In dieser Arbeit wird ein neuartiges Düsensystem zum effizienten Heißgas-schweißen erforscht. Die theoretisch gewonnenen Daten der CFD-Simulationen werden an einer serienfähigen Heißgasschweißanlage, zwei Werkstoffen und zwei Probekörpergeometrien bestätigt. Das Düsensystem macht eintauchende Düsensysteme für den Heißgasschweißprozess serienfähig und erlaubt eine Reduktion der Erwärmungszeit um bis zu 50 %. Zusätzlich sind Kunststoffe mit hoher Schmelztemperatur (z. B. PA6T/XT-GF35) erstmals zuverlässig schweißbar. Mit dem neuen Düsensystem können anspruchsvolle, technische Werkstoffe mit hohen Schmelztemperaturen und großer Temperatursen-sivität gefügt werden. Zudem erlaubt das Aufsatz-Düsen-System das Fügen von Bauteilen mit komplex verlaufenden Schweißnähten. Die schnelle und homogene Erwärmung des Kunststoffes mit dem neuartigen Düsensystem erlaubt es, den Energie- und Gasverbrauch deutlich zu reduzieren.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Stand der Wissenschaft 4 Versuchsaufbau zur Untersuchung der Düsensysteme 5 Vergleich des RD- und AD-Systems durch CFD-Simulation und Auswahl eines Düsensystems 6 Optimierung des AD-Systems durch CFD-Simulation 7 Vergleich des AD-Systems mit dem Stand der Technik mittels serienfähiger Heißgasschweißanlage 8 Wechselwirkung ausgewählter Einstellparameter mit dem AD-System 9 Diskussion der Ergebnisse 10 Zusammenfassung und Ausblick Anhang ...................... / In this work, a new kind of nozzle system for efficient hot gas welding is re-searched. The theoretically obtained data from the CFD simulations are con-firmed on a production-capable hot gas welding system, two materials and two test specimens. The nozzle system makes immersed nozzle systems for the hot gas welding process suitable for series production and allows a reduction in heating time of up to 50 %. In addition, resins with high melting temperatures (e.g. PA6T/XT-GF35) can be reliably welded for the first time. With the new nozzle system, demanding engineering materials with high melting tempera-tures and high temperature sensitivity can be joined. In addition, the top nozzle system allows the joining of components with complex weld seams. The fast and homogeneous heating of the plastic with the new nozzle system allows energy and gas consumption to be significantly reduced.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Stand der Wissenschaft 4 Versuchsaufbau zur Untersuchung der Düsensysteme 5 Vergleich des RD- und AD-Systems durch CFD-Simulation und Auswahl eines Düsensystems 6 Optimierung des AD-Systems durch CFD-Simulation 7 Vergleich des AD-Systems mit dem Stand der Technik mittels serienfähiger Heißgasschweißanlage 8 Wechselwirkung ausgewählter Einstellparameter mit dem AD-System 9 Diskussion der Ergebnisse 10 Zusammenfassung und Ausblick Anhang ......................

Die jüngst beobachteten Hochwasserereignisse zogen eine Überarbeitung der hydrologischen Daten zahlreicher Talsperren nach sich. Im Ergebnis wiesen viele der Anlagen nicht die erforderliche Hochwassersicherheit auf. Aus diesem Grund ist auch für die in Sachsen gelegene Talsperre Lehnmühle eine Ertüchtigung der Hochwasserentlastungsanlage geplant. Die Vorzugsvariante zur Wiederherstellung der Überflutungssicherheit sieht die Absenkung der Wehrkrone einzelner Überlauffelder vor. Die damit verbundene Leistungssteigerung erfordert eine Überprüfung der Abflussverhältnisse im nachgeschalteten Tosbecken. Im Rahmen der Arbeit werden die Strömungsverhältnisse im bestehenden Tosbecken mit Hilfe dreidimensionaler numerischer Modellierungen abgebildet. Mit dem Ziel einer verbesserten Energieumwandlung wird darüber hinaus die Wirksamkeit von Prallblöcken untersucht und bewertet.:1 Einleitung 2 Grundlagen der numerischen Strömungsberechnung 2.1 Numerische Modellierung im Vergleich 2.1.1 Prinzip der numerischen Strömungsberechnung 2.1.2 Exkurs: Physikalische Modellierung 2.1.3 Vor- und Nachteile der numerischen und physikalischen Modellierung 2.2 Vollständige Navier-Stokes-Gleichungen 2.3 Berechnungsmethoden 2.4 Turbulenzmodellierung 2.4.1 k-ε-Modell 2.4.2 k-ω-Modell 2.4.3 SST-Modell 2.5 Diskretisierung 2.5.1 Definieren der Geometrie 2.5.2 Berechnungsnetze 2.5.2.1 Strukturierte Netze 2.5.2.2 Unstrukturierte Netze 2.5.2.3 Hybride Netze 2.5.3 Räumliche Diskretisierung 2.5.4 Zeitliche Diskretisierung 2.5.5 Anfangs- und Randbedingungen 2.6 Wichtige Eigenschaften numerischer Berechnungsverfahren 3 Hochwasserentlastungsanlagen 3.1 Funktion 3.2 Begrifflichkeiten und Regelwerke 3.3 Aufbau 3.3.1 Einlaufbauwerk 3.3.2 Transportbauwerk 3.3.3 Energieumwandlungsanlagen 3.3.3.1 Der Prozess der Energieumwandlung 3.3.3.2 Konstruktionsmöglichkeiten 3.4 Hydraulische Bemessung 3.4.1 Hochwasserbemessungsfälle 3.4.2 Bemessungsabflüsse und Überschreitungswahrscheinlichkeiten 3.4.3 Freibordbemessung 4 Methodik 4.1Die Talsperre Lehnmühle 4.2Hydrologie 4.3Untersuchungsumfang 4.4Erstellung der numerischen Modelle 4.4.1Geometrie 4.4.1.1Wehrüberfall 4.4.1.2Tosbecken 4.4.1.3Tosbeckeneinbauten 4.4.2Numerische Modelle 4.4.2.1Modell des Wehrüberfalls 4.4.2.2Modell des Tosbeckens 4.4.3Berechnungsnetze 4.4.4Modellkonfiguration 5Ergebnisse der numerischen Berechnungen 5.1Numerik versus Physik 5.2Überfallmodellierungen 5.2.1Sensitivitätsuntersuchungen 5.2.2Ermittlung der Eingangsbedingungen für die Tosbeckenmodellierung 5.3Szenario 1 - Modellierung des bestehenden Tosbeckens 5.3.1Ergebnisse 5.3.2Sensitivitätsuntersuchungen 5.3.2.1Plausibilisierung der Randbedingung für die überströmte Tosbeckenwand 5.3.2.2Einfluss der Turbulenzmodellierung 5.3.2.3Einfluss der Rauigkeit 5.4Tosbeckenoptimierung 5.4.1Grundlegende Aussagen 5.4.2Wasserspiegellagen 5.4.3Fließgeschwindigkeiten 5.4.4Abfluss über die Tosbeckenwand 5.4.5Schubspannungen / Recent flood events called for a revision of hydrological data for numerous dams. As a result, many constructions have been found to not possess necessary flood safety. On this account, the flood spillway of the Saxon Lehnmühle dam is designated to be upgraded. In order to ensure an overflow-proof construction, the favored solution is to lower the crest of several weir fields. The resulting increased performance requires a revision of the runoff characteristics in the stilling basin. Firstly, this thesis shows the flow conditions of the existing stilling basin, using 3D numerical modeling. Secondly, with the goal of enhanced energy dissipation the effectiveness of baffle blocks will be examined and evaluated.:1 Einleitung 2 Grundlagen der numerischen Strömungsberechnung 2.1 Numerische Modellierung im Vergleich 2.1.1 Prinzip der numerischen Strömungsberechnung 2.1.2 Exkurs: Physikalische Modellierung 2.1.3 Vor- und Nachteile der numerischen und physikalischen Modellierung 2.2 Vollständige Navier-Stokes-Gleichungen 2.3 Berechnungsmethoden 2.4 Turbulenzmodellierung 2.4.1 k-ε-Modell 2.4.2 k-ω-Modell 2.4.3 SST-Modell 2.5 Diskretisierung 2.5.1 Definieren der Geometrie 2.5.2 Berechnungsnetze 2.5.2.1 Strukturierte Netze 2.5.2.2 Unstrukturierte Netze 2.5.2.3 Hybride Netze 2.5.3 Räumliche Diskretisierung 2.5.4 Zeitliche Diskretisierung 2.5.5 Anfangs- und Randbedingungen 2.6 Wichtige Eigenschaften numerischer Berechnungsverfahren 3 Hochwasserentlastungsanlagen 3.1 Funktion 3.2 Begrifflichkeiten und Regelwerke 3.3 Aufbau 3.3.1 Einlaufbauwerk 3.3.2 Transportbauwerk 3.3.3 Energieumwandlungsanlagen 3.3.3.1 Der Prozess der Energieumwandlung 3.3.3.2 Konstruktionsmöglichkeiten 3.4 Hydraulische Bemessung 3.4.1 Hochwasserbemessungsfälle 3.4.2 Bemessungsabflüsse und Überschreitungswahrscheinlichkeiten 3.4.3 Freibordbemessung 4 Methodik 4.1Die Talsperre Lehnmühle 4.2Hydrologie 4.3Untersuchungsumfang 4.4Erstellung der numerischen Modelle 4.4.1Geometrie 4.4.1.1Wehrüberfall 4.4.1.2Tosbecken 4.4.1.3Tosbeckeneinbauten 4.4.2Numerische Modelle 4.4.2.1Modell des Wehrüberfalls 4.4.2.2Modell des Tosbeckens 4.4.3Berechnungsnetze 4.4.4Modellkonfiguration 5Ergebnisse der numerischen Berechnungen 5.1Numerik versus Physik 5.2Überfallmodellierungen 5.2.1Sensitivitätsuntersuchungen 5.2.2Ermittlung der Eingangsbedingungen für die Tosbeckenmodellierung 5.3Szenario 1 - Modellierung des bestehenden Tosbeckens 5.3.1Ergebnisse 5.3.2Sensitivitätsuntersuchungen 5.3.2.1Plausibilisierung der Randbedingung für die überströmte Tosbeckenwand 5.3.2.2Einfluss der Turbulenzmodellierung 5.3.2.3Einfluss der Rauigkeit 5.4Tosbeckenoptimierung 5.4.1Grundlegende Aussagen 5.4.2Wasserspiegellagen 5.4.3Fließgeschwindigkeiten 5.4.4Abfluss über die Tosbeckenwand 5.4.5Schubspannungen

This thesis addresses numerical simulations of self-compacting concrete (SCC) castings and suggests a novel modelling approach that treats reinforcement zones in a formwork as porous media. As a relatively new field in concrete technology, numerical simulations of fresh concrete flow can be a promising aid to optimise casting processes and to avoid on-site casting incidents by predicting the flow behaviour of concrete during the casting process. The simulations of fresh concrete flow generally involve complex mathematical modelling and time-consuming computations. In case of a casting prediction, the simulation time is additionally significantly increased because each reinforcement bar occurring in succession has to be considered one by one. This is particularly problematic when simulating SCC casting, since this type of concrete is typically used for heavily reinforced structural members. However, the wide use of numerical tools for casting prediction in practice is possible only if the tools are user-friendly and simulations are time-saving. In order to shorten simulation time and to come closer to a practical tool for casting prediction, instead to model steel bars one by one, this thesis suggests to model zones with arrays of steel bars as porous media. Consequently, one models the flow of SCC through a reinforcement zone as a free-surface flow of a non-Newtonian fluid, propagating through the medium. By defining characteristic parameters of the porous medium, the influence on the flow and the changed (apparent) behaviour of concrete in the porous matrix can be predicted. This enables modelling of any reinforcement network as a porous zone and thus significantly simplifies and fastens simulations of reinforced components’ castings. Within the thesis, a computational model for SCC flow through reinforced sections was developed. This model couples a fluid dynamics model for fresh concrete and the macroscopic approach for the influence of the porous medium (formed by the rebars) on the flow. The model is implemented into a Computational Fluid Dynamics software and validated on numerical and experimental studies, among which is a large-scale laboratory casting of a highly reinforced beam. The apparent rheology of concrete within the arrays of steel bars is studied and a methodology to determine unknown input parameters for the porous medium is suggested. Normative tables defining characteristic porous medium parameters as a function of the topology of the rebar zone for different reinforcement cases are generated. Finally, the major contribution of this work is the resulting numerical package, consisting of the numerical solver and the parameter library. The thesis concludes on the ability of the porous medium analogy technique to reliably predict the concrete casting behaviour, while being significantly easier to use and far less time consuming than existing tools. / Die Arbeit behandelt die numerische Modellierung des Fließverhaltens von selbst-verdichtendem Beton (SVB) in bewehrten Schalungselementen. Die numerische Simulation des Fließens von Frischbeton kann eine vielversprechende Unterstützung bei der Optimierung von Befüllvorgängen sein, indem diese bereits im Vorfeld vorhergesagt werden. Die Simulation des Fließens von Frischbeton verwendet komplizierte mathematische Modelle und zeitintensive Rechenoperationen. Darüber hinaus wird die Simulationszeit für die Vorhersage des Füllvorgangs zusätzlich deutlich verlängert, weil aufeinanderfolgende Bewehrungsstäbe einzeln zu berücksichtigen sind. Das ist insbesondere für die Simulation von SVB ein entscheidendes Problemfeld, da SVB oft gerade für hochbewehrte Bauteile verwendet wird. Dennoch ist ein weitreichender Einsatz von numerischen Hilfsmitteln bei der Vorhersage von Füllprozessen nur denkbar, wenn die Anwenderfreundlichkeit und eine Zeitersparnis gewährleistet werden können. Um die Simulationszeit zu verkürzen und näher an eine anwenderfreundliche Lösung für die Vorhersage von Füllprozessen zu kommen, wird als Alternative zur einzelnen Modellierung aller Stahlstäbe in dieser Arbeit vorgeschlagen, Zonen mit Bewehrungsstäben als poröse Medien zu modellieren. Infolgedessen wird das Fließen von SVB durch bewehrte Zonen als Strömung eines nicht-Newton’schen Fluides durch ein poröses Medium betrachtet. Durch die Definition charakteristischer Parameter des porösen Mediums kann das veränderte Verhalten des Betons in der porösen Matrix vorhegesagt werden. Dies ermöglicht die Modellierung beliebiger Bewehrungszonen und vereinfacht und beschleunigt folglich die numerische Simulation bewehrter Bauteile. Im Rahmen der Arbeit wird ein Rechenmodell für das Fließverhalten von SVB durch bewehrte Schalungszonen entwickelt. Das Modell verkoppelt das Strömungsverhalten von Beton mit dem makroskopischen Ansatz für den Einfluss von porösen Medien, welche in diesem Fall die Bewehrungsstäbe ersetzen. Das entwickelte Modell wird in eine CFD-Software implementiert und anhand mehrerer numerischer und experimenteller Studien validiert, darunter auch ein maßstabsgetreues Fließexperiment eines hochbewehrten Balkens. Darüber hinaus wird die scheinbare Rheologie des Betons innerhalb der Anordnung der Stahlstäbe untersucht und daraus eine Methode zur Bestimmung unbekannter Parameter für das poröse Medium vorgeschlagen. Es werden hierfür auch normative Tabellen generiert, die die charakteristischen Eigenschaften der porösen Medien für unterschiedliche Bewehrungsanordnungen abbilden. Zuletzt ist der Hauptbeitrag dieser Arbeit das resultierende Numerikpaket, bestehend aus dem numerischen Solver einschließlich des implementierten Modells sowie der Parameterbibliothek. Im Abschluss werden die Verlässlichkeit der Vorhersage von Füllvorgängen durch die Analogie zu porösen Medien erörtert sowie Schlussfolgerungen zur deutlichen Ersparnis an Aufwand und Zeit gegenüber herkömmlichen Methoden vorgenommen.

This paper describes the modelling of bubbly flow in a bubble column considering non-drag forces, polydispersity and bubble induced turbulence using the Eulerian two-fluid approach. The set of used closure models describing the momentum exchange between the phases was chosen on basis of broad experiences in modelling bubbly flows at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Polydispersity is modeled using the inhomogeneous multiple size group (iMUSIG) model, which was developed by ANSYS/CFX and Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Through the importance of a comprehensive turbulence modeling for coalescence and break-up models, bubble induced turbulence models are investigated. A baseline has been used which was chosen on the basis of our previous work without any adjustments. Several variants taken from the literature are shown for comparison. Transient CFD simulations are compared with the experimental measurements and Large Eddy Simulations of Akbar et al. (2012).

Die Dissertation bietet eine umfassende Analyse des quasi-stationären und dynamischen Verhaltens des Bezugspegels in den Nullkammerpegelgefäßen hydrostatischer Füllstandsmesssysteme von Siedewasserreaktoren. Die bislang rein phänomenologisch beschriebenen Übergangsprozesse im Pegelgefäß werden experimentell untersucht und in ihrer Wirkung auf das Messsystem bewertet. Da der Bezugsfüllstand und die Temperaturpulsationen sicherheitsrelevante Messgrößen sind, wird ein Beitrag zur Reaktorsicherheit geleistet. Die neuartigen, nichtinvasiven Verfahren zur Messung der Phasenverteilung im Pegelgefäß liefern realistische, unverfälschte Messdaten. Die Validierung von Simulationscodes und die sicherheitstechnische Bewertung von Siedewasserreaktoren werden dadurch verbessert. Das im CFD-Code Ansys CFX 14 entwickelte und experimentell validierte Modell bietet eine wichtige Grundlage für die numerische Simulation des Füllstandsmesssystems in Ergänzung zu Experimenten und zur Einbindung in Systemsimulationen.

Mechanical ventilation can be a life saving treatment. However, due to the inhomogeneous and anisotropic behavior of the lung tissue, ventilation can also lead to overdistensions of lung regions whereas other areas remain even collapsed. A first step is a more comprehensive understanding of the flow mechanics under normal breathing conditions in a healthy lung as well as for a diseased, collapsed lung. This is the aim of this work. Therefore, a realistic model of the upper human airways has been generated at which experimental and numerical investigations could be carried out. Experimentally, the flow was analyzed by means of Particle Image Velocimetry (PIV) measurements which revealed new details about the flow patterns occurring during different ventilation frequencies. Numerical results were in good agreement with the experimental results and could provide new details about the three-dimensional flow structure and emerging secondary flow within the upper airways. The study of reopening of collapsed airways has shown that larger frequencies lead to airway reopening without overdistension of already open parts. Higher frequencies also lead to homogenization of mass flow distribution within the human lung. / Künstliche Beatmung ist meist eine lebensrettende Maßnahme. Aufgrund der räumlich anisotropen und inhomogenen Eigenschaften der Lunge kann die Beatmung jedoch auch zu einer Schädigung der Lunge führen. Daraus ergibt sich die Forderung einer „Protektiven Beatmung“. Ein erster Schritt dahingehend ist ein verbessertes Verständnis der Atmung und Beatmung am Beispiel der gesunden sowie kranken, teilweise kollabierten Lunge. Dies ist das Ziel der Arbeit. Hierfür wurde ein realistisches Modell der oberen Atemwege (Tracheobronchialbaum) angefertigt. An diesem Modell können sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen durchgeführt werden. Experimentell wurde die Strömung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht, wobei neue Details bezüglich der auftretenden Strömungsmuster für unterschiedliche Frequenzen gefunden wurden. Numerische Strömungsberechnungen stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Dreidimensionale Strömungsstrukturen sowie die Entwicklung von Sekundärwirbeln in der Lunge konnten erklärt werden. Eine Studie am kranken, teilweise kollabierten Lungenmodell zeigte, dass mit steigender Frequenz kollabierte Bereiche wiedereröffnet werden können. Höhere Frequenzen führen weiterhin zu einer Homogenisierung der Massenstromverteilung in der Lunge.

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.

This thesis addresses numerical simulations of self-compacting concrete (SCC) castings and suggests a novel modelling approach that treats reinforcement zones in a formwork as porous media. As a relatively new field in concrete technology, numerical simulations of fresh concrete flow can be a promising aid to optimise casting processes and to avoid on-site casting incidents by predicting the flow behaviour of concrete during the casting process. The simulations of fresh concrete flow generally involve complex mathematical modelling and time-consuming computations. In case of a casting prediction, the simulation time is additionally significantly increased because each reinforcement bar occurring in succession has to be considered one by one. This is particularly problematic when simulating SCC casting, since this type of concrete is typically used for heavily reinforced structural members. However, the wide use of numerical tools for casting prediction in practice is possible only if the tools are user-friendly and simulations are time-saving. In order to shorten simulation time and to come closer to a practical tool for casting prediction, instead to model steel bars one by one, this thesis suggests to model zones with arrays of steel bars as porous media. Consequently, one models the flow of SCC through a reinforcement zone as a free-surface flow of a non-Newtonian fluid, propagating through the medium. By defining characteristic parameters of the porous medium, the influence on the flow and the changed (apparent) behaviour of concrete in the porous matrix can be predicted. This enables modelling of any reinforcement network as a porous zone and thus significantly simplifies and fastens simulations of reinforced components’ castings. Within the thesis, a computational model for SCC flow through reinforced sections was developed. This model couples a fluid dynamics model for fresh concrete and the macroscopic approach for the influence of the porous medium (formed by the rebars) on the flow. The model is implemented into a Computational Fluid Dynamics software and validated on numerical and experimental studies, among which is a large-scale laboratory casting of a highly reinforced beam. The apparent rheology of concrete within the arrays of steel bars is studied and a methodology to determine unknown input parameters for the porous medium is suggested. Normative tables defining characteristic porous medium parameters as a function of the topology of the rebar zone for different reinforcement cases are generated. Finally, the major contribution of this work is the resulting numerical package, consisting of the numerical solver and the parameter library. The thesis concludes on the ability of the porous medium analogy technique to reliably predict the concrete casting behaviour, while being significantly easier to use and far less time consuming than existing tools. / Die Arbeit behandelt die numerische Modellierung des Fließverhaltens von selbst-verdichtendem Beton (SVB) in bewehrten Schalungselementen. Die numerische Simulation des Fließens von Frischbeton kann eine vielversprechende Unterstützung bei der Optimierung von Befüllvorgängen sein, indem diese bereits im Vorfeld vorhergesagt werden. Die Simulation des Fließens von Frischbeton verwendet komplizierte mathematische Modelle und zeitintensive Rechenoperationen. Darüber hinaus wird die Simulationszeit für die Vorhersage des Füllvorgangs zusätzlich deutlich verlängert, weil aufeinanderfolgende Bewehrungsstäbe einzeln zu berücksichtigen sind. Das ist insbesondere für die Simulation von SVB ein entscheidendes Problemfeld, da SVB oft gerade für hochbewehrte Bauteile verwendet wird. Dennoch ist ein weitreichender Einsatz von numerischen Hilfsmitteln bei der Vorhersage von Füllprozessen nur denkbar, wenn die Anwenderfreundlichkeit und eine Zeitersparnis gewährleistet werden können. Um die Simulationszeit zu verkürzen und näher an eine anwenderfreundliche Lösung für die Vorhersage von Füllprozessen zu kommen, wird als Alternative zur einzelnen Modellierung aller Stahlstäbe in dieser Arbeit vorgeschlagen, Zonen mit Bewehrungsstäben als poröse Medien zu modellieren. Infolgedessen wird das Fließen von SVB durch bewehrte Zonen als Strömung eines nicht-Newton’schen Fluides durch ein poröses Medium betrachtet. Durch die Definition charakteristischer Parameter des porösen Mediums kann das veränderte Verhalten des Betons in der porösen Matrix vorhegesagt werden. Dies ermöglicht die Modellierung beliebiger Bewehrungszonen und vereinfacht und beschleunigt folglich die numerische Simulation bewehrter Bauteile. Im Rahmen der Arbeit wird ein Rechenmodell für das Fließverhalten von SVB durch bewehrte Schalungszonen entwickelt. Das Modell verkoppelt das Strömungsverhalten von Beton mit dem makroskopischen Ansatz für den Einfluss von porösen Medien, welche in diesem Fall die Bewehrungsstäbe ersetzen. Das entwickelte Modell wird in eine CFD-Software implementiert und anhand mehrerer numerischer und experimenteller Studien validiert, darunter auch ein maßstabsgetreues Fließexperiment eines hochbewehrten Balkens. Darüber hinaus wird die scheinbare Rheologie des Betons innerhalb der Anordnung der Stahlstäbe untersucht und daraus eine Methode zur Bestimmung unbekannter Parameter für das poröse Medium vorgeschlagen. Es werden hierfür auch normative Tabellen generiert, die die charakteristischen Eigenschaften der porösen Medien für unterschiedliche Bewehrungsanordnungen abbilden. Zuletzt ist der Hauptbeitrag dieser Arbeit das resultierende Numerikpaket, bestehend aus dem numerischen Solver einschließlich des implementierten Modells sowie der Parameterbibliothek. Im Abschluss werden die Verlässlichkeit der Vorhersage von Füllvorgängen durch die Analogie zu porösen Medien erörtert sowie Schlussfolgerungen zur deutlichen Ersparnis an Aufwand und Zeit gegenüber herkömmlichen Methoden vorgenommen.

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.

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.