische Betrachtungen gegebenenfalls zu vereinfachen, wenn experimentelle Untersuchungen durch diese gestützt werden sollen. Die turbulente Quervermischung wird anhand ihres Einfluss auf die drei Haupttransportgrößen, thermische Energie, Masse und Impuls, jeweils auf Basis unterschiedlicher Methoden, charakterisiert. Dies erlaubt einerseits die Validierung der Ergebnisse durch den Vergleich zwischen den Methoden, beispielsweise, wenn bestimmte Transportanalogien zutreffen, andererseits erlaubt es Rückschlüsse auf Besonderheiten der jeweiligen Transportgleichungen, falls Unterschiede zwischen den Transportgleichungen überwiegen. Zum Vergleich wird unter anderem das vereinfachte Modell der Eddy-Viskosität herangezogen. Die Ergebnisse beinhalten dabei neben den experimentell bestimmten Transportkoeffizienten und turbulenten Diffusionskoeffzienten, welche sich zur direkten Anwendung im Anlagenbau eignen, auch eine Vielzahl experimenteller Messdaten, welche als Referenzwerte für numerische Studien herangezogen werden.

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.

The research conducted in this thesis is focused on property-preserving discretizations of hyperbolic partial differential equations. Computational methods for solving such problems need to be carefully designed to produce physically meaningful numerical solutions. In particular, approximations to some quantities of interest should satisfy local and global discrete maximum principles. Moreover, numerical methods need to obey certain conservation relations, and convergence of approximations to the physically relevant exact solution should be ensured if multiple solutions may exist. Many algorithms based on the aforementioned design principles fall into the category of algebraic flux correction (AFC) schemes. Modern AFC discretizations of nonlinear hyperbolic systems express approximate solutions as convex combinations of intermediate states and constrain these states to be admissible. The main focus of our work is on monolithic convex limiting (MCL) strategies that modify spatial semi-discretizations in this way. Contrary to limiting approaches of predictor-corrector type, their monolithic counterparts are well suited for transient and steady problems alike. Further benefits of the MCL framework presented in this thesis include the possibility of enforcing entropy stability conditions in addition to discrete maximum principles. Using the AFC methodology, we transform finite element discretizations into property-preserving low order methods and perform flux correction to recover higher orders of accuracy without losing any desirable properties. The presented methods produce physics-compatible approximations, which exhibit excellent shock capturing capabilities. One novelty of this work is the tailor-made extension of monolithic convex limiting to the shallow water equations with a nonconservative topography term. Our generalized MCL schemes are entropy stable, positivity preserving, and well balanced in the sense that lake at rest equilibria are preserved. Another desirable property of numerical methods for the shallow water equations is the capability to handle wet-dry transitions properly. We present two new approaches to dealing with this issue. To corroborate our computational results with theoretical investigations, we perform numerical analysis for property-preserving discretizations of the time-dependent linear advection equation. In this context, we prove stability and derive an a~priori error estimate in the semi-discrete setting. We also compare the monolithic convex limiting strategy to two representatives of related flux-corrected transport algorithms. Another highlight of this thesis is the chapter on MCL schemes for arbitrary order discontinuous Galerkin (DG) discretizations. Building on algorithms developed for continuous Lagrange and Bernstein finite elements, we extend our MCL schemes to the high order DG setting. This research effort involves the design of new AFC tools for numerical fluxes that appear in the DG weak formulation. Our limiting strategy for DG methods exploits the properties of high order Bernstein polynomials to construct sparse discrete operators leading to compact-stencil nonlinear approximations. The proposed numerical methods are applied to various hyperbolic problems. Scalar equations are considered mainly for testing purposes and to simplify numerical analysis. Besides the shallow water system, we study the Euler equations of gas dynamics.

Die vorliegende Arbeit stellt eine Abhandlung über den effizienten Einsatz von hochgenauen Grobstruktursimulationsverfahren (LES) für die präzise Bestimmung des Grenzschichtzustandes in hochbelasteten Niederdruckturbinenstufen unter periodischem Nachlaufeinfluss dar. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf einer präzisen Definition der Problemstellung, einer exakten Ableitung der resultierenden Randbedingungen & Einstellungen und der effizienten Auswertung der resultierenden Daten. Hierdurch können umfassende Einblicke in fundamentale strömungsphysikalische Zusammenhänge gewonnen werden konnten, welche auf Basis der zusätzlich vorgestellten experimentellen Datenbasis nicht ermittelt werden konnten., This work presents a treatise on the efficient use of highly accurate Large Eddy Simulation (LES) techniques for the precise determination of the boundary layer condition in highly loaded low-pressure turbine stages under periodic wake influence. Special attention is paid to a precise definition of the problem, an exact derivation of the resulting boundary conditions & settings and the efficient evaluation of the resulting data. Through this, comprehensive insights into fundamental flow-physical relationships can be gained, which could not be determined on the basis of the additionally presented experimental data base.

The change in morphology of a char particle affects both its trajectory and carbon consumption rate, hence the performance and efficiency of an entrained-flow gasifier. Among key processes taking place in the gasifier, the char conversion process is a limiting step for the overall carbon conversion. For that reason, the Ph.D. thesis presents the evolution of morphology of char particles during the carbon conversion process using particle-resolved transient CFD calculations. Analyses of numerical data obtained from the transient CFD calculations were carried out. As a result, new sub models related to the drag coefficient and the fundamental parameters of char conversion model were emerged. The new sub models were applied for modeling a pressured entrained-flow gasifier at laboratory scale. The numerical results of the gasifier show a good agreement with experimental data and an improvement of the sub models applied.

Gefördert im Rahmen des Projekts DEAL

Die Rinderhaltung in frei belüfteten Stallanlagen stellt eine große Emissionsquelle von Ammoniak dar. Numerische Modelle von Stallgebäuden ermöglichen es, das Strömungsgeschehen, die Konzentrationsverteilungen von Schadgasen und das Emissionsverhalten eines realen Stalls unter jedem relevanten Betriebszustand virtuell am Computer zu simulieren. So lassen sich Lüftungsstrategien für frei belüftete Milchviehställe entwickeln, welche die Emissionen verringern und gleichzeitig den Tierschutz steigern. In der vorliegenden Arbeit wurde das numerische Modell eines real existierenden Milchviehstalls um eine partielle Unterflurabsaugung mit anschließender Abluftreinigung erweitert und das Emissionsverhalten bei verschiedenen Anströmbedingungen und Betriebszuständen berechnet. Die Simulationen zeigten dabei ein deutliches Potenzial für eine Minderung der Ammoniakemissionen und Möglichkeiten für eine Optimierung der Lüftung eines offenen Stallsystems. In vergleichbaren Arbeiten konnte ebenfalls über numerische Simulationen eine positive Wirkung der partiellen Unterflurabsaugung hinsichtlich der Ammoniakemissionen frei belüfteter Rinderställe erkannt werden. In diesem Zusammenhang wurde auch eine grundsätzlich verbesserte Stalllüftung durch die partielle Unterflurabsaugung festgestellt., LANDTECHNIK, Bd. 76 Nr. 1 (2021)

In der heutigen Triebwerksentwicklung ist die Verwendung komplexer und zeitaufwändiger numerischer Strömungssimulationsverfahren (3D-CFD) unerlässlich. Dies gilt auch und insbesondere für den Bereich der Verdichterkennfeldberechnung, welcher viele zeitintensive 3D-CFD Berechnungen benötigt. Dabei sind zur qualitativen Beurteilung eines Verdichterentwurfs sowohl Betriebspunkte wie, Reiseflug, Start und Landung, hinreichend genau abzubilden, als auch die kritischen, den Verdichterarbeitsbereich limitierenden Betriebsgrenzen Pumpen und Sperren zu detektieren. Bisherige Arbeiten zur automatisierten Verdichterkennfeldberechnung basieren auf strukturierten Berechnungen von verschiedenen Drehzahllinien, auf welchen jeweils isoliert Pump- und Sperrgrenze gesucht werden. Durch die Beschränkung auf einzelne Drehzahlen wird jedoch nicht der gesamte Charakter des Kennfeldes erfasst, so dass unbekannte Betriebsbereiche aus linearer Interpolation abgeleitet werden müssen. Ein zusätzlicher Nachteil solcher auf einzelne Drehzahllinien fixierten Methoden ist ihre geringe Parallelisierbarkeit. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Erfassung des gesamten Verdichterkennfeldes. Die zwei wesentlichen Anforderungen an das Verfahren sind erstens die Reduktion der Anzahl der notwendigen CFD-Berechnungen zur hinreichend genauen Beschreibung des Verdichterkennfeldes sowie zweitens die Beschleunigung jeder einzelnen 3D-CFD-Berechnung. Zu diesem Zweck wird zur Kennfeldberechnung eine Strategie vorgeschlagen, welche sich von der üblichen strukturierten Berechnung einzelner Drehzahllinien löst und stattdessen mit unstrukturierten, zufällig bestimmte Stützstellen arbeitet. Dabei wird ein zweiphasiges Verfahren entwickelt, bei dem zunächst die Pump- und Sperrlinien in ihrer Gesamtheit mit einer iterativen, hoch parallelisierbaren, auf Support-Vector-Machine beruhenden Strategie bestimmt werden. Als nächster Schritt wird mit Methoden der statistischen Versuchsplanung eine ausreichende Dichte von Stützstellen innerhalb der Betriebsgrenzen des Verdichters generiert. Abschließend werden auf Basis aller verwendeten Stützstellen Antwortflächen für Verdichterdruckverhältnis, Wirkungsgrad und Eintrittsmassenstrom aufgebaut. Zur Reduktion der Rechenzeit jeder einzelnen 3D-CFD Rechnung werden unterschiedliche Methoden zur Erzeugung von Startlösungen betrachtet. In diesem Rahmen werden Initialisierungsansätze aus reduzierten Strömungsmodellen und aus der Superposition von bereits bekannten Strömungslösungen auf Basis der Methode der Proper-Orthogonal-Decomposition (POD) untersucht. Als Validierung wird abschließend das entwickelte Verfahren zur Kennfeldberechnung in Kombination mit dem POD-Initialisierungsansatz erfolgreich auf die Analyse eines 4.5- stufigen Forschungsverdichters angewendet. In modern-day turbo engine development, the usage of complex and time consuming numerical flow simulation methods (3D-CFD) is essential. This especially applies to compressor map computation which require many time-consuming 3D-CFD calculations. For a qualitative assessment of a compressor design, not only the operating points, such as cruise, take-off and landing, must be depicted precisely, but the critical operating limits called surge and choke must be detected. Previous investigations on the automated compressor map computation were based on structured calculations of several speed-lines, for which, each line choke and surge limits are traced separately. Due to the restriction to single speed-lines, however, the entire characteristic of the compressor map is unknown, hence unknown operation points must be derived from linear interpolation. An additional disadvantage of these speed-line based methods is their infeasibility for parallel computing. The focus of this work is on the development of an efficient process for the acquisition of the entire compressor map. The two main requirements therefore are firstly a reduction of the number of necessary CFD calculations for a sufficiently precise description of the compressor map and secondly, an acceleration of every single 3D-CFD calculation. For this purpose a compressor map computation strategy is proposed, which differs from the standard structured single speed-line approach using instead an unstructured randomly determined samples approach. Hence a two-step process is being developed. In the first step, the entire surge- and choke-line is approximated with an iterative, highly parallelizable strategy based on support-vector-machine. In the second step, statistical Design of Experiments (DoE) methods are used to achieve sufficient density of samples within the operating limits of the compressor. Finally a response-surface method is used to approximate compressor map features like pressure ratio, efficiency and inlet mass flow. To reduce the computation time of each 3D-CFD calculation, different methods of flowfield initialization are considered. In this context, initialization approaches with reduced-order flow models and superposition of already known flow solutions based on the Proper-Orthogonal-Decomposition (POD) method are investigated. Finally for validation purposes the developed compressor map computation process combined with the POD-initialization approach is applied to a 4.5-stage research compressor model.

Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2020

A local algebraic simulation model was developed, to determine the characteristic length scales for dispersed phases. This model includes the Ishii- Zuber drag model, the lift, the wall lubrication force and the turbulent dispersion force as well. It is based on the Algebraic Interface Area Density (AIAD) model from the Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR), which provides the morphology detection and the free surface drag model. The developed model is in agreement with the current state of knowledge based on an examination of the theory and of state of science models for interface momentum transfer. This new simulation model was tested on three different experiments. Two experiments can be found in the literature, the Fabre 1987 and the Hewitt 1987 experiment. And the third simulation is based on a steam drum experiment. This steam drum experiment is designed with ERK Eckrohrkessel GmbH internals and was developed to examine the droplet mass flow out of the turbulent separation stage. The implementation of all models and tests was performed using Ansys CFX. The first analysis was carried out to reproduce a wavy stratified flow to examine the effects of different simulation model set-ups according to the velocity and kinetic energy profiles, as well as the pressure drop gradient and the water level measured by Fabre 1987. The second analysis was a proof on concept for reproducing the vertical flow pattern by an experiment from Hewitt 1987. The third simulation analysed the water distribution in the steam drum and feeding pipes system as well as the droplet carryover into the gas phase in the turbulent separation region of the drum. These simulations have shown, that the accuracy of the particle distribution model in interaction with the drag and non-drag forces is able to reproduce horizontal and vertical flow patterns. Higher deviations are recognised for the liquid volume fraction close above the interface. Generally, simulations can now be performed to optimise industrial steam drum designs., Ein algebraisches Simulationsmodell, basierend auf lokalen Variablen, wurde entwickelt, zur Berechnung von charakteristischen Längen von dispersen Phasen. Dieses Modell beinhaltet das Ishii-Zuber Widerstandsmodell, die „lift“, die „wall lubrication“ und die „turbulent dispersion“ Kraft. Das Modell baut auf das „Algebraic Interface Area Density“ (AIAD) Modell, vom Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) auf, welches die Detektion der Morphologie der Strömung und das Widerstandsmodell der freien Oberfläche bereitstellt. Das entwickelte Modell basiert auf dem Stand der Technik, auf die Begutachtung der Theorie und auf Modelle für den Impulstransport an der Phasengrenzfläche, die Stand der Wissenschaft sind. Auf drei verschiedenen Experimenten wurde das Simulationsmodell angewendet. Die Experimente von Fabre 1987 und Hewitt 1987 wurden aus der Literatur entnommen. Das dritte Experiment war eine Dampftrommel, die entwickelt wurde, um den Tröpfenmassenstrom zu ermitteln, der aus der turbulenten Abscheidungszone mitgerissen wurde. Diese Dampftrommel basiert auf ein Design von ERK Eckrohrkessel GmbH. Die Implementierung und Erprobung wurde mit Ansys CFX durchgeführt. In der ersten Analyse sollte der Einfluss der verschiedenen Modelle auf das Geschwindigkeits-, das kinetische Energieprofil, den Druckgradienten und die Höhe der Phasengrenzfläche bezüglich einer Wellenströmung im Fabre 1987 Experimente untersucht werden. Die zweite Analyse war ein Machbarkeitsnachweis bezüglich eines vertikalen Zweiphasenströmung-Experimentes von Hewitt 1987. In einer dritten Analyse wurde die Wasserverteilung in einer Dampftrommel und den Zulaufrohren, sowie der mitgerissene Massenstrom an Tröpfchen aus der turbulenten Abscheidungszone, untersucht. Diese Simulationen haben gezeigt, dass die Genauigkeit des Partikelverteilungsmodells, den „drag“ und „non-drag“ Kräften ausreicht, um horizontale und vertikale Strömungsformen zu reproduzieren. Bei der Phasenverteilung über der Phasengrenzfläche sind größere Abweichungen zu erkennen. Generell eignet sich das Simulationsmodell, um eine Optimierung von Dampftrommeln jetzt durchzuführen.

In this thesis, the novel Tensor Diffusion approach for the numerical simulation of viscoelastic fluid flows is introduced. Therefore, it is assumed that the extra-stress tensor can be decomposed into a product of the strain-rate tensor and a (nonsymmetric) tensor-valued viscosity function. As a main potential advantage, which can be demonstrated for fully developed channel flows, the underlying complex material behaviour can be explicitly described by means of the so-called Diffusion Tensor. Consequently, this approach offers the possibility to reduce the complete nonlinear viscoelastic three-field model to a generalised Stokes-like problem regarding the velocity and pressure fields, only. This is enabled by inserting the Diffusion Tensor into the momentum equation of the flow model, while the extra-stress tensor or constitutive equation can be neglected. As a result, flow simulations of viscoelastic fluids could be performed by applying techniques particularly designed for solving the (Navier-)Stokes equations, which leads to a way more robust and efficient numerical approach. But, a conceptually improved behaviour of the numerical scheme concerning viscoelastic fluid flow simulations may be exploited with respect to discretisation and solution techniques of typical three- or four-field formulations as well. In detail, an (artificial) diffusive operator, which is closely related to the nature of the underlying material behaviour, is inserted into the (discrete) problem by means of the Diffusion Tensor. In this way, certain issues particularly regarding the flow simulation of viscoelastic fluids without a Newtonian viscosity contribution, possibly including realistic material and model parameters, can be resolved. In a first step, the potential benefits of the Tensor Diffusion approach are illustrated in the framework of channel flow configurations, where several linear and nonlinear material models are considered for characterising the viscoelastic material behaviour. In doing so, typical viscoelastic flow phenomena can be obtained by simply solving a symmetrised Tensor Stokes problem including a suitable choice of the Diffusion Tensor arising from both, differential as well as integral constitutive laws. The validation of the novel approach is complemented by simulating the Flow around cylinder benchmark by means of a four-field formulation of the Tensor Stokes problem. In this context, corresponding reference results are reproduced quite well, despite the applied lower-order approximation of the tensor-valued viscosity. A further evaluation of the Tensor Diffusion approach is performed regarding two-dimensional contraction flows, where potential advantages as well as improvements and certain limits of this novel approach are detected. Therefore, suitable stabilisation techniques concerning the Diffusion Tensor variable plus the behaviour of deduced monolithic and segregated solution methods are investigated.

Illustrationen, Diagramme

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation der Strömung in einem Gleichdruckturbinengitter mittels CFD. Hauptaugenmerk liegt auf der Untersuchung des Mach-Zahl-Einflusses auf das Turbinengitter. Anfänglich wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, um zu verstehen, welche Faktoren bei supersonischen Bedingungen eine wichtige Rolle spielen. Teil der Arbeit war es zusätzlich, ein simples, theoretisches Modell mittels Potentialtheorie zu entwickeln, um die Strömungsverhältnisse einfach und schnell abschätzen zu können. Bei der Geometrie handelt es sich um ein symmetrisches Gleichdruckgitter mit spitzen Kanten und einem Reaktionsgrad von Rk = 0. Die Mach-Zahl der Anströmung liegt bei den simulierten Fällen in einem Bereich von Ma1 = 0,2 bis 2. Als Strömungsmedium wird überhitzter Dampf, modelliert als ideales Gas, verwendet. Im Ergebnisteil werden die Ergebnisse aus den CFD-Simulationen und jene der Potentialtheorie miteinander, aber auch mit theoretischen und experimentellen Ergebnissen aus facheinschlägiger Literatur verglichen und bewertet. Grundsätzlich zeigt sich eine gute Übereinstimmung der CFD-Ergebnisse mit den Ergebnissen der Potentialtheorie. Da die Potentialtheorie keine viskosen Effekte berücksichtigt, kommt es zu leichten Abweichungen im Wandbereich. Die Strömungsgeschwindigkeit erreicht erstmals die Schallgeschwindigkeit bei Ma1 = 0,71. Ab einer Anström-Mach-Zahl von Ma1 = 1 nehmen Kompressibilitätseinflüsse stark an Gewicht zu, welche sich durch Verdichtungsstöße und Expansionen bemerkbar machen. Im Weiteren werden wichtige Strömungsgrößen analysiert und verglichen. Qualitativ können ähnliche Verläufe beobachtet werden. Durch die spezielle Geometrie und das Auftreten von gasdynamischen Effekten ist es schwierig, die erhaltenen Ergebnisse quantitativ zu vergleichen. Mit dieser Arbeit wurden jedoch erste Schritte gesetzt, die zur besseren Verständlichkeit der Thematik beitragen., This thesis deals with the numerical simulation of the flow in an impulse turbine cascade using CFD. The main focus is on the investigation of the Mach number influence on the flow. Initially, a literature review was carried out to understand, which factors play an important role at supersonic conditions. Part of the work was also to develop a simple, theoretical model using the potential theory, in order to be able to estimate the flow conditions quickly and easily. The geometry is a symmetrical impulse turbine cascade with sharp edges and a degree of reaction of Rk = 0. In the simulated cases, the Mach number of the incident flow is in a range of Ma1 = 0.2 to 2. Superheated steam, modeled as an ideal gas, is used as flow medium. In the results section, the results from the CFD simulations and those from the potential theory are compared and evaluated with one another, but also with theoretical and experimental results from relevant literature. Basically, there is a good agreement of the CFD results with the results of the potential theory. Since the potential theory does not take viscous effects into account, there are slight deviations near the walls. The flow velocity reaches the speed of sound for the first time at Ma1 = 0.71. From an incident Mach number of Ma1 = 1, compressibility influences increase significantly in weight, which become noticeable through compression shocks and expansion. In addition, important flow parameters are analyzed and compared. Qualitatively, similar characteristics can be observed. Due to the special geometry and the occurrence of gas dynamic effects, it is difficult to quantitatively compare the results obtained. With this work, however, first steps have been taken that contribute to a better understanding of the topic.

Purpose – Test the aerodynamic analysis code VSPAERO, which is part of OpenVSP from NASA. Apply VSPAERO to calculate the lift curve slope and the span efficiency factor of straight wings (for various aspect and taper ratios) as well as the induced drag of box wings (for various h/b-ratios) relative to their reference wing. --- Methodology – VSPAERO results are compared with results from analytical equations, wind tunnel measurements, and results produced with other aerodynamic codes. --- Findings – VSPAERO offers correct and reliable results, if the simulation is set up with care. The user must always keep an eye on model discretization and refinement, flow conditions, and number of iterations. The Vortex Lattice Method (VLM) and the panel method are best used for different purposes. The VLM shows shorter simulation time and produces reliable results. The panel method is more complicated to use. Numerical results are also good. In addition, the panel method can be used better to visualize flow phenomena. Hoerner's simple approach to induced drag estimation can be used to approximate results of the VLM and the panel method, if a simple correction factor is applied. --- Research Limitations – Most of the tests of VSPAERO have been done with a simple wing geometry, as such much simpler than a full aircraft geometry. --- Practical Implications – VSPAERO can be used with relative ease. It can also be used to show flow phenomena on full aircraft geometry. --- Originality – Repeating simple calculations done many times before does not sound original, but doing this with the relatively new software VSPAERO offering the VLM as well as the panel method seems to be original after all.

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

Der Dampfturbolader soll das exergetische Potenzial der Druckreduzierung in Dampfnetzen im kleinen Leistungsbereich (, The steam turbocharger is intended to use the exergetic potential of pressure reduction in steam networks in the small power range (

This thesis is an attempt to assess some of the effects that electroquasistatic body forces exert on turbulent internally forced convective flows. In order to do that, a stochastic turbulence model is employed, namely, the One-Dimensional Turbulence (ODT) model. The reduced dimensionality of ODT demands a reduction of the Navier-Stokes equations (and in this case, also the Maxwell equations), into a 1-D system. This is done by performing an asymptotic analysis in terms of the nondimensional numbers of the flow. Also, a validation step due to the relative novel character of the cylindrical ODT formulation is done for an incompressible and constant properties flow regime and a variable density flow regime. The validation is presented for both the temporal (T-ODT) and a novel spatial (S-ODT) formulation in both planar and cylindrical geometries. Results in the constant property case show that wall normal (and radial) profiles, in both the T-ODT and S-ODT formulations, show good agreement with each other and to the data of Direct Numerical Simulations (DNSs). For the evaluated variable density heated pipe flow, gradients at the wall can be better reproduced with S-ODT. After validating the model, ODT is applied first into a planar configuration which emulates the flow in a wire-plate Electrostatic Precipitator (ESP). For this flow, the additional input energy due to the electroquasistatic body force has an effect on the modification of the bulk velocity, and subsequently, the skin friction coefficient. Some qualitative DNS trends are confirmed with ODT, such as the localized increase of the Reynolds stress, as a consequence of increased eddy activity close to the discharge electrodes. Next, the results of ODT simulations in a cylindrical wire-tube ESP are presented. Here, ODT results are compared to experimental results. ODT results for global integral quantities such as the streamwise pressure gradient and the Nusselt number enhancement ratio are able to match in a reasonable way the experimental results. The competing relevance between the EHD contribution to turbulence by momentum, and by affecting the temperature and density due to the Joule heating effect is also analyzed, showing the leading order relevance of the former one. Specifically for the Nusselt number results, the sensitivity of the EHD flow to transition effects is shown to be very significant. This thesis may open the door to a vast new field of phenomena which can not only serve for the further validation of the ODT model against DNSs or experiments, but also for the real use of ODT in applications which are so far inaccessible for traditional DNSs. Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der Effekte von elektroquasistatischen Volumenkräften auf turbulente druckgetriebene Strömungen. Dazu wurde das stochastisch Eindimensionale Turbulenzmodell (ODT) angewendet. Als ein Modell niedriger Ordnung benötigt ODT eine Reduktion der Navier-Stokes-Gleichungen (sowie der Maxwell-Gleichungen hier) zu einem 1-D System. Diese Reduktion erfolgte mittels einer asymptotischen Analyse, welche die Strömung als Funktion von Leading-Order-Effekten entdimensionalisierter Kennzahlen beschreibt. Zusätzlich erfolgte in der Dissertation ein Validierungsschritt aufgrund der kürzlich veröffentlichten Zylinderformulierung für ODT. Zur Validierung wurden inkompressible Strömungen konstanter Fluideigenschaften, sowie Strömungen variabler Dichte betrachtet. Die Validierung stellt Ergebnisse von zeitlich (T-ODT) und räumlich (S-ODT) entiwckelnde ODT-Simulationen für planare und zylindrische Koordinatensysteme vor. Die Ergebnisse zeigen, dass wand-normale (oder radiale) Profile, sowohl in T-ODT und S-ODT, eine gute Übereinstimmung miteinander und mit Daten von Direkten Numerische Simulationen (DNS) aufzeigen. Im Fall der aufgeheizten Rohrströmungen variabler Dichte lassen sich die Gradienten an der Wand mittels S-ODT besser reproduzieren. Nach der Validierung des Modells wurde ODT erstmals auf eine planare Konfiguration, welche die Strömung einer Plattenelektroabscheider simuliert, angewendet. Der zusätzliche Energiebeitrag, der von der elektroquasistatischen Volumenkraft geliefert wird, hat einen Effekt auf die Bulk-Geschwindigkeit, sowie auf den Reibungsbeiwert. Einige Trends der DNS lassen sich mit ODT bestätigen, z.B. der lokalisierte Anstieg der Reynolds'schen Schubspannungen, der aufgrund der erhöhten Wahrscheinlichkeit der Erzeugung turbulenter Wirbel in der Nähe der Sprühelektrode verursacht wird. Im Anschluss werden ODT-Ergebnisse eines zylindrischen Rohrelektroabscheiders vorgestellt. Diese sind in Form von integralen Größen gegen experimentellen Messungen vergliechen, z.B., der Druckgradient in Strömungsrichtung, sowie das Erhöhungsverhältnis der Nusseltzahl. Die von ODT generierten integralen Größen stimmen gut mit experimentellen Messwerten überein. Die Wichtigkeit des EHD-Beitrags zur Turbulenz mittels Impulstransport, sowie dessen Einfluss auf die Temperatur und Dichte gemäß des ersten Jouleschen Gesetzes wurde ebenfalls mit ODT untersucht. Die Ergebnisse zeigen den Effekt führender Ordnung des EHD-Beitrags auf die Turbulenz. Eine große Sensitivität der Nusseltzahl-Ergebnisse bzgl. der Transitionseffekten in EHD-Strömungen konnte parallel nachgewiesen werden. Dank dieser Arbeit lassen sich neue Phänomene mittels numerischer Simulationen untersuchen. Dies dient zur weiteren Validierung des ODT-Modells anhand DNS und Experimenten. Außerdem erlaubt die Dissertation zukünftige Anwendungen von ODT auf Phänomene und Strömungen, die bisher unzugänglich für DNS sind.

Industriegasturbinen werden häufig mit einer belüfteten Schallschutzhaube umgeben. Bei deren Konzeptionierung kommen meist numerische Strömungssimulationen zum Einsatz. Aufgrund der komplexen Strömungsfelder ist eine Verifizierung der Modelle unerlässlich. Es liegen wenig experimentelle Daten zu Schallhaubenströmungen vor. Es wird daher ein skalierter Prüfstand entwickelt und experimentell untersucht. Die Ergebnisse werden verwendet, um ein numerisches Strömungsmodell zu erstellen und zu verifizieren. Das verifizierte Strömungsmodell wird hinsichtlich relevanter Strömungsaspekte untersucht. Ferner erfolgt die Betrachtung zusätzlicher, vom Normalzustand abweichender Betriebszustände. Dabei wird zunächst der Ausfall eines Lüfters und dessen Einfluss auf die Strömung durch Verwendung objektiver Bewertungsgrößen untersucht. Abschließend erfolgt die Betrachtung eines Treibstoffleckage-Szenarios, wobei die Notwendigkeit transienter Simulationen deutlich wird.

We introduce a new level set method for representing evolving interfaces. In the case of divergence-free velocity fields, the new method satisfies a conservation principle. Conservation is important for many applications such as modeling two-phase incompressible flow. In the present implementation, the conserved quantity is defined as the integral of a smoothed characteristic function. The new approach embeds level sets into a volume of fluid formulation. The evolution of an approximate signed distance function is governed by a conservation law for its (smoothed) sign. The non-linear level set transport equation is regularized by adding a flux correction term that assures a non-singular Jacobian and penalizes deviations from a distance function. The result is a locally conservative level set method with built-in elliptic redistancing. The continuous model is monolithic in the sense that the level set transport model, the volume of fluid law of mass conservation, and the minimization problem that preserves the approximate distance function property are incorporated into a single equation. There is no need for any extra stabilization, artificial compression, flux limiting, redistancing, mass correction, and other numerical fixes which are commonly used in level set or volume of fluid methods. In addition, there is just one free parameter that controls the strength of regularization and penalization in the model. The accuracy and conservation properties of the monolithic finite element / level set method are illustrated by the results of numerical studies for passive advection of free interfaces., Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik;586