Statische Mischelemente spielen in der Verfahrenstechnik eine wichtige Rolle. Anwendungsbeispiele finden sich in der Lebens- und Nahrungsmittelindustrie (Homogenisieren von Milch, Teigwarenherstellung, Mischen von Pasten, etc.), bei pharmazeutischen Herstellprozessen (z.B. Pulvermischungen bei der Produktion von Tabletten, homogene Verteilung der Bestandteile ist Voraussetzung für die exakte Dosierung von Arzneimitteln) sowie Mischprozessen in der chemischen Industrie (Beeinflussung der Reaktionskinetik, Vermeidung unerwünschter Zwischenprodukte, etc.). Der aktuelle Beitrag beschäftigt sich mit der numerischen Strömungsberechnung (CFD) von Wendelmischern bestehend aus 2, 4 oder 6 Mischelementen. Die erzielten Ergebnisse werden mit experimentellen Untersuchungen an der Rohrmessstrecke des Labors für Strömungslehre an der TH Köln validiert.

Gas injection into saturated porous media has a high practical relevance. It is applied in groundwater remediation (air sparging), in CO2 sequestration into saline aquifers, and in enhanced oil recovery of petroleum reservoirs. This wide range of application necessitates a comprehensive understanding of gas flow patterns that may develop within the porous media and required modeling of multi-phase flow. There is an ongoing controversy in literature, if continuum models are able to describe the complex flow pattern observed in heterogeneous porous media, especially the channelized stochastic flow pattern. Based on Selker’s stochastic hypothesis, a gas channel is caused by a Brownian-motion process during gas injection. Therefore, the pore-scale heterogeneity will determine the shape of the single stochastic gas channels. On the other hand there are many studies on air sparging, which are based on continuum modeling. Up to date it is not clear under which conditions a continuum model can describe the essential features of the complex gas flow pattern. The aim of this study is to investigate the gas flow pattern on bench-scale and field scale using the continuum model TOUGH2. Based on a comprehensive data set of bench-scale experiments and field-scale experiments, we conduct for the first time a systematic study and evaluate the prediction ability of the continuum model. A second focus of this study is the development of a “real world”-continuum model, since on all scales – pore-scale, bench scale, field scale – heterogeneity is a key driver for the stochastic gas flow pattern. Therefore, we use different geostatistical programs to include stochastic conditioned and unconditioned parameter fields. Our main conclusion from bench-scale experiments is that a continuum model, which is calibrated by different independent measurements, has excellent prediction ability for the average flow behavior (e.g. the gas volume-injection rate relation). Moreover, we investigate the impact of both weak and strong heterogeneous parameter fields (permeability and capillary pressure) on gas flow pattern. The results show that a continuum model with weak stochastic heterogeneity cannot represent the essential features of the experimental gas flow pattern (e.g., the single stochastic gas channels). Contrary, applying a strong heterogeneity the continuum model can represent the channelized flow. This observation supports Stauffer’s statement that a so-called subscale continuum model with strong heterogeneity is able to describe the channelized flow behavior. On the other hand, we compare the theoretical integral gas volumes with our experiments and found that strong heterogeneity always yields too large gas volumes. At field-scale the 3D continuum model is used to design and optimize the direct gas injection technology. The field-scale study is based on the working hypotheses that the key parameters are the same as at bench-scale. Therefore, we assume that grain size and injection rate will determine whether coherent channelized flow or incoherent bubbly flow will develop at field-scale. The results of four different injection regimes were compared with the data of the corresponding field experiments. The main conclusion is that because of the buoyancy driven gas flow the vertical permeability has a crucial impact. Hence, the vertical and horizontal permeability should be implemented independently in numerical modeling by conditioned parameter fields.

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.

Gas injection into saturated porous media has a high practical relevance. It is applied in groundwater remediation (air sparging), in CO2 sequestration into saline aquifers, and in enhanced oil recovery of petroleum reservoirs. This wide range of application necessitates a comprehensive understanding of gas flow patterns that may develop within the porous media and required modeling of multi-phase flow. There is an ongoing controversy in literature, if continuum models are able to describe the complex flow pattern observed in heterogeneous porous media, especially the channelized stochastic flow pattern. Based on Selker’s stochastic hypothesis, a gas channel is caused by a Brownian-motion process during gas injection. Therefore, the pore-scale heterogeneity will determine the shape of the single stochastic gas channels. On the other hand there are many studies on air sparging, which are based on continuum modeling. Up to date it is not clear under which conditions a continuum model can describe the essential features of the complex gas flow pattern. The aim of this study is to investigate the gas flow pattern on bench-scale and field scale using the continuum model TOUGH2. Based on a comprehensive data set of bench-scale experiments and field-scale experiments, we conduct for the first time a systematic study and evaluate the prediction ability of the continuum model. A second focus of this study is the development of a “real world”-continuum model, since on all scales – pore-scale, bench scale, field scale – heterogeneity is a key driver for the stochastic gas flow pattern. Therefore, we use different geostatistical programs to include stochastic conditioned and unconditioned parameter fields. Our main conclusion from bench-scale experiments is that a continuum model, which is calibrated by different independent measurements, has excellent prediction ability for the average flow behavior (e.g. the gas volume-injection rate relation). Moreover, we investigate the impact of both weak and strong heterogeneous parameter fields (permeability and capillary pressure) on gas flow pattern. The results show that a continuum model with weak stochastic heterogeneity cannot represent the essential features of the experimental gas flow pattern (e.g., the single stochastic gas channels). Contrary, applying a strong heterogeneity the continuum model can represent the channelized flow. This observation supports Stauffer’s statement that a so-called subscale continuum model with strong heterogeneity is able to describe the channelized flow behavior. On the other hand, we compare the theoretical integral gas volumes with our experiments and found that strong heterogeneity always yields too large gas volumes. At field-scale the 3D continuum model is used to design and optimize the direct gas injection technology. The field-scale study is based on the working hypotheses that the key parameters are the same as at bench-scale. Therefore, we assume that grain size and injection rate will determine whether coherent channelized flow or incoherent bubbly flow will develop at field-scale. The results of four different injection regimes were compared with the data of the corresponding field experiments. The main conclusion is that because of the buoyancy driven gas flow the vertical permeability has a crucial impact. Hence, the vertical and horizontal permeability should be implemented independently in numerical modeling by conditioned parameter fields.

Bipolarplatten stellen eine Schlüsselkomponente hinsichtlich Fertigungskosten eines Brennstoffzellenstacks dar und sind komplexen Anforderungen ausgesetzt. Sie stützt die anderen biegeempfindlichen Stackkomponenten, verteilt die Reaktionsgase über die aktive Zellfläche und sorgt für die flächige elektrische Kontaktierung der in Reihe geschalteten Einzelzellen, Ableitung der Reaktionswärme und sowie Trennung der Einzelzellen. Daher muss sie einen niedrigen Kontaktwiderstand zur benachbarten Gasdiffusionslage, hohe Biegesteifigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Lebensdauer der Zelle gewährleisten. Die Funktion der Gasverteilung über die aktive Zellfläche übernimmt das Flussfeld. Deren Kanalstruktur- und Geometrie beeinflusst entscheidend den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und des Gesamtsystems. Um Fertigungsaufwand und damit verbundene Kosten zu senken, ist es Ziel aktueller Forschungsarbeit, die Geometrie so einfach wie möglich zu gestalten. Dabei wird ein minimal geringerer Wirkungsgrad in Kauf genommen, wenn im Gegenzug die Kosten stark sinken. Mit Hilfe einer CFD-Simulation wird das Flussfeld dahingehend optimiert, die Produktion zu vereinfachen und die Funktionalität weiterhin zu gewährleisten. Im Rahmen dieser Präsentation werden Modellbildung, Randbedingungen und erste Ergebnisse vorgestellt.

One elementary part of a centrifugal compressor is the volute, which is located downstream the impeller. Its purpose is to collect the flow and increase the static pressure by converting kinetic energy into potential energy. Despite its significant effect onto the design point and operating range of the compressor, the number of publications regarding this component is quite small. Therefore, a numerical optimization of the volute housing is performed in order to identify important geometric parameters and find an optimal volute geometry. For this purpose, a new density-based CFD solver for all Mach numbers is developed as well as an automated geometry generation tool for the volute housing. The results show, that a volute with an inlet eccentricity of 0.9 and a slightly lower radial volute channel offers the best compressor efficiency. Moreover, the actual cross-sectional shape of the volute has only a minor influence onto the performance. As a result, the isentropic efficiency could be improved by up to 2 % compared to the reference compressor model, in particular at high off-design flow rates. These results are a novelty in the scientific community and help to design more efficient compressors. / Das Spiralgehäuse eines Radialverdichters wird im Gegensatz zum Laufrad kaum in wissenschaftlichen Arbeiten untersucht. Um wichtige Geometrieparameter und Einflussfaktoren dieses Bauteils zu identifizieren, wird daher eine Optimierung mittels genetischer Algorithmen durchgeführt. Dazu wird zunächst ein dichte-basierter CFD-Löser entwickelt und validiert, um die komplexe Strömung in einem Radialverdichter mit hoher Genauigkeit simulieren zu können. Darauf aufbauend wird das Spiralgehäuse parametrisiert und ein Programm entwickelt, welches die komplexe Geometrie automatisiert erstellt. Durch die neuartige Kombination von numerischer Optimierung, automatisierter Geometrieerstellung und CFD-Simulation des Spiralgehäuses können erstmals Aussagen zur optimalen Geometrie sowie über Verlusteffekte für eine Vielzahl an Geomtrievarianten getroffen werden. Mit Hilfe dieses Wissens können sparsamere und effizientere Radialkompressoren für viele Bereiche des Maschinenbaus entwickelt werden.

Im Projekt „Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher“ des Forschungsprogramms „Solarthermie 2000plus“ wurden von 2004 bis 2008 unterschiedliche Konstruktionen zur Be- und Entladung thermischer Speicher experimentell und mit Hilfe von Simulationsrechnungen untersucht. Wesentliche Ziele dieses Projektes waren: - die Systematisierung und Analyse bestehender Konstruktionen, - die Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen, - die Ableitung von Richtlinien für Planung und Auslegung, - die Untersuchung der Übertragbarkeit vom Experiment auf Mittel- und Großspeicher sowie - die Einbindung von Industriepartnern (Kooperation und Praxistests). Das Projekt wurde an der Technischen Universität Chemnitz in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Technische Universität Ilmenau durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen und die gewonnenen Erkenntnisse werden im Bericht detailliert erläutert.

The key to success in separation of liquid mixtures is the efficient creation and utilization of vapour-liquid contact area. By packing the column with gas-liquid contact devices such as structured packing, the vapour-liquid contact area can be increased. However, the efficiency of these packed columns depends strongly on the local flow behaviour of the liquid and vapour phase inside the packing. The aim of this work was to develop three-dimensional CFD models to study the hydrodynamic behaviour on the corrugated sheets of packing. Different approaches are possible to simplify the problem and to extend it for more complex flow scenarios. In this work, three-dimensional CFD simulations were performed to study the complete fluid-dynamic behaviour. This was performed in two steps. As a first step, the developed model was validated with experimental studies using a simplified geometry i.e., an inclined plate. The three-dimensional Volume-of-Fluid (VOF) model was utilized to study the flow behaviour of the gas-liquid countercurrent flow. The influence of the liquid surface tension was taken into consideration using the Continuum Surface Force (CSF) model. The wetting characteristics of liquids with different viscosity (1 and 5 mPas) and contact angle (70° and 7°) were studied for different flow rates. Three different mixtures (water, water-glycerol (45 wt. %) and silicon-oil (DC5)) were considered. Initially, the rivulet width of experiments and simulations were compared and an error of 5 % maximum was determined. The results were also in good agreement with earlier studies. The percentage of wetting due to changes in flow rate, viscosity and contact angle was compared and discussed. For all tested systems, excellent agreement between the experiments and simulation studies was found. In addition, profiles of the velocity in the film at film flow conditions over a smooth inclined plate obtained from simulations were compared with experimental profiles obtained using a μPIV technique. A detailed sensitivity study was also performed in order to understand the changes in the velocity profiles due to small change in liquid flow rate, temperature and inclination angle. As a next step, the developed model was extended to geometries resembling real corrugated sheets of packing used in industrial applications. In earlier numerical studies of structured packing, geometries were simplified to enable easy meshing and faster computation. In this work, the geometries of corrugated sheets of packing were developed without any simplification and the flow behaviour was studied using the model validated in the first step. The flow behaviour on sheets with different geometrical modifications such as smooth and triangular crimp surfaces as well as perforations on the sheets were numerically studied and quantitatively compared with experimental studies for the three different fluid test systems. The agreement between the simulations and experiments was within an acceptable range for all system. The difference in the interfacial area between the corrugated sheets of a packing with and without perforation was analyzed and the prediction ability of different empirical correlations for the interfacial area available in literature was also compared and discussed. Furthermore, the numerical study was extended to understand the influence of the second corrugated sheet. Studying the flow behaviour between two sheets experimentally is very challenging, especially inside opaque packing. The model proved to be a very suitable tool to study the hold-up of the liquid between two sheets, the change in wetting behaviour due to small change in liquid inlet position. The results are also in good agreement with the earlier experimental studies, where researchers measured the liquid hold-up mainly in the region where two corrugated sheets touch each other. The three-dimensional CFD model was validated to study the flow behaviour on corrugated sheets of packing. The results from the simulations agree very well with findings from the experimental studies in terms of wetting and hold-up.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Simulationsansätze angewandt um die Hydrodynamik in einem neu entwickelten Wirbelschichtvergaser zu untersuchen. Die Ansätze umfassen a) entdimensionalisierter Ähnlichkeitskennzahlen und empirischer Gleichungen, b) 1D Simulationen mittels ASPEN Plus®, c) 3D CFD Simulationen mittels Ansys Fluent® zur detaillierten Abbildung der zu erwartenden Hydrodynamik. Vor- und Nachteile der jeweiligen Ansätze sowie Klassen von ermittelbaren Simulationsdaten werden diskutiert. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Identifizierung geeigneter Experimente aus der Literatur, auf Basis von Ähnlichkeitskennzahlen, um die Simulationen zu validieren. Die Vergasersimulationen zeigen, dass sich erwartungsgemäß ein aus hydrodynamischer Sicht gestufter Prozess ausbildet. Die entstehenden Zonen lassen sich als Festbett, blasenbildende Wirbelschicht, Jet-Wirbelschicht mit Rezirkulationszelle und strähnenbildende, zirkulierende Wirbelschicht identifizieren und entsprechen demnach dem Verfahrensanspruch.

In der vorliegenden Arbeit wurden 3D-Strömungszustände und die Bewegung an der Badoberfläche in Abhängigkeit von den Betriebsparametern mit der LDA-Methode im 1:2 Modell einer Stranggießkokille mit Fr-Zahl als Ähnlichkeitskriterium untersucht. Auf Basis der Messdaten wurde der obere Kokillenbereich in 7 Teilräumen stromabwärts unterteilt. Der Verlauf der Freistrahlausbreitung wurde durch eine Exponentialfunktion beschrieben. Nahe am Tauchrohraustritt wurde das Medium sowohl in den austretenden Strahl als auch in das Tauchrohr hinein eingesaugt. Die Frequenz und die Amplitude der Oberflächenschwankungen wurden nach der Leitfähigkeitsmethode gemessen. Dort dominierten drei Frequenzbereiche. In der Strömungsgeschwindigkeit beim Austritt des turbulenten Freistrahles wurden auch entsprechende nieder- und hochfrequente Anteile gemessen. Die Badoberflächenschwankungen wurden an vier Positionen gleichzeitig bestimmt. Mit steigender Fr-Zahl nahm der Mittelwert der Badoberflächenschwankung zu. Zwischen den Fr-Zahlen und den normierten Amplituden der Badoberflächenschwankungen (Mittelwert der Amplitude / hydraulischer Durchmesser der Tauchrohraustrittsfläche), konnte ein linearer Zusammenhang festgestellt werden. Die numerischen Ergebnisse (Fluent), die mit unterschiedlich definierten Randbedingungen des Strahlaustrittes berechnet wurden, ergaben eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, wenn die Randbedingungen am Tauchrohraustritt auf experimentellen Messdaten basierten. Liegen diese Messdaten nicht vor, dann kann das Ergebnis einer numerischen Untersuchung verbessert werden, indem die stromaufwärts liegenden Systemteile in die Rechensimulation einbezogen werden.