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.

Für die Modellierung der Hochdruck-Partialoxidation von Heiz- und Schweröl werden zunächst Untersuchungen des Einsatzstoffes durchgeführt, um deren Verdampfungs- und Pyrolyseverhalten zu bestimmen. Dazu wird das Verfahren der Hochdruck-Thermogravimetrie verwendet. Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik unter Anwendung von detaillierten Reaktionsmechanismen und eines umfangreichen Partikelmodells werden die Zustände im Reaktor modelliert. Die Validierung mit Verweilzeitmessungen wird demonstriert und damit verbundene Probleme aufgezeigt. Anhand von Untersuchungen am Vergasungsrückstand kann die Existenz von Cenosphären (Tropfenrückstände) und von in der Flamme gebildetem Ruß nachgewiesen werden.

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.

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.

This dissertation addresses the analysis of partially premixed flame configurations and the detection and characterization of their local flame regimes. First, the identification of flame regimes in experimental data is intensively discussed. Current methods for combustion regime characterization, such as the flame index, rely on 3D gradient information that is not accessible with available experimental techniques. Here, a method is proposed for reaction zone detection and characterization, which can be applied to instantaneous 1D Raman/Rayleigh line measurements of major species and temperature as well as to the results of laminar and turbulent flame simulations, without the need for 3D gradient information. Several derived flame markers, namely the mixture fraction, the heat release rate and the chemical explosive mode, are combined to detect and characterize premixed versus non-premixed reaction zones. The methodology is developed and evaluated using fully resolved simulation data from laminar flames. The fully resolved 1D simulation data are spatially filtered to account for the difference in spatial resolution between the experiment and the simulation, and experimental uncertainty is superimposed onto the filtered numerical results to produce Raman/Rayleigh equivalent data. Then, starting from just the temperature and major species, a constrained homogeneous batch reactor calculation gives an approximation of the full thermochemical state at each sample location. Finally, the chemical explosive mode and the heat release rate are calculated from this approximated state and compared to those calculated directly from the simulation data. After successful validation, the approach is applied to Raman/Rayleigh line measurements from laminar counterflow flames, a mildly turbulent lifted flame and turbulent benchmark cases. The results confirm that the reaction zones can be reliably detected and characterized using experimental data. In contrast to other approaches, the presented methodology circumvents uncertainties arising from the use of limited gradient information and offers an alternative to known reaction zone identification methods. Second, this work focuses on the flame structure of partially premixed dimethyl ether (DME) flames. DME flames form significant intermediate hydrocarbons in the reaction zone and are classified as the next more complex fuel candidate in research after methane. To simulate DME combustion processes, accurate predictions by computational combustion models are required. To evaluate such models and to identify appropriate flame regimes, numerical simulations are necessary. Therefore, fully resolved simulations of laminar dimethyl ether flames, defined by different levels of premixing, are performed. Further, the qualitative two-dimensional structures of the partially premixed DME flames are discussed and analyses are carried out at selected slices and compared to each other as well as to experimental data. Further, the flamelet/progress variable (FPV) approach is investigated to predict the partially premixed flame structures of the DME flames. In the context of the FPV approach, a rigorous analysis of the underlying manifold is carried out based on the newly developed regime identification approach and an a priori analysis. The most promising flamelet look-up table is chosen for the fully coupled tabulated chemistry simulations and the results are further compared to the fully resolved simulation data.

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.:1 INTRODUCTION 1 1.1 Market Situation 1 1.2 Objective Work 3 1.3 Structure of this Work 4 2 FUNDAMENTAL CONSIDERATIONS 5 2.1 Fundamentals of Gasification and Gasifiers 5 2.1.1 Counter-Current Fixed-Bed Gasifiers 7 2.1.2 Fluidized-Bed Gasifiers 9 2.1.3 Entrained-Flow Gasifiers 10 2.1.4 Technology Development Trends 11 2.1.5 Conclusion 12 2.2 Fundamentals of Fluidized-Bed Systems 13 2.2.1 Particle Characterization 13 2.2.2 Types of Fluidized Beds and Key Parameters 15 2.2.3 Fast-Fluidized Beds 18 2.2.4 Jetting-Fluidized Beds 19 2.2.5 Spouted Beds 24 2.2.6 Conclusion 27 3 APPROACHES TO ASSESS FLUIDIZED BEDS 28 3.1 Empirical Simulation 28 3.1.1 Nondimensional groups 28 3.1.2 Conclusion 36 3.2 Simulation with ASPEN Plus® 36 3.3 CFD Simulation 38 3.3.1 Modelling Approaches for Numerical Simulation of Fluidized Beds 38 3.3.2 Two Fluid Model (TFM) 40 3.3.3 Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) 44 3.3.4 Conclusion 46 4 COORVED GASIFICATION CONCEPT 48 4.1 Concept of Staged Conversion 48 4.1.1 Drawbacks of Conventional Fluidized-Bed Gasifiers 48 4.1.2 Basic Concept COORVED Gasifier 49 4.1.3 COORVED – Fixed-Bed Zone 49 4.1.4 COORVED – Bubbling-Bed Zone 50 4.1.5 COORVED – Jetting-Bed Zone 50 4.1.6 COORVED – Fast-Bed Zone 51 4.1.7 Conclusion 51 4.2 Test Facility and Reactor Design 52 4.3 Cold Flow Test Unit 53 4.4 Reference Cases 54 4.4.1 Solids Characterization 54 4.4.2 Gas Phase Properties 54 5 COORVED REACTOR IN FLOW REGIME DIAGRAMS 56 5.1 Reh Diagram for the Reference Case 56 5.2 Reh Diagram for Experimental Campaigns and CFD Case 57 5.3 Regime Diagrams for the Jetting-Bed Zone 60 5.4 Conclusion 61 6 CFD SIMULATION OF COORVED REACTOR 62 6.1 Verification of Multiphase CFD Setup 62 6.1.1 Parallelization 64 6.1.2 Pressure Drop and Minimum Fluidization Velocity 65 6.1.3 Conclusion 67 6.2 Grid Study 68 6.2.1 Pressure Drop 69 6.2.2 Voidage Profiles 69 6.2.3 Velocity Profiles 71 6.2.4 Conclusion 72 6.3 Validation Experiment Bubbling Bed and Fast Bed 72 6.3.1 Experimental Setup Holland 73 6.3.2 Simulation Setup 75 6.3.3 Results 77 6.3.4 Conclusion 84 6.4 Validation Experiment Jetting Bed 85 6.4.1 Experimental Setup 85 6.4.2 Simulation Setup 87 6.4.3 Results 88 6.4.4 Conclusion 95 6.5 CFD Simulation COORVED 96 6.5.1 Computational Grid 97 6.5.2 Cold Flow, Single Phase Jet 97 6.5.3 CFD setup 99 6.5.4 Results 99 6.5.5 Conclusion 103 7 ASPEN PLUS® SIMULATION OF THE COORVED GASIFIER 105 7.1 Validation Experiment Bubbling Bed and Fast Bed 105 7.2 COORVED Simulation 107 7.3 Conclusion 108 8 SUMMARY 109 9 OUTLOOK 114 9.1 Modeling Tools 114 9.2 COORVED Development 114 10 APPENDIX 115 11 REFERENCES 120

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

Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Bestimmung charakteristischer aerodynamischer Koeffizienten im Schwebeflug mit Hilfe von Strömungssimulationen. Diese Koeffizienten werden für eine modellbasierte Regelung eines vollaktuierten Multikopters benötigt. Für die Simulationen wird aufbauend auf vorangegangenen Arbeiten ein ‚Sliding-mesh‘-Modell optimiert und einem ‚Overset-mesh‘-Modell gegenübergestellt. Die Verfahren werden anhand von Mess- sowie Referenzdaten hinsichtlich ihrer Rechenzeit und Genauigkeit verglichen. Die Messdaten werden im Rahmen dieser Arbeit ausgewertet. Die Referenzdaten stammen aus älteren Untersuchungen. Das ‚Overset-mesh‘-Verfahren liefert bei viermal höherer Rechenzeit gleichwertige adäquate Ergebnisse. Aus diesen Gründen werden anknüpfende Untersuchungen des Zeitverhaltens der Rotorschubkraft bei Drehzahländerungen mit dem ‚Sliding-mesh‘-Modell durchgeführt. Es wird beobachtet, dass die Schubkraft innerhalb der Simulation den Messdaten bei Drehzahlsprüngen vorauseilt.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Strömungsmechanik 2.1.1 Grundgleichungen 2.1.2 Zusätzliche Gleichungen 2.1.3 Navier-Stokes-Gleichungen 2.1.4 Laminare und turbulente Strömungen 2.1.5 Grenzschicht 2.2 Numerische Strömungsmechanik 2.2.1 Numerische Diskretisierung 2.2.2 Numerische Lösungsmodelle 2.2.3 Turbulenzmodelle 2.3 Rotorströmungen 2.3.1 Strahltheorie 2.3.2 Numerische Rotorsimulation 3 Stand der Technik 3.1 Motivation 3.2 Rotorströmung 3.3 Aeroelastizität 3.4 Nachlaufströmung 4 Umsetzung 4.1 Modellbildung 4.1.1 ‚Sliding-mesh‘-Verfahren 4.1.2 ‚Overset-mesh‘-Verfahren 4.2 Validierung 4.2.1 ‚Sliding-mesh‘-Verfahren 4.2.2 ‚Overset-mesh‘-Verfahren 4.3 Modifikationen 4.3.1 ‚Sliding-mesh‘-Verfahren 4.3.2 ‚Overset-mesh‘-Verfahren 4.4 Auswertung 4.4.1 ‚Sliding-mesh‘-Verfahren 4.4.2 ‚Overset-mesh‘-Verfahren 5 Messaufbau und Messauswertung 5.1 Messaufbau 5.2 Messauswertung 5.2.1 Schubkraftverlauf 5.2.2 Drehmomentenverlauf 6 Zeitverhalten 6.1 Modellbildung 6.2 Auswertung Schubkraftverlauf 6.2.1 Drehzahlsprung 1 6.2.2 Drehzahlsprung 2 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung 7.2 Ausblick

Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Makroporosität und Oberflächenstruktur des Schaumkeramikfilters sowie der Filterposition im Gießsystem auf die Filterwirksamkeit. Der Thematik wird sich durch CFD-Simulationen mittels Flow 3D und durch Gießversuche im Technikum und der Industrie genähert. Die Simulationen ergaben eine Steigerung der Filtrationseffizienz um 20% - 30% bei der Erhöhung der Makroporosität des Filters von 20 ppi auf 30 ppi in Abhängigkeit von der Filterposition. Außerdem konnte die Abscheidung der Partikel im Filter lokalisiert werden. Die Abnahme des Partikelgehalts über die Filterlänge wurde beobachtet und in den metallographischen Auswertungen der Gießversuche bestätigt. In den Gießversuchen wurde darüber hinaus die PreFil- und PoDFA-Analyse aufgrund ihrer hohen Störanfälligkeit als wenig aussagekräftig eingestuft. Die in den Industrieversuchen eingesetzte LiMCA-Analyse liefert hingegen belastbare Ergebnisse und eine Filtrationseffizienz von bis zu 94% in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur des Filters.:Inhalt 1 Einleitung 2 Grundlagen der Aluminiumschmelzefiltration 2.1 Verunreinigungen in Aluminiumlegierungen 2.1.1 Aluminiumoxid 2.1.2 Aluminium-Magnesium-Mischoxide (Spinell) 2.2 Schaumkeramikfilter 2.3 Filtrationsmechanismen 2.4 Der Filter im Gießsystem 2.4.1 Arten des Gießens 2.4.2 Empfehlungen zur Positionierung des Filters im Gießsystem 2.4.3 Oxidneubildung nach dem Filter 3 Beurteilung der Aluminiumschmelzequalität 3.1 Verfahren zur Beurteilung der Schmelzequalität 3.2 Bestimmung der Filtrationseffizienz 3.3 Filtrationseffizienz von Schaumkeramikfiltern im Aluminiumguss 4 CFD-Simulation 4.1 Flow 3D 4.2 Definition der Parameter 4.2.1 Filter 4.2.2 Geometrie 4.2.3 Schmelze 4.2.4 Partikel 4.3 Definition der Randbedingungen für die Simulation 4.4 Versuchsplan 4.5 Methodik der Auswertung 4.6 Ergebnisse 4.6.1 Volumen-/Massestrom und Geschwindigkeit 4.6.2 Fließgeschwindigkeit 4.6.3 Filtrationseffizienz 4.6.4 Ablagerung der Partikel im Filter 5 Gießversuche 5.1 Materialien 5.1.1 Schaumkeramikfilter 5.1.2 Legierung AlSi7Mg0,3 5.2 Modellschmelze 5.2.1 Duralcan 5.2.2 Durchführung der Vorversuche 5.2.3 Ergebnisse der Vorversuche 5.3 Versuchsdurchführung und Methodik der Versuchsauswertung 5.3.1 Versuchsaufbau 5.3.2 Versuchsübersicht 5.3.3 Versuchsdurchführung 5.3.4 Schmelzeanalyse 5.3.5 Metallographische Auswertung des Filterbereichs 5.3.6 Auswertung PreFil-Kurven der Ausgangsschmelze und des Filtrats 5.3.7 Metallographische Auswertung der Ausgangsschmelze und des Filtrats 5.4 Ergebnisse und Diskussion 5.4.1 Schmelzeanalyse 5.4.2 Metallographische Auswertung des Filters 5.4.3 Auswertung der PreFil-Kurven 5.4.4 PoDFA-Analyse 5.4.5 Gegenüberstellung der Ergebnisse der unterschiedlichen Analysemethoden und Fehlerbetrachtung 5.4.6 Vergleich der Ergebnisse aus Flow 3D-Simulation und Realversuch 6 Filtrationsversuche im industriellen Maßstab 6.1 Materialien 6.1.1 Schmelze 6.1.2 Schaumkeramikfilter 6.2 Versuchsdurchführung und Methodik der Versuchsauswertung 6.3 Ergänzende Vorversuche mittels Wassermodell 6.4 Ergebnisse und Diskussion 6.4.1 Durchflussgeschwindigkeit und Verweilzeit der Schmelze im Filter 6.4.2 Analyse der Versuchsschmelze 6.4.3 LiMCA-Messungen 6.4.4 Metallographische Auswertung der Filter 6.4.5 Auswertung der PoDFA-Analysen 7 Zusammenfassung und Ausblick Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Anhang

Der Effekt eines externen Magnetfeldes auf die mehrphasige und turbulente Strömung in Stranggußkokillen und deren Wechelspiel führt in den wissenschaftlichen Arbeiten zu widersprüchlichen Aussagen. Die verschiedenen Prozessparameter können innerhalb eines kleinen Varianzbereichs entscheidenden Einfluss auf die Aussage haben, ob ein Magnetfeld begünstigend oder schädigend auf die Qualität des Produkts wirkt. Um wichtige Einflussfaktoren zu identifizieren, werden daher numerische Strömungssimulationen des Prozesses durchgeführt. Dazu wird zunächst ein mehrphasiger und inkompressibler Mehrregionen-CFD-Löser für magnetohydrodynamische Strömungen entwickelt und validiert, um die komplexe Strömung in einer Stranggußkokille mit hoher Genauigkeit simulieren zu können. Darauf aufbauend wird das numerische Setup anhand einer Modellkokille mit aktuellen Messdaten validiert. Durch die neuartige Kombination Lagrange'scher Lösungsmethoden mit angepassten Termen für die Magnetohydrodynamik sowie der skalenaufgelösten magnetohydrodynamischen Turbulenz, können erstmals Aussagen zur optimalen Magnetfeldverteilung im Hinblick auf Strömungsstabilität, Turbulenzmodulation und Blasenverteilung getroffen werden. Mit Hilfe dieses Wissens können neuartige Konzepte elektromagnetischer Bremssysteme für den Stranggußprozess entwickelt werden.