Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung und Optimierung synthetischer Jet-Aktuatoren, welche zur aktiven Strömungsbeeinflussung genutzt werden können. Ein in der Literatur bekanntes eindimensionales Modell wird ausführlich hergeleitet und an gemessene Geschwindigkeitsspektren verschiedener Jet-Aktuatoren angepasst. Der Einfluss jedes Modellparameters wird separat untersucht. Außerdem wird ein empirischer Zusammenhang zwischen Membranresonanzfrequenz und Luftkammervolumen angegeben, mit dessen Hilfe synthetische Jet-Aktuatoren mit größtmöglichen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düse konstruiert werden können.

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The thesis describes state of the art volumetric measurement techniques and applies a 3D measurement technique, 3D Scanning Particle Tracking Velocimetry, to the transitional backward facing step flow. The measurement technique allows the spatial and temporal analysis of coherent structures apparent at the backward facing step. The thesis focusses on the extraction and interaction of coherent flow structures like shear layers or vortical structures.

Als Beitrag zu einer verbesserten Filtration von Metallschmelzen werden stochastische Modelle für den essentiellen Mechanismus der Koagulation von Brownschen Partikeln und Partikeln in turbulenten Strömungen entwickelt und untersucht. Formeln für die zeitliche Entwicklung der Partikelkonzentration in diesen Systemen erlauben die Bestimmung von physikalischen Parametern, welche die Koagulation und somit die Filtration begünstigen. Um wichtige Resultate im Zusammenhang mit der traditionellen Herangehensweise für Brownsche Partikel zu berichtigen und zu erweitern, wird ein neuer Ansatz in Form zweier Modelle entwickelt. Für beide werden Formeln für die Partikelkonzentration, auf Basis einer neuartigen Verallgemeinerung der Matérn Hard-Core-Punktprozesse, abgeleitet. Um im Hinblick auf die Koagulationsgleichung der fraktalartigen Gestalt der Agglomerate besser Rechnung zu tragen, wird deren Morphologie anhand zweier neuer Modelle quantifiziert. Die Arbeit wird durch Anwendung der Modelle und numerische Simulationen von Koagulation und Abscheidung in turbulenten Strömungen abgerundet.

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.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Rühr- und Mischungsvorgänge in Flüssigmetallströmungen zu untersuchen, die mittels rotierender und wandernder Magnetfelder bzw. deren Kombination induziert werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Charakterisierung der dreidimensionalen Strömungsstrukturen innerhalb zylindrischer Geometrien bei der Verwendung überkritischer Magnetfelder. Neben der Untersuchung der Strömungseigenschaften stellen die physikalische Modellierung der angreifenden Kräfte, die geeignete Wahl und Validierung eines effizienten numerischen Lösungsverfahrens und dessen Erweiterung für die Durchführung von Large Eddy Simulationen wesentliche Eckpfeiler dieser Arbeit dar.

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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung und Optimierung synthetischer Jet-Aktuatoren, welche zur aktiven Strömungsbeeinflussung genutzt werden können. Ein in der Literatur bekanntes eindimensionales Modell wird ausführlich hergeleitet und an gemessene Geschwindigkeitsspektren verschiedener Jet-Aktuatoren angepasst. Der Einfluss jedes Modellparameters wird separat untersucht. Außerdem wird ein empirischer Zusammenhang zwischen Membranresonanzfrequenz und Luftkammervolumen angegeben, mit dessen Hilfe synthetische Jet-Aktuatoren mit größtmöglichen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düse konstruiert werden können.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen 2.1 Aufbau und Funktionsweise der betrachteten synthetischen Jet-Aktuatoren 2.2 Grundlagen aus der Mechanik 2.3 Grundlagen aus der Hydrodynamik 2.4 Analytisches Modell für synthetische Jet-Aktuatoren 3 Numerische Grundlagen 3.1 Zur Lösung von Differentialgleichungssystemen 3.2 Grundlagen der Optimierung 4 Beschreibung von Messdaten mit Hilfe des Modells 4.1 Reproduktion der Ergebnisse der Veröffentlichungen von Sharma 4.2 Anpassung des Modells an Messdaten weiterer Aktuatoren 5 Parametervariation und Optimierung 5.1 Separate Variation jedes Parameters 5.2 Brute-force-Optimierung von Luftkammervolumen und Membranresonanzfrequenz 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung