In Leipzig wurde erstmalig durch ergänzende wissenschaftliche Messungen von Ruß und ultrafeinen Partikeln an Luftmessstationen nachgewiesen, welche Auswirkungen eine Umweltzone auf die Luftqualität hat. Die modernisierte Fahrzeugflotte in der Umweltzone verursachte einen deutlichen Rückgang von lungengängigen Verbrennungspartikeln in straßennaher Außenluft. Verbesserungen für Stickstoffoxide gab es nicht. Durch Minderung der hoch toxischen Bestandteile im Feinstaub wurde ein Beitrag zur Senkung des Gesundheitsrisikos der Bevölkerung geleistet.

Removing NO from the air with a reusable material at room temperature is challenging. In this study, a series of urea–MnOₓ/ACF and urea–x(CeO₂–(1 − x)MnO₂)/ACF materials were prepared and used for removing NO at room temperature. The results showed that 10% urea–8% (0.5CeO₂–0.5MnO₂)/ACF yielded the highest NO conversion, which showed an NO conversion ratio above 90% with 1000 ppm NO in the initial mixed gases. Moreover, the NO conversion exceeded 98% when the NO concentration was 100 ppm in the initial mixed gases. More importantly, 10% urea–8% (0.5CeO2–0.5MnO₂)/ACF was stable even after it was regenerated by reloading with urea, demonstrating that the material could be easily reused and its highperformance was maintained. Finally, the mechanism and kinetics of the NO removal was discussed.

A generalized model for bubble coalescence and breakup has been developed, which is based on a comprehensive survey of existing theories and models. One important feature of the model is that all important mechanisms leading to bubble coalescence and breakup in a turbulent gas-liquid flow are considered. The new model is tested extensively in a 1D Test Solver and a 3D CFD code ANSYS CFX for the case of vertical gas-liquid pipe flow under adiabatic conditions, respectively. Two kinds of extensions of the standard multi-fluid model, i.e. the discrete population model and the inhomogeneous MUSIG (multiple-size group) model, are available in the two solvers, respectively. These extensions with suitable closure models such as those for coalescence and breakup are able to predict the evolution of bubble size distribution in dispersed flows and to overcome the mono-dispersed flow limitation of the standard multi-fluid model. For the validation of the model the high quality database of the TOPFLOW L12 experiments for air-water flow in a vertical pipe was employed. A wide range of test points, which cover the bubbly flow, turbulent-churn flow as well as the transition regime, is involved in the simulations. The comparison between the simulated results such as bubble size distribution, gas velocity and volume fraction and the measured ones indicates a generally good agreement for all selected test points. As the superficial gas velocity increases, bubble size distribution evolves via coalescence dominant regimes first, then breakup-dominant regimes and finally turns into a bimodal distribution. The tendency of the evolution is well reproduced by the model. However, the tendency is almost always overestimated, i.e. too much coalescence in the coalescence dominant case while too much breakup in breakup dominant ones. The reason of this problem is discussed by studying the contribution of each coalescence and breakup mechanism at different test points. The redistribution of the gaseous phase from the injection position at the pipe wall to the whole cross section is overpredicted by the Test Solver especially for the test points with high superficial gas velocity. Besides the models for bubble forces, the simplification of the Test Solver to a 1D model has an influence on the redistribution process. Simulations performed using CFX show that a considerable improvement is achieved with comparison to the results delivered by the standard closure models. For the breakup-dominant cases, the breakup rate is again overestimated and the contribution of wake entrainment of large bubbles is underestimated. Furthermore, inlet conditions for the liquid phase, bubble forces as well as turbulence modeling are shown to have a noticeable influence, especially on the redistribution of the gaseous phase.

Mit Einführung der Umweltzone 2011 erfolgte eine beschleunigte Modernisierung der Fahrzeugflotte in Leipzig gegenüber anderen Regionen in Sachsen. Die Belastung durch Verbrennungspartikel aus der modernisierten Fahrzeugflotte reduzierte sich sehr deutlich. Die Reduzierung war im ersten Jahr der Umweltzone am stärksten. Nach sechs Jahren wurde eine Minderung für die Anzahl der Partikel von 30 bis 200 nm um 74 % und für Ruß-Partikel BC um 59 % nachgewiesen. Dies dokumentiert den Erfolg der Partikelfilter in modernen Dieselfahrzeugen beim realen Fahren in der Stadt. Der hochtoxische Feinstaubanteil in der Außenluft und damit das Gesundheitsrisiko der Bevölkerung wurden sehr deutlich gesenkt. Die Umweltzone war damit eine sinnvolle und wirkungsvolle Maßnahme der Stadtverwaltung. Gleichzeitig trat keine Verbesserung für die Stickstoffoxide durch die modernste Fahrzeugflotte Sachsens ein. Die Dieselfahrzeuge gelten als die Hauptverursacher. Der Misserfolg in der Minderung der Stickoxide moderner Diesel-PKW beim realen Fahren in der Stadt trotz verschärfter EURO-Abgasnormen wurde dokumentiert. Über die tatsächlichen Emissionen moderner Diesel-PKW wurden Bürger und Stadtverwaltung von Autoherstellern getäuscht.

Mit Einführung der Umweltzone 2011 erfolgte eine beschleunigte Modernisierung der Fahrzeugflotte in Leipzig gegenüber anderen Regionen in Sachsen. Die Belastung durch Verbrennungspartikel aus der modernisierten Fahrzeugflotte reduzierte sich sehr deutlich. Die Reduzierung war im ersten Jahr der Umweltzone am stärksten. Nach fünf Jahren wurde eine Minderung für die Anzahl der Partikel von 30 bis 200 nm um 62 % und für Ruß-Partikel BC um 48 % nachgewiesen. Dies dokumentiert den Erfolg der Partikelfilter in modernen Dieselfahrzeugen beim realen Fahren in der Stadt. Der hochtoxische Feinstaubanteil in der Außenluft und damit das Gesundheitsrisiko der Bevölkerung wurden sehr deutlich gesenkt. Gleichzeitig trat keine Verbessserungen für die Stickstoffoxide durch die modernste Fahrzeugflotte Sachsens ein. Die Dieselfahrzeuge gelten als die Hauptverursacher. Der Misserfolg in der Minderung der Stickoxide moderner Dieselfahrzeuge beim realen Fahren in der Stadt trotz verschärfter EURO-Abgasnormen wird dokumentiert. Hier besteht dringender Handlungsbedarf.

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This contribution describes the investigation of flow channels which are designed to be directly integrated into an aerospike engine by means of additive manufacturing with laser powder bed fusion (LPBF). During the experimental testing of a previous aerospike engine in 2019, it was observed that high surface roughness of such additively manufactured integrated channels caused a significant reduction in the mass flow rates of the propellants ethanol and liquid oxygen as well as the coolant due to increased pressure drop. In an extensive study within the CFDmikroSAT project, various factors influencing this surface roughness are, therefore, being investigated, which include the geometry of the channels as well as selected manufacturing parameters of the LPBF process, such as layer thickness and component orientation. To further reduce the roughness after manufacturing, suitable post-processing methods are also being investigated for internal cavities, initially analysing the abrasive flow machining process. Within the paper, the overall investigation approach is presented, such as the overview of the considered specimens, and the initial results of a various studies with selected specimens are discussed. These studies consist of the examination of surface roughness reduction, shape accuracy and flow behaviour of post-processed cooling channel specimens. Finally, a brief overview of the already manufactured aerospike demonstrator is presented.

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Diese Arbeit beinhaltet umfangreiche experimentelle Daten zur Kavitationsvisu-alisierung unter Trennung von Dampf- und Gaskavitation sowie eine validierte und praktikable Simulationsmethodik zur Lokalisierung und Quantifizierung der Kavitation und Kavitationserosion in einem realitätsnahen Hydraulikventil. Ein wesentliches Defizit der bisherigen Forschung zur Kavitation in der Hydrau-lik liegt in der fehlenden Trennung der Kavitationsarten, wodurch es bisher nur punktuell gelang belastbare Kavitationsmodelle inklusive ihrer Parameter für ölhydraulische Strömungen zu entwickeln. Auch die Vorhersage der Kavitati-onserosion war nur eingeschränkt möglich und der Einfluss der Luft auf diese umstritten. Durch ein effektives Entgasungskonzept trennt diese Arbeit experimentell die Effekte von Dampf- und Gaskavitation vollständig, sodass die jeweiligen Auswir-kungen auf die Kavitationsverteilung und -erosion sichtbar und analysierbar werden. Für 90 Betriebspunkte bei drei Sättigungszuständen des Mineralöls wird die kavitierende Strömung mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera und der Methode der Shadowgraphy visualisiert und statistisch quantifiziert. Es wird gezeigt, dass die Verteilung der optischen Kavitationsintensität vollständig durch den Kavitationskoeffizienten beschrieben wird und dass der Kavitations-beginn unabhängig vom Sättigungszustand des Öls ist. Weiterhin wird nachge-wiesen, dass hydrodynamische Kavitationserosion durch Dampfkavitation und nicht durch Gaskavitation verursacht wird. Im Gegenteil, die durch Gaskavitation freige-setzte Luft dämpft die Kavitationserosion um den Faktor 4-5. Zur Simulation der Dampf- und Gaskavitation wird schrittweise ein kompressib-les Euler-Euler-Mehrphasen CFD-Modell aufgebaut und mit der entwickelten Me-thode der „Virtual Shadowgraphy“ ausgewertet. Die Visualisierungsdaten wer-den zur Parametrierung das Zwart-Gerber-Belamri Dampfkavitationsmodell für Hydrauliköl genutzt. Die Modellierung wird um den Einfluss der Luft erweitert. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment zeigt über den gesamten Betriebsbereich eine sehr gute Übereinstimmung der räumlichen Kavitations-verteilung. Es wird demonstriert, dass eine Turbulenzmodellierung mit LES notwendig ist, da diese das momentane und lokale Druckfeld aufgelöst und damit die druckge-triebene Kavitation korrekt berechnet. Mit Hilfe der Kavitationserosionsindizes nach Nohmi ermöglicht das Modell die detaillierte Lokalisierung und Quantifizierung der Kavitationserosion, wobei ei-ne starke Kopplung zwischen Wirbeln und Kavitation beobachtet wird. Der ero-sionsdämpfende Einfluss der Luft wird von der Simulation ebenfalls abgebildet. Das Modell ist einsatzbereit und ermöglicht die Simulation von Kavitation und Kavitationserosion in hydraulischen Pumpen und Ventilen.:1 Einleitung 2 Stand der Forschung 2.1 Übersicht zur Turbulenzmodellierung 2.1.1 Turbulenzmodellierung mittels RANS 2.1.2 Turbulenzmodellierung mittels LES 2.2 Grundlagen der Mehrphasen- und Kavitationsmodellierung 2.3 Modellierung der Dampfkavitation 2.4 Modellierung der Gaskavitation 2.5 Kavitationsmodellierung in der Hydraulik 2.6 Kavitationserosion und Einfluss der (gelösten) Luft im Hydrauliköl 2.7 Simulation der Kavitationserosion 2.8 Forschungslücke 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 4 Das Fluid – Stoffwertbestimmung 4.1 Die Viskosität 4.2 Die Dichte 4.3 Der Kompressionsmodul 4.4 Der Dampfdruck 5 Experimente zur Kavitationsvisualisierung 5.1 Experimentelle Strategie 5.2 Versuchsaufbau 5.2.1 Das Hydrauliksystem 5.2.2 Der hydraulische Tank mit Entgasungsfunktionalität 5.2.3 Die Blasenanalysestrecken 5.2.4 Die Strömungsgeometrie 5.2.5 Strömungsvisualisierung mittels Shadowgraphy und Hochgeschwindigkeitskamera 5.3 Versuchsdurchführung 5.4 Versuchsauswertung und Ergebnisse 5.4.1 Definition der Ähnlichkeitskennzahlen Re,ζ,σ und X 5.4.2 Durchflusscharakteristik der Strömungsgeometrie 5.4.3 Bildverarbeitung und Quantifizierung der Kavitationsintensität mittels der statistischen Shadowgraphy 5.4.4 Räumliche Verteilung der Kavitationsintensität bei unterschiedlichen Sättigungsgraden und Betriebspunkten 5.4.5 Räumlich gemittelte Kavitationsintensität bei unterschiedlichen Sättigungsgraden und Betriebspunkten 6 Experimente zur Kavitationserosion und deren Abhängigkeit vom Luftgehalt 90 6.1 Durchführung der Erosionsversuche 6.2 Ergebnisse der Erosionsversuche 6.3 Messung der gelösten Luft und des Blasenspektrums im Nachlauf 6.4 Ergebnisinterpretation, Diskussion und Schlussfolgerungen der Erosionsversuche 7 Simulation 7.1 Simulationsstrategie 7.2 Geometrie und Diskretisierung 7.3 Modellaufbau und Auswertemethodik 7.3.1 Definition der Stoffeigenschaften 7.3.2 Turbulenzmodellierung 7.3.3 Kavitationsmodellierung 7.3.4 Rand- und Anfangsbedingungen 7.3.5 Die Auswertemethodik der „Virtual Shadowgraphy“ 7.4 Simulationsergebnisse und Vergleich mit den Experimenten 7.4.1 Einfluss der Turbulenzmodellierung 7.4.2 Parametrierung des ZGB-Dampfkavitationsmodells für Mineralöl 7.4.3 Parametrierung des Lifante-Gaskavitationsmodells für Mineralöl 7.4.4 Weiterentwicklung des Lifante-Gaskavitationsmodells durch scherratenabhängige Desorbtionskoeffizienten 7.4.5 Modellreduktion zur Anwendung bei kavitationsintensiven Betriebspunkten und dem Vorhandensein freier Luft 7.5 Simulative Quantifizierung von Ort und Intensität der Kavitationsbelastung und Einfluss der Luft 7.5.1 Einfluss der Luft auf die Kavitationsbelastung 7.5.2 Vergleich und Bewertung der simulierten Kavitationsbelastung mit der experimentell beobachteten Kavitationserosion 8 Zusammenfassung 9 Ausblick 10 Literatur 11 Anhang / This thesis contains detailed experimental data on cavitation visualization with separation of vapor and gas cavitation as well as a validated and practicable simulation methodology for the localization and quantification of cavitation and cavitation erosion in a realistic hydraulic valve. A major deficit of previous research on cavitation in hydraulics is the lack of separation of cavitation types, which has resulted in only selective success in developing reliable cavitation models including their parameters for oil-hydraulic flows. The prediction of cavitation erosion was also only possible to a limited extent and the influence of air on this was controversial. Using an effective degassing concept, this work experimentally separates the effects of vapor and gas cavitation completely, so that the individual effects on cavitation distribution and erosion become visible and analyzable. For 90 oper-ating points at three saturation states of the mineral oil, the cavitating flow is visualized and statistically quantified using a high-speed camera and the meth-od of shadowgraphy. It is shown that the distribution of the optical cavitation intensity is completely described by the cavitation coefficient and that the in-ception of cavitation is independent of the saturation state of the oil. Further-more, it is shown that hydrodynamic cavitation erosion is caused by vapor cavi-tation and not by gas cavitation. On the contrary, the air released by gas cavita-tion dampens cavitation erosion by a factor of 4-5. To simulate vapor and gas cavitation, a compressible Euler-Euler multiphase CFD model is developed step by step and evaluated using the 'Virtual Shadow-graphy' method. The visualization data is used to parameterize the Zwart-Gerber-Belamri vapor cavitation model for hydraulic oil. The modeling is ex-tended to include the influence of air. The comparison between simulation and experiment shows a very good agreement of the spatial cavitation distribution over the entire operating range. It is demonstrated that turbulence modeling with LES is necessary because it resolves the momentary and local pressure field and thus correctly calculates the pressure-driven cavitation. With the help of the cavitation erosion indices according to Nohmi, the model enables the detailed localization and quantification of cavitation erosion, whereby a strong coupling between vortices and cavitation is observed. The erosion-damping influence of the air is also reflected by the simulation. The model is ready for use and enables the simulation of cavitation and cavita-tion erosion in hydraulic pumps and valves.:1 Einleitung 2 Stand der Forschung 2.1 Übersicht zur Turbulenzmodellierung 2.1.1 Turbulenzmodellierung mittels RANS 2.1.2 Turbulenzmodellierung mittels LES 2.2 Grundlagen der Mehrphasen- und Kavitationsmodellierung 2.3 Modellierung der Dampfkavitation 2.4 Modellierung der Gaskavitation 2.5 Kavitationsmodellierung in der Hydraulik 2.6 Kavitationserosion und Einfluss der (gelösten) Luft im Hydrauliköl 2.7 Simulation der Kavitationserosion 2.8 Forschungslücke 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 4 Das Fluid – Stoffwertbestimmung 4.1 Die Viskosität 4.2 Die Dichte 4.3 Der Kompressionsmodul 4.4 Der Dampfdruck 5 Experimente zur Kavitationsvisualisierung 5.1 Experimentelle Strategie 5.2 Versuchsaufbau 5.2.1 Das Hydrauliksystem 5.2.2 Der hydraulische Tank mit Entgasungsfunktionalität 5.2.3 Die Blasenanalysestrecken 5.2.4 Die Strömungsgeometrie 5.2.5 Strömungsvisualisierung mittels Shadowgraphy und Hochgeschwindigkeitskamera 5.3 Versuchsdurchführung 5.4 Versuchsauswertung und Ergebnisse 5.4.1 Definition der Ähnlichkeitskennzahlen Re,ζ,σ und X 5.4.2 Durchflusscharakteristik der Strömungsgeometrie 5.4.3 Bildverarbeitung und Quantifizierung der Kavitationsintensität mittels der statistischen Shadowgraphy 5.4.4 Räumliche Verteilung der Kavitationsintensität bei unterschiedlichen Sättigungsgraden und Betriebspunkten 5.4.5 Räumlich gemittelte Kavitationsintensität bei unterschiedlichen Sättigungsgraden und Betriebspunkten 6 Experimente zur Kavitationserosion und deren Abhängigkeit vom Luftgehalt 90 6.1 Durchführung der Erosionsversuche 6.2 Ergebnisse der Erosionsversuche 6.3 Messung der gelösten Luft und des Blasenspektrums im Nachlauf 6.4 Ergebnisinterpretation, Diskussion und Schlussfolgerungen der Erosionsversuche 7 Simulation 7.1 Simulationsstrategie 7.2 Geometrie und Diskretisierung 7.3 Modellaufbau und Auswertemethodik 7.3.1 Definition der Stoffeigenschaften 7.3.2 Turbulenzmodellierung 7.3.3 Kavitationsmodellierung 7.3.4 Rand- und Anfangsbedingungen 7.3.5 Die Auswertemethodik der „Virtual Shadowgraphy“ 7.4 Simulationsergebnisse und Vergleich mit den Experimenten 7.4.1 Einfluss der Turbulenzmodellierung 7.4.2 Parametrierung des ZGB-Dampfkavitationsmodells für Mineralöl 7.4.3 Parametrierung des Lifante-Gaskavitationsmodells für Mineralöl 7.4.4 Weiterentwicklung des Lifante-Gaskavitationsmodells durch scherratenabhängige Desorbtionskoeffizienten 7.4.5 Modellreduktion zur Anwendung bei kavitationsintensiven Betriebspunkten und dem Vorhandensein freier Luft 7.5 Simulative Quantifizierung von Ort und Intensität der Kavitationsbelastung und Einfluss der Luft 7.5.1 Einfluss der Luft auf die Kavitationsbelastung 7.5.2 Vergleich und Bewertung der simulierten Kavitationsbelastung mit der experimentell beobachteten Kavitationserosion 8 Zusammenfassung 9 Ausblick 10 Literatur 11 Anhang