Essen, Universiẗat Diss., 2004--Duisburg.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.

The thesis aims to lower the exhaust gas temperature on the coming EU6 Scania buses D7 and Otto gas and is carried out as a final part of the studies in the mechanical engineering program, KTH Stockholm. Euro 6, a new emission standard requirements for heavy duty trucks and buses, puts new demands on the amount of particulate matter and nitrogen oxides that can be emitted. This led to that Scania has developed and improved their after treatment systems. The new after treatment systems generates high exhaust temperatures, and Scania have expressed a desire to reduce these to create a safer environment around the bus.The thesis started with a thorough feasibility study, where the current exhaust systems and its components were studied. Solutions to lower exhaust temperatures were studied, both in the automotive industry and in other fields. The concepts that were developed would be analyzed through CFD simulations, why basic fluid mechanics were studied. Two different exhaust systems were to be analyzed, one with a gas engine and roof outlet and one with a diesel engine and ground outlet. A total of eight concepts were presented, in which five were determined to undergo CFD simulations.A competitor analysis was conducted in which three different diffusers from competing bus and truck manufacturers were CFD simulated.The results showed that the diffusers were superior to the other concepts. The diffuser designed in this project performed well in comparison to the diffusers from competing bus and trucks manufacturers, but it was considered to be expensive and difficult to manufacture. New diffuser designs were suggested, which are believed to have the same good qualities but cheaper to manufacture. The authors recommend Scania to perform field tests of the redesigned diffusers, and also try the ones designed by their competitors. Also, Scania should investigate how a venturi solution can be optimized. / Examensarbetet, vars mål är att sänka avgastemperaturen på Scanias bussar, är genomfört som en avslutande del av studierna på maskinkonstruktionsprogrammet, KTH Stockholm. EuroVI, en ny emissionskravsstandard för tunga fordon, ställer nya krav på hur mycket partiklar och kväveoxider som får släppas ut. Detta har resulterat i att Scania har utvecklat och förbättrat sina efterbehandlingssystem. De nya efterbehandlingssystemen ger upphov till höga avgastemperaturer, och Scania har uttryckt en önskan att sänka dessa för att skapa en säker miljö runt bussen.Examensarbetet började med en grundlig förstudie, där de aktuella avgassystemen och dess komponenter studerades. Lösningar för att sänka avgastemperaturer studerades, både inom fordonsindustrin och inom andra områden. Eftersom koncepten som togs fram skulle analyseras med CFD simuleringar, så studerades även grundläggande strömningsmekanik. Två olika avgassystem skulle analyseras, ett med en gasmotor och takutsläpp, och ett med en dieselmotor och markutsläpp. Totalt togs åtta koncept fram, varav fem ansågs intressanta för CFD simulering. Det gjordes även en konkurrentanalys, där tre olika diffusorer från konkurrerande buss- och lastbilstillverkare CFD simulerades.Resultaten visade att diffusorerna var överlägsna de andra koncepten. Diffusorn som utformats i detta projekt stod sig väl mot konkurrenternas diffusorer, men ansågs dock vara dyr och svår att tillverka. Nya designer togs fram, som anses ha samma temperatursänkande egenskaper men vara enklare att tillverka. Författarna till denna rapport rekommenderar Scania att gå vidare med fysiska tester av de förslagna diffusorerna, och att även testa konkurrenternas diffusorer. Scania bör även undersöka hur en venturilösning kan optimeras.

Die Entwicklung schwerer Nutzfahrzeugmotoren unterliegt dem Zielkonflikt zwischen möglichst geringen Betriebskosten, hoher Leistung und der Einhaltung von Emissionsvorschriften. Bezüglich der Auslegung der Verdichterstufe des Abgasturboladers resultiert dies in einem Kompromiss zwischen Kennfeldbreite und den Wirkungsgraden im Nennpunkt sowie im Hauptfahrbereich. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wird untersucht, ob mit Hilfe einer geometrischen Verstellbarkeit des Verdichters eine bessere Lösung für das anspruchsvolle Anforderungsprofil gefunden werden kann. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eines 12,8l NFZ-Dieselmotors im schweren Fernverkehr, ohne dass hierbei Abstriche bezüglich weiterer Leistungsmerkmale der Verdichterstufe in Kauf genommen werden müssen. In einem ersten Schritt wird hierzu mit Hilfe der Auswertung von Lastkollektivdaten der für den Kraftstoffverbrauch relevante Betriebsbereich der Basis-Verdichterstufe identifiziert. Dieser befindet sich bei vergleichsweise geringen Massenströmen und hohen Totaldruckverhältnissen in der Nähe der Volllast-Schlucklinie im Verdichterkennfeld. Die Auswertung von ein- und dreidimensionalen Strömungssimulationen führt zur Erkenntnis, dass die hohen Tangentialgeschwindigkeiten im unbeschaufelten Diffusor ausschlagge- bend sind für die Strömungsverluste innerhalb der Verdichterstufe im Hauptfahrbereich. Eine Möglichkeit die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zu reduzieren, ist die Verwendung eines beschaufelten Diffusors. Zur Überprüfung des Potentials werden im Rahmen einer Parameterstudie 47 unterschiedliche Nachleitgitter im Diffusor der Basis-Verdichterstufe am Heißgasprüfstand untersucht. Es stellt sich heraus, dass durch den Einsatz einer Nachleitbeschaufelung der Verdichterwirkungsgrad um bis zu 8 Prozentpunkte verbessert werden kann, die Kennfeldbreite jedoch nicht ausreicht, um die motorischen Anforderungen bezüglich der Pumpstabilität oder der Bremsleistung zu erfüllen. Resultierend aus diesen Erkenntnissen werden drei variable Verdichter entwickelt, mit dem Ziel, den Wirkungsgradvorteil beschaufelter Diffusoren mittels einer geometrischen Verstellbarkeit für den schweren Nutzfahrzeugmotor nutzbar zu machen. Die Bewertung hinsichtlich der Ziele und Anforderungen erfolgt anhand von Versuchen am Heißgas- sowie Vollmotorenprüfstand. Die Variabilität mit der geringsten Komplexität ist die Kombination aus starrem Nachleitgitter und Schubumluftventil. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungsabrisse im Bereich des Nachleitgitters durch Aktivieren des Schubumluftventils und somit Öffnen eines Rezirkulationskanals im Verdichtergehäuse in pumpkritischen Situationen vermieden werden können. Der Verzicht auf bewegliche Teile im Diffusor resultiert in der höchsten Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 0,6 − 1,4% im Hauptfahrbereich. Der Doppeldiffusor besitzt zwei separate Strömungskanäle unterschiedlicher Geometrie, die im Betrieb durch eine axiale Verschiebung mit Druckluft aktiviert werden können. Dieses völlig neuartige Konzept ermöglicht es, die Auslegungsziele auf zwei Diffusoren aufzuteilen und somit für jede Kennfeldhälfte die jeweils optimale Schaufelgeometrie auszuwählen. Mit dieser Variabilität kann die Einspritzmenge im Hauptfahrbereich um 0,5 − 0,8 Prozent gesenkt werden. Das System mit der höchsten Komplexität ist der Verdichter mit rotierbarer Nachleitbeschaufelung. Über einen elektronischen Steller können die Anstellwinkel und Halsquerschnitte in jedem Betriebspunkt den Anströmbedingungen angepasst werden, um den jeweils bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Aufgrund der anspruchsvollen geometrischen Zwangsbedingungen bei der Auswahl der Schaufelgeometrie besitzt der Dreh- schaufler mit 0,3−0,6% das geringste Potential zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit, erzielt jedoch das beste Ergebnis bezüglich der Bremsleistung und der Pumpstabilität. / Reducing the total costs of ownership, achieving the rated engine power and compliance with exhaust-emission legislation are competing goals regarding the development of heavy duty engines. This leads to demanding requirements for the aerodynamic design of the turbocharger compressor stage such as high efficiencies at various operating points and a broad map width. The aim of the present doctoral thesis is to investigate the potential of a compressor with variable geometry in order to obtain a better compromise between efficiency and compressor map width for the purpose of increasing fuel economy without sacrifices concerning the rated power, engine brake performance or surge stability. In a first step, the evaluation of load cycles yields operating points on which the fuel consumption is heavily dependent. Results of 1D- and 3D fluid flow simulations show that the high tangential velocity in the vaneless diffusor is the main cause for the reduction of compressor efficiency in the main driving range. A parameter study containing 47 different geometries is conducted at a hot gas test rig in order to examine the potential of vaned diffusers regarding the reduction of the tangential velocity component. It can be seen that by introducing diffuser vanes compressor efficiency can be increased by up to 8 percent. The narrow map width however prevents the use of a fixed geometry for heavy duty engines. Based on those results three variable geometry compressors are developed with the goal of maintaining the efficiency benefit of vaned diffusers while increasing the map width by adjustable geometric features. The evaluation of the variable compressor systems is based on hot gas and engine test bench measurements. The variable compressor system with the lowest complexity utilizes a recirculation valve in the compressor housing in combination with a fixed geometry vaned diffuser in order to improve the surge margin for a short period of time at a sudden load drop. The abandonment of functional gaps in the diffuser leads to the highest improvement of fuel economy of 0,6 − 1,4% in the main driving range. The compressor with stacked diffuser vanes has two separate flow channels in the diffuser. During engine operation only one vaned diffuser geometry is active. The axial movement is performed via pressure chambers in the compressor and bearing housing. The two diffuser geometries are either optimized for high or low mass flows. This way the fuel consumption in the main driving range can be reduced by 0,5 − 0,8%. The compressor with pivoting vanes in the diffuser has the highest complexity of all systems. With the aid of an electronic actuator the vane inlet angle and throat area can be adjusted to the impeller outlet flow conditions at each operating point. As a consequence the pivoting vanes compressor achieves the best results regarding engine brake performance and surge stability. The fuel economy in the main driving range can be improved by 0,3 − 0,6%. Higher benefits are prevented by demanding geometric constraints in order to ensure the rotatability of the vanes and to prevent vibrations of the impeller blades.

Die Entwicklung schwerer Nutzfahrzeugmotoren unterliegt dem Zielkonflikt zwischen möglichst geringen Betriebskosten, hoher Leistung und der Einhaltung von Emissionsvorschriften. Bezüglich der Auslegung der Verdichterstufe des Abgasturboladers resultiert dies in einem Kompromiss zwischen Kennfeldbreite und den Wirkungsgraden im Nennpunkt sowie im Hauptfahrbereich. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wird untersucht, ob mit Hilfe einer geometrischen Verstellbarkeit des Verdichters eine bessere Lösung für das anspruchsvolle Anforderungsprofil gefunden werden kann. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eines 12,8l NFZ-Dieselmotors im schweren Fernverkehr, ohne dass hierbei Abstriche bezüglich weiterer Leistungsmerkmale der Verdichterstufe in Kauf genommen werden müssen. In einem ersten Schritt wird hierzu mit Hilfe der Auswertung von Lastkollektivdaten der für den Kraftstoffverbrauch relevante Betriebsbereich der Basis-Verdichterstufe identifiziert. Dieser befindet sich bei vergleichsweise geringen Massenströmen und hohen Totaldruckverhältnissen in der Nähe der Volllast-Schlucklinie im Verdichterkennfeld. Die Auswertung von ein- und dreidimensionalen Strömungssimulationen führt zur Erkenntnis, dass die hohen Tangentialgeschwindigkeiten im unbeschaufelten Diffusor ausschlagge- bend sind für die Strömungsverluste innerhalb der Verdichterstufe im Hauptfahrbereich. Eine Möglichkeit die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zu reduzieren, ist die Verwendung eines beschaufelten Diffusors. Zur Überprüfung des Potentials werden im Rahmen einer Parameterstudie 47 unterschiedliche Nachleitgitter im Diffusor der Basis-Verdichterstufe am Heißgasprüfstand untersucht. Es stellt sich heraus, dass durch den Einsatz einer Nachleitbeschaufelung der Verdichterwirkungsgrad um bis zu 8 Prozentpunkte verbessert werden kann, die Kennfeldbreite jedoch nicht ausreicht, um die motorischen Anforderungen bezüglich der Pumpstabilität oder der Bremsleistung zu erfüllen. Resultierend aus diesen Erkenntnissen werden drei variable Verdichter entwickelt, mit dem Ziel, den Wirkungsgradvorteil beschaufelter Diffusoren mittels einer geometrischen Verstellbarkeit für den schweren Nutzfahrzeugmotor nutzbar zu machen. Die Bewertung hinsichtlich der Ziele und Anforderungen erfolgt anhand von Versuchen am Heißgas- sowie Vollmotorenprüfstand. Die Variabilität mit der geringsten Komplexität ist die Kombination aus starrem Nachleitgitter und Schubumluftventil. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungsabrisse im Bereich des Nachleitgitters durch Aktivieren des Schubumluftventils und somit Öffnen eines Rezirkulationskanals im Verdichtergehäuse in pumpkritischen Situationen vermieden werden können. Der Verzicht auf bewegliche Teile im Diffusor resultiert in der höchsten Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 0,6 − 1,4% im Hauptfahrbereich. Der Doppeldiffusor besitzt zwei separate Strömungskanäle unterschiedlicher Geometrie, die im Betrieb durch eine axiale Verschiebung mit Druckluft aktiviert werden können. Dieses völlig neuartige Konzept ermöglicht es, die Auslegungsziele auf zwei Diffusoren aufzuteilen und somit für jede Kennfeldhälfte die jeweils optimale Schaufelgeometrie auszuwählen. Mit dieser Variabilität kann die Einspritzmenge im Hauptfahrbereich um 0,5 − 0,8 Prozent gesenkt werden. Das System mit der höchsten Komplexität ist der Verdichter mit rotierbarer Nachleitbeschaufelung. Über einen elektronischen Steller können die Anstellwinkel und Halsquerschnitte in jedem Betriebspunkt den Anströmbedingungen angepasst werden, um den jeweils bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Aufgrund der anspruchsvollen geometrischen Zwangsbedingungen bei der Auswahl der Schaufelgeometrie besitzt der Dreh- schaufler mit 0,3−0,6% das geringste Potential zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit, erzielt jedoch das beste Ergebnis bezüglich der Bremsleistung und der Pumpstabilität.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis / Reducing the total costs of ownership, achieving the rated engine power and compliance with exhaust-emission legislation are competing goals regarding the development of heavy duty engines. This leads to demanding requirements for the aerodynamic design of the turbocharger compressor stage such as high efficiencies at various operating points and a broad map width. The aim of the present doctoral thesis is to investigate the potential of a compressor with variable geometry in order to obtain a better compromise between efficiency and compressor map width for the purpose of increasing fuel economy without sacrifices concerning the rated power, engine brake performance or surge stability. In a first step, the evaluation of load cycles yields operating points on which the fuel consumption is heavily dependent. Results of 1D- and 3D fluid flow simulations show that the high tangential velocity in the vaneless diffusor is the main cause for the reduction of compressor efficiency in the main driving range. A parameter study containing 47 different geometries is conducted at a hot gas test rig in order to examine the potential of vaned diffusers regarding the reduction of the tangential velocity component. It can be seen that by introducing diffuser vanes compressor efficiency can be increased by up to 8 percent. The narrow map width however prevents the use of a fixed geometry for heavy duty engines. Based on those results three variable geometry compressors are developed with the goal of maintaining the efficiency benefit of vaned diffusers while increasing the map width by adjustable geometric features. The evaluation of the variable compressor systems is based on hot gas and engine test bench measurements. The variable compressor system with the lowest complexity utilizes a recirculation valve in the compressor housing in combination with a fixed geometry vaned diffuser in order to improve the surge margin for a short period of time at a sudden load drop. The abandonment of functional gaps in the diffuser leads to the highest improvement of fuel economy of 0,6 − 1,4% in the main driving range. The compressor with stacked diffuser vanes has two separate flow channels in the diffuser. During engine operation only one vaned diffuser geometry is active. The axial movement is performed via pressure chambers in the compressor and bearing housing. The two diffuser geometries are either optimized for high or low mass flows. This way the fuel consumption in the main driving range can be reduced by 0,5 − 0,8%. The compressor with pivoting vanes in the diffuser has the highest complexity of all systems. With the aid of an electronic actuator the vane inlet angle and throat area can be adjusted to the impeller outlet flow conditions at each operating point. As a consequence the pivoting vanes compressor achieves the best results regarding engine brake performance and surge stability. The fuel economy in the main driving range can be improved by 0,3 − 0,6%. Higher benefits are prevented by demanding geometric constraints in order to ensure the rotatability of the vanes and to prevent vibrations of the impeller blades.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis

Radiale Diffusoren beeinflussen signifikant die Qualität der thermischen Schichtung in Warmwasserspeichern. Um die Effizienz der Energiespeicherung zu verbessern, ist das Verständnis des komplexen Strömungsverhaltens notwendig. Diese Arbeit liefert Grundlagen zur Beschreibung der auftretenden Effekte und stellt ein geeignetes CFD-Simulationsmodell vor. Als Untersuchungsobjekt dient eine neuartige Speicherkonstruktion, wobei der Radialdiffusor direkt an einer schwimmenden Decke montiert ist. Vorteile dieser Anordnung werden aufgezeigt, die auftretenden Strömungseffekte beschrieben sowie der Einfluss verschiedener Beladergeometrien auf die thermische Schichtung untersucht. Für das Entladen bis 98 °C bei Atmosphärendruck wurde ein strömungsoptimierter Freiformdiffusor entwickelt, um Kavitation beim Ansaugen zu vermeiden. Die Untersuchungen zeigen außerdem, dass bei der Beladung über dem Umfang des Radialdiffusors ein stark asymmetrisches und einseitig gerichtetes Ausströmen auftreten kann. Gegenmaßnahmen in Form von Leit- und Lochblechen stellen ein nahezu symmetrisches Ausströmen wieder her und verbessern damit die Schichtungsqualität. Neben umfangreichen numerischen Studien mit RANS und LES fanden zahlreiche Experimente im Labor und an einem 100 m³-Speicher statt. / Radial diffusers have a significant influence on the quality of thermal stratification in hot water storage tanks. In order to improve the efficiency of energy storage, it is necessary to understand the complex flow behaviour. This thesis provides a basis for describing the effects and introduces a CFD simulation model. An innovative storage tank construction is used as the object of investigation, whereby the radial diffuser is mounted directly to a floating ceiling. Advantages of this arrangement are shown, flow effects are described and the influence of different loader geometries on the thermal stratification is investigated. For discharging up to 98 °C at atmospheric pressure, a flow-optimized free-form diffuser was developed to avoid cavitation inside the loading device. The tests also show that a highly asymmetrical and unidirectional flow over the circumference of the radial diffuser can occur during loading. Thanks to countermeasures like baffles and perforated plates, an almost symmetrical outflow can be restored and the stratification quality improved. In addition to numerical studies with RANS and LES, numerous experiments in the laboratory and at a 100m3 store were performed.

Global renewable energy requirements rapidly increase with the transition to a fossil-free society. As a result, intermittent energy resources, such as wind- and solar power, have become increasingly popular. However, their energy production varies over time, both in the short- and long term. Hydropower plants are therefore utilized as a regulating resource more frequently to maintain a balance between production and consumption on the electrical grid. This means that they must be operated away from the design point, also known as the best-efficiency-point (BEP), and often are operated at part-load (PL) with a lower power output. Moreover, some plants are expected to provide a spinning reserve, also referred to as speed-no-load (SNL), to respond rapidly to power shortages. During this operating condition, the turbine rotates without producing any power. During the above mentioned off-design operating conditions, the flow rate is restricted by the closure of the guide vanes. This changes the absolute velocity of the flow and increases the swirl, which is unfavorable. The flow field can be described as chaotic, with separated regions and recirculating fluid. Shear layer formation between stagnant- and rotating flow regions can be an origin for rotating flow structures. Examples are the rotating-vortex-rope (RVR) found during PL operation and the vortical flow structures in the vaneless space during SNL operation, which can cause the flow between the runner blades to stall, also referred to as rotating stall. The flow structures are associated with pressure pulsations throughout the turbine, which puts high stress on the runner and other critical parts and shortens the turbine's lifetime. Numerical models of hydraulic turbines are highly coveted to investigate the detrimental flow inside the hydraulic turbines' different sections at off-design operating conditions. They enable the detailed study of the flow and the origin of the instabilities. This knowledge eases the design and assessment of mitigation techniques that expand the turbines' operating range, ultimately enabling a wider implementation of intermittent energy resources on the electrical grid and a smoother transition to a fossil-free society. This thesis presents the numerical study of the Porjus U9 model, a scaled-down version of the 10 MW prototype Kaplan turbine located along the Luleå river in northern Sweden. The distributor contains 20 guide vanes, 18 stay vanes and the runner is 6-bladed. The numerical model is a geometrical representation of the model turbine located at Vattenfall Research and Development in Älvkarleby, Sweden. The commercial software ANSYS CFX 2020 R2 is used to perform the numerical simulations. Firstly, the draft tube cone section of the U9 model is numerically studied to investigate the sensitivity of a swirling flow to the GEKO (generalized kω) turbulence model. The GEKO model aims to consolidate different eddy viscosity turbulence models. Six free coefficients are changeable to tune the model to flow conditions and obtain results closer to an experimental reference without affecting the calibration of the turbulence model to basic flow test cases. Especially, the coefficients affecting wall-bounded flows are of interest. This study aims to analyze if the GEKO model can be used to obtain results closer to experimental measurements and better predict the swirling flow at PL operation compared to other eddy viscosity turbulence models. Results show that the near-wall- and separation coefficients predict a higher swirl and give results closer to experimentally obtained ones. Secondly, a simplified version of the U9 model is investigated at BEP and PL operating conditions and includes one distributor passage with periodic boundary conditions, the runner and the draft tube. The flow is assumed axisymmetric upstream of the runner, hence the single distributor passage. Previous studies of hydraulic turbines operating at PL show difficulties predicting the flow's tangential velocity component as it is often under predicted. Therefore, a parametric analysis is performed to investigate which parameters affect the prediction of the tangential velocity in the runner domain. Results show that the model predicts the flow relatively well at BEP but has problems at PL; the axial velocity is overpredicted while the tangential is underpredicted. Moreover, the torque is overpredicted. The root cause for the deviation is an underestimation of the head losses. Another contributing reason is that the runner extracts too much swirl from the flow, hence the low tangential velocity and the high torque. Sensitive parameters are the blade clearance, blade angle and mass flow. Finally, the full version of the U9 model is analyzed at SNL operation, including the spiral casing, full distributor, runner and draft tube. During this operating condition, the flow is not axisymmetric; vortical flow structures extend from the vaneless space to the draft tube and the flow stalls between the runner blades. A mitigation technique with independent control of each guide vane is presented and implemented in the model. The idea is to open some of the guidevanes to BEP angle while keeping the remaining ones closed. The aim is to reduce the swirl and prevent the vortical flow structures from developing. Results show that the flow structures are broken down upstream the runner and the rotating stall between the runner blades is reduced, which decreases the pressure- and velocity fluctuations. The flow down stream the runner remains mainly unchanged.

Increasingly compact and powerful light emitting diodes require the development of efficient optical diffusers to manage their lighting capability according to the required application. In this study, a cost-effective strategy is demonstrated for fabricating micro-structured polymethylmethacrylate (PMMA) diffusers for white light sources. By combining different laserbased processes, namely direct laser engraving (DLE), direct laser writing (DLW), and direct laser interference patterning (DLIP), periodic patterns are fabricated in stainless steel surfaces with line- and dot-like geometries with feature sizes ranging from 1.7 to 900 μm. The fabricated hierarchical geometries are transferred to PMMA surfaces by plate-to-plate hot embossing. The relationship between the surface topography and the white light scattering behavior is investigated by confocal and scanning electron microscopy combined with photospectroscopy and image processing of photographs. The triple-scaled hierarchical structures can increase the haze up to 76% in the visible spectrum, while keeping the total transmittance over 90%, as the flat surface.