In dieser Arbeit werden neuartige Flachrohre für die Verwendung als Rückwandverflüssiger in der Haushaltskältetechnik mit numerischen und dynamischen Simulationen sowie Experimenten untersucht. Dabei kommen unterschiedliche überströmte Längen sowie der Einfluss horizontaler Abstände auf den Wärmeübergang durch freie Konvektion zur Betrachtung. Realisiert wird die numerische Strömungssimulation mit der Software Fluent 3.6.26, wobei das RNG-k-epsilon- als Turbulenzmodell und diskrete Ordinaten zur zusätzlichen Modellierung des Strahlungswärmeübergangs verwendet werden. Zur Verifizierung werden experimentelle Untersuchungen mit natürlicher Konvektion durchgeführt. Ebenso kommt ein kompakter Verflüssiger bei erzwungener Konvektion zur experimentellen Analyse. Mit einem neuen Verflüssigermodell wird außerdem ein Haushaltskühlschrank in Modelica 2.2.1 dynamisch simuliert. Diese Arbeit zeigt, dass die Verwendung eines Flachrohrverflüssigers großes Potenzial einer konkurrenzfähigen Alternative zu konventionellen Verflüssigern besitzt. / In this work novel flat tubes used as rear panel condensers in the household refrigeration technology are examined with numerical and dynamic simulations as well as experiments. Therefore different overflowed lengths and the influence of horizontal spacing on the heat transfer by free convection are taken into consideration. The CFD calculations are realized with the software Fluent 3.6.26, where the RNG-k-epsilon turbulence model and discrete ordinates for an additional modelling of radiation heat transfer are applied. For the verification, experimental studies with natural convection are carried out. Likewise, a compact condenser is experimentally analysed in forced convection. With a new model for the liquefier a domestic refrigerator is also dynamically simulated in Modelica 2.2.1. This work shows that the use of a flat tube condenser has a great potential of a competitive alternative to conventional liquefiers.

Vergasungsprozesse, bei denen kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe in ein vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Synthesegas umgewandelt werden, stellen eine Schlüsseltechnologie für eine zukünftige nachhaltige Rohstoffnutzung dar. Der Grund für den Einsatz von Hochdruckverfahren liegt in der Steigerung der Wirtschaftlichkeit. Die numerische Simulation der Hochdruckvergasung hat große Schnittmengen mit der Verbrennungssimulation. So kann die Flammenzone mit Hilfe von Verbrennungsmodellen beschrieben werden. In der Arbeit wurden Simulationen einer Versuchsanlage für Hochdruckvergasung mit Hilfe kommerzieller CFD-Codes und mit Hilfe des quelloffenen Codes OpenFOAM durchgeführt. Eine Analyse des Verbrennungsmodells ergab, dass die wesentlichen Reaktionen im Reformierungsbereich, wo kein freier Sauerstoff mehr vorhanden ist, nur unzureichend abgebildet wurden. Durch die Verwendung eines alternativen Ansatzes konnte der Modellierungsfehler deutlich reduziert werden.

Die vorliegende Habilitationsschrift stellt den erreichten Stand der CFD-basierten Modellierung ein- und mehrphasiger Hochtemperaturprozesse dar. Die hierzu vorgelegten Arbeiten umfassen die Hochdruck-Partialoxidation von Erdgas, die Vergasung fester Einsatzstoffe in einem endothermen Flugstromreaktor und in einem mehrstufigen Wirbelschichtprozess sowie die Synthesegasaufbereitung in einem neuen Quenchreaktor. Der Forschungsschwerpunkt reicht dabei von der Entwicklung neuer Korrelationen zur Beschreibung der Strömungskräfte und des Wärmeübergangs basierend auf partikelaufgelösten Rechenmodellen über die Modellierung der thermochemischen Konversion reaktiver Einzelpartikel bis hin zur Berechnung und Optimierung unterschiedlicher Hochtemperaturreaktoren. / This habilitation thesis discusses the state of the art for the CFD modeling of single-phase and multi-phase high-temperature processes. The presented publications comprise the high-pressure partial oxidation of natural gas, the gasification of solid fuels in entrained-flow gasifiers and multi-stage fluidized-bed gasifier as well as the syngas treatment in a new quench reactor. The scientific approach covers the development of new correlations for flow forces and heat transfer based on particle-resolved numerical models, the modeling of the thermochemical conversion of reactive single particles, and the calculation and optimization of different high-temperature processes.

Solarthermie trägt wesentlich zur Verbrauchsreduzierung fossiler Energieträger bei. Die für eine thermische Zwischenspeicherung verwendeten Warmwasserspeicher werden häufig mittels schwerkraftbasierten Schichtenladern beladen. Bisher sind die komplexen Strömungsvorgänge im Beladesystem und deren Auswirkungen auf die Speichereffizienz begrenzt bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt daher eine detaillierte Auseinandersetzung mit den hydrodynamischen Effekten in einem Schichtenlader. Dreidimensionale CFD-Untersuchungen zeigen, dass im Belader Strömungsschwankungen auftreten, welche mit dem Ausströmverhalten korrelieren und den Schichtungsaufbau negativ beeinflussen. Variationen der Betriebsparameter und Beladergeometrie verdeutlichen deren Einflussnahme auf die Strömungseffekte im Beladesystem. Experimentelle PIV/PLIF-Untersuchungen bestätigen die mit der CFD gewonnenen Erkenntnisse wie z. B. Strömungsasymmetrien im Beladerrohr und ein teilweise periodisches Ausströmen. Zusätzlich identifizieren die experimentellen Messungen starke Instationaritäten der Strömung. / Solar thermal energy makes a significant contribution to reducing the consumption of fossil fuels. Hot water storage tanks are often equipped with gravity-based stratification devices. Up to now, the complex flow in the loading system and the effects on storage efficiency are only been rudimentarily known. In this Phd thesis, therefore, detailed examination of the hydrodynamic effects in a stratification device is conducted. 3D-CFD investigations show that a fluctuating flow exists in the device which correlate with the outflow behaviour and has a negative influence on the thermal stratification in the storages. Variations of the operating parameters and device geometry illustrates their influence on flow effects in the loading system. Experimental PIV/PLIF investigations confirm the results obtained from the CFD, such as flow asymmetries in the stratification device and a temporally periodic outflow. In addition, the experimental measurements identify strong instationarities of the flow.

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 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.

High-Pressure Partial Oxidation (HP-POX) of natural gas is one of the techniques in the synthesis gas production by non-catalytic reforming. On the path to emissions reduction, all operating facilities must be optimized to satisfy environmental regulations. In a rapidly changing economic and political environment, technological development from lab-scale to demo-scale, and industrial-scale is no longer feasible. Therefore, new research and design methods must be applied. One of such methods commonly used in science and industry is numerical modeling, which utilizes Computational Fluid Dynamics (CFD), Reduce Order Models (ROMs), kinetic, and equilibrium models. The CFD models provide details about flow field, temperature distribution, and species conversion. However, the computational effort required to conduct such calculations is significant. The computationally expensive CFD models cannot be effectively used in the reactor optimization. Herewith, other modeling techniques utilizing kinetic and equilibrium models do not provide necessary details for process optimization and can only be used for adjustments of boundary conditions, investigation of specific processes occurring in the reactor, or development of sub-models for CFD. A numerical investigation was conducted to validate existing CFD models against benchmark experiments. The results reveled that the CFD model is sensitive to modeling parameters, when simulating complex flows where turbulence-chemistry interaction occurs. Moreover, it was shown that the results sensitivity increases along with the oxidizer/fuel inlet velocities ratio. Based on the conducted experiments, the CFD model validation resulted in definition of the modeling parameters suitable for modeling of HP-POX of natural gas. Based on the validated CFD model, a ROM for HP-POX of natural gas was developed. The model assumes that the reactor consists of several zones characterized by specific conversion processes. Moreover, the model considers inlet streams dissipation upon the injection, and includes several optimization stages that allows model adjustments for any reactor geometry and boundary conditions. It was shown that the developed ROM can reproduce global reactor characteristics at non-equilibrium conditions unlike other ROMs, kinetic, or equilibrium models. Moreover, the validation against CFD results showed that the ROM can correctly account for the \gls{rtd} in the reactors of different geometries and volumes without extensive additional optimization. Finally, new experiments were designed and conduced at semi-industrial HP-POX facility at TU Bergakademie Freiberg. The experiments aimed to study the influence of different oxidizer/fuel velocities ratios on the reactants mixing and process characteristics at high operating pressures. The high velocity difference between oxidizer and fuel was achieved by injection of High-Velocity Oxidizer (HVO). The experiments showed no significant influence of the HVO on the global reactor characteristics and overall species conversion process. However, the numerical analysis of the experimental results demonstrated that the oxidation zone is affected by the oxidizer inlet velocity, and becomes less efficient in the fuel conversion when the oxidizer/fuel inlet velocities ratio is increased. In summary, a sophisticated numerical model validation was conducted and sensitivity of the numerical results to the modeling parameters was carefully studied. The novel natural gas conversion technique was experimentally studied. Based on the conducted experiments and numerical evaluation a ROM was developed. The ROM is capable of producing high accuracy results and greatly decreases the computational effort and time needed for reactor development and optimization.

Interactions between three immiscible phases, including incompressible viscoelastic structures and fluids, form standard constellations for countless scenarios in natural science. The complexity of many such scenarios has motivated various research efforts in scientific computing. This work presents novel numerical approaches for two specific of these ternary fluid-structure interaction constellations. The potential of these approaches is demonstrated by diverse applications. First, a phase field model is developed describing the interaction between a fluid and a viscoelastic solid. For this purpose, a Navier-Stokes-Cahn-Hilliard system is considered together with a hyperelastic neo-Hookean model. Based on this, an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method is implemented to simulate the indentation of the solid material in the context of atomic force microscopy, capable of predicting physical parameters. Next, the second approach is developed to describe the interaction between a two-phase fluid and a viscoelastic solid, where fluid and solid are defined on separate domains but aligned at the interface between them. The previously introduced phase field model is used to represent the fluid and an ALE method is used for the motion of the grid, where the fluid-solid interface moves with flow velocity. A unified system is solved in all subdomains, which includes both the balance of mass and momentum and the balance of forces at the fluid-solid interface. Simulations of static and dynamic soft wetting are subsequently presented, in particular a contact line moving over a substrate with oscillating stick-slip behavior. This work combines the advantages of phase field and ALE methods for meaningful simulations and emphasizes validity and numerical stability in all approaches.

A multitude of processes cooperate to produce the sensation of sound. The key initial step, the transformation from mechanical motion into an electrical signal, takes place in highly specialized mechanosensitive organelles that are called hair bundles due to their characteristic appearance. Each hair bundle comprises many apposed cylindrical stereocilia that are located in a liquid-filled compartment of the inner ear. The viscous liquid surrounding the hair bundle dissipates energy and dampens oscillations, which poses a fundamental physical challenge to the high sensitivity and sharp frequency selectivity of hearing. To understand the structure-function relationship in this complex system, a realistic physical model of the hair bundle with an appropriate representation of the fluid-structure interactions is needed to identify the relevant physical effects. In this work a novel approach is introduced to analyze the mechanics of the fluid-structure interaction problem in the inner ear. Because the motions during normal mechanotransduction are much smaller than the geometrical scales, a unified linear system of equations describes with sufficient accuracy the behavior of the liquid and solid in terms of a displacement variable. The finite-element method is employed to solve this system of partial differential equations. Based on data from the hair bundle of the bullfrog's sacculus, a detailed model is constructed that resolves simultaneously the interaction with the surrounding liquid as well as the coupling liquid in the narrow gaps between the individual stereocilia. The experimental data are from high-resolution interferometric measurements at physiologically relevant amplitudes in the range from a fraction of a nanometer to several tens of nanometers and over a broad range of frequencies from one millihertz to hundred kilohertz. Different modes of motion are analyzed and their induced viscous drag is calculated. The investigation reveals that grouping stereocilia in a bundle dramatically reduces the total drag as compared to the sum of the drags on individual stereocilia moving in isolation. The stereocilia in a hair bundle are interconnected by oblique tip links that transmit the energy in a sound to the mechanotransduction channels and by horizontal top connectors that provide elastic coupling between adjacent stereocilia. During hair-bundle deflections, the tip links induce additional drag by causing small but very dissipative relative motions between stereocilia; this effect is offset by the horizontal top connectors that restrain such relative movements, assuring that the hair bundle moves as a unit and keeping the total drag low. In the model the stiffness of the links, the stiffness of the stereocilia, and the geometry are carefully adjusted to match experimental observations. The references are stiffness and drag measurements, as well as the coherence measurements for the bundle's opposite edges, both with and without the tip links. The results are further validated by a comparison with the relative motions measured in a sinusoidally stimulated bundle for the distortion frequencies at which movements are induced by the nonlinearity imposed by channel gating. The model of the fluid-structure interactions described here provides insight into the key step in the perception of sound and the method presented provides an efficient and reliable approach to fluid-structure interaction problems at small amplitudes. / Bei der Hörwahrnehmung eines Klangs spielen viele komplexe Prozesse zusammen. Der Schlüsselprozess, die Umwandlung mechanischer Schwingungsbewegung in elektrische Signale, findet in den Haarbündeln im Innenohr statt. Diese Haarbündel sind hoch entwickelte mechanosensitive Organellen, bestehend aus vielen nahe beieinander stehenden Stereozilien umgeben von Flüssigkeit. Die beträchtliche Viskosität dieser Flüssigkeit führt zur Energiedissipation und zur Schwingungsdämpfung, was im Gegensatz zur bekannten hohen Empfindlichkeit und der ausgezeichneten Frequenzselektivität der Hörwahrnehmung steht. Um die Komponenten des Haarbündelsystems in ihrem funktionalen Zusammenspiel besser zu verstehen, bedarf es eines wirklichkeitsgetreuen Modells unter Einbeziehung der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Struktur. Mit dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz vorgestellt, um die Mechanik der Fluid-Struktur-Wechselwirkung im Innenohr zu analysieren. Da die Bewegungen bei der normalen Mechanotransduktion wesentlich kleiner als die geometrischen Abmessungen sind, ist es möglich, das Verhalten von Fluid und Struktur in Form der Verschiebungsvariable in einem linearen einheitlichen System von Gleichungen ausreichend genau zu beschreiben. Dieses System von partiellen Differentialgleichungen wird mit der Finite-Elemente-Methode gelöst. Basierend auf experimentell ermittelten Daten vom Haarbündel des Ochsenfrosches wird ein detailliertes Modell erstellt, welches sowohl die Interaktion mit der umgebenden Flüssigkeit als auch die koppelnde Flüssigkeit in den engen Spalten zwischen den einzelnen Stereozilien erfasst. Die experimentellen Daten sind Ergebnisse von hochauflösenden interferometrischen Messungen bei physiologisch relevanten Bewegungsamplituden im Bereich von unter einem Nanometer bis zu mehreren Dutzend Nanometern, sowie über einen breiten Frequenzbereich von einem Millihertz bis hundert Kilohertz. Das Modell erlaubt die Berechnung der auftretenden viskosen Widerstände aus der numerischen Analyse der verschiedenen beobachteten Bewegungsmoden. Es kann gezeigt werden, dass durch die Gruppierung zu einem Bündel der Gesamtwiderstand drastisch reduziert ist, im Vergleich zur Summe der Widerstände einzelner Stereozilien, die sich individuell und unabhängig voneinander bewegen. Die einzelnen Stereozilien in einem Haarbündel sind durch elastische Strukturen mechanisch miteinander verbunden: Die Energie des Schalls wird durch schräg angeordnete sogenannte Tiplinks auf die mechanotransduktiven Kanäle übertragen, wohingegen horizontale Querverbindungen die Stereozilien direkt koppeln. Während der Haarbündelauslenkung verursachen die Tiplinks zusätzlichen Widerstand durch stark dissipative Relativbewegungen zwischen den Stereozilien. Die horizontalen Querverbindungen unterdrücken diese Bewegungen und sind dafür verantwortlich, dass sich das Haarbündel als Einheit bewegt und der Gesamtwiderstand gering bleibt. Die Steifigkeit der Stereozilien und der Verbindungselemente sowie deren Geometrie sind in dem Modell sorgfältig angepasst, um eine Übereinstimmung mit den Beobachtungen aus verschiedenen Experimenten zu erzielen. Als Referenz dienen Steifigkeits- und Widerstandsmessungen, sowie Kohärenzmessungen für die gegenüberliegenden Außenkanten des Bündels, die jeweils mit und ohne Tiplinks durchgeführt wurden. Darüberhinaus sind die Ergebnisse durch den Vergleich mit experimentell beobachteten Relativbewegungen validiert, die das Haarbündel infolge von sinusförmiger Anregung bei Distorsionsfrequenzen zeigt. Diese haben ihren Ursprung in dem nichtlinearen Prozess des öffnens von Ionenkanälen. Das entwickelte Modell eines Haarbündels liefert neue Einblicke in den Schlüsselprozess der auditiven Wahrnehmung. Zur Behandlung von Problemen der Fluid-Struktur-Wechselwirkungen bei kleinen Amplituden hat sich der hier ausgearbeitete Ansatz als effizient und zuverlässig erwiesen.

Liquid film flow is an important flow type in many applications of process engineering. For supporting experiments, theoretical and numerical investigations are required. The present state of the art is to model the liquid film flow with Navier--Stokes-based methods, whereas the lattice Boltzmann method is employed here. The final model has been developed within this treatise by means of a two-phase flow and a heat transfer model, and boundary and initial conditions. All these sub-models have been applied to simple test cases. It could be found that the two-phase model is capable of solving flow phenomena with a large density ratio which has been shown impressively in conjunction with wall boundary conditions. The heat transfer model was tested against spectral method results with a transient non-uniform flow field. It was possible to find optimal parameters for computation. The final model has been applied to steady-state film flow, and showed very good agreement to OpenFOAM simulations. Tests with transient film flow demonstrated that the model is also able to predict these flow phenomena. / Flüssigkeitsfilmströmungen kommen in vielen verfahrenstechnischen Prozessen zum Einsatz. Zur Unterstützung von Experimenten sind theoretische und numerische Untersuchungen nötig. Stand der Technik ist es, Navier--Stokes-basierte Modelle zu verwenden, wohingegen hier die Lattice-Boltzmann-Methode verwendet wird. Das finale Modell wurde unter Verwendung eines Zweiphasen- und eines Wärmeübertragungsmodell entwickelt und geeignete Rand- und Anfangsbedingungen formuliert. Alle Untermodelle wurden anhand einfacher Testfälle überprüft. Es konnte herausgefunden werden, dass das Zweiphasenmodell Strömungen großer Dichteunterschiede rechnen kann, was eindrucksvoll im Zusammenhang mit Wandrandbedingungen gezeigt wurde. Das Wärmeübertragungsmodell wurde gegen eine Spektrallösung anhand eines transienten und nichtuniformen Strömungsproblemes getestet. Stationäre Filmströmungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit OpenFOAM-Lösungen und instationäre Berechungen bewiesen, dass das Model auch solche Strömungen abbilden kann.