Lehrstuhl Energieprozesstechnik und Strömungsmechanik
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Item CFD-Modellierung und Simulation von Hydrodynamik und biochemischen Prozessen in Mehrphasenströmungen(Verl. Dr. Hut, 2015) Meier, Markus; Ehrhard, Peter; Wichmann, RolfWith the objective to increase the efficiency of the aeration tanks of municipal wastewater treatment plants, the present work deals with the complete and systematic coupling of a biological model system with computational fluid dynamics (CFD). In addition to the realization of a three-phase flow, appropriate mathematical models for the rheology and sedimentation of activated sludge are developed based on literature and experimental data. The oxygen transport into the activated sludge and the implementation of a biological reaction system is described. Effects of parameter variations on the simulation quality are examined and a comparison with industrial standard simulation-tools is performed. Besides the simulation of various test geometries, illustrating the general functionality of the model, the simulation of a real aeration tank is presented in order to assess the quality of the simulation. Experiments are carried out at a sewage treatment plant to determine concentration profiles for verification. Results indicate that the model outperforms common simulation standards in its accuracy. For the investigation of critical factors affecting the overall simulation quality, a sensitivity analysis of key parameters is performed. Eventually, based upon the simulation results, optimization potential is identified and suggestions for the enhancement are presented.Item Untersuchungen zu laminarer, transitioneller und turbulenter Strömung in rechteckigen Mikrokanälen(2009-06-02T11:18:45Z) Wibel, Wolf; Ehrhard, Peter; Herwig, HeinzItem Science and technology of the mechanical thermal dewatering(2008-08-18T11:21:26Z) Bergins, ChristianIn the work at hand basic experimental results are presented for the mechanical/thermal dewatering (MTE, German abbreviation for ‘Mechanisch/Thermische Entwässerung’, also used for ‘mechanical/thermal expression’ in English), during which lignites or other moisture containing materials are dewatered by the combined application of heat and mechanical forces. Models are developed for the description of the kinetics during the dewatering of the different materials based on soil-mechanical fundamentals, rheology and rate-process-theory. Using mercury intrusion porosimetry (MIP), helium pycnometry, CO2 adsorption and other techniques, it is investigated, how MTE process conditions, such as temperature and pressure, affect the physical properties pore size distribution and pore diameters, specific surface area, skeletal and ‘true’ density, hardening, compressibility and shrinkage behaviour of low rank coals from Australia, Greece and Germany. The results provide a detailed insight in process kinetics and mechanism, in coal structure and structural changes during the dewatering process. Additionally re-hydration and combustibility of MTE products as well as the removal of minerals from lignites during the MTE process is investigated. Results from the mechanical/thermal dewatering and water leaching tests are compared, which prove, that the MTE process is a powerful technique for the removal of both water and alkali components from lignite and younger biomass fuels like straw. Reductions of the concentration of sodium in lignite and potassium in straw between 70 and 85% are obtained. The results thus demonstrate, that the MTE process is also suitable for the upgrading of lignites and biomass fuels to prevent corrosion and slagging in power plants. The development of the plant and process engineering for the dewatering of lignite and for the combined leaching and dewatering of biomass fuels is presented and technological modifications required for the dewatering of waste materials and suspensions like galvanising sludge are described. The technical implementation is demonstrated based on the laboratory and technical scale dewatering units at the University of Dortmund and the pilot and demonstration plants located in Frechen and at the power plant Niederaußem. Efficiencies for different dry lignite fired power plant concepts with integrated mechanical/ thermal lignite dewatering are calculated and compared to the results obtained for other drying and dewatering processes. Depending on the origin and water content of the lignite, power plant efficiencies can be increased by up to 20 percent and specific CO2 emissions can be reduced by the same amount by the implementation of the MTE process in technical scale power plants. The results prove, that the MTE process is a remarkable advance compared to the existing methods.Item Mehrphasige Durchströmung heterogener kompressibler poröser Medien(2007-12-18T11:44:49Z) Neumann, Tim; Strauss, K.; Agar, D.Mehrphasenströmungen durch poröse Medien sind in der Verfahrens- und Energietechnik Grundlage einer Vielzahl technischer Anwendungen. Die dabei auftretenden Vorgänge sind komplex und so kommt es bereits bei einer isothermen zweiphasigen Durchströmung zu einem Zusammenwirken mehrerer, sich gegenseitig beeinflussender Effekte. Bislang konzentrierten sich die Untersuchungen auf einphasige Strömungsvorgänge, die wesentlich durch Reibungskräfte dominiert sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Einflüsse mehrphasiger DurchströmunMehrphasenströmungen durch poröse Medien sind in der Verfahrens- und Energietechnik Grundlage einer Vielzahl technischer Anwendungen. Die dabei auftretenden Vorgänge sind komplex und so kommt es bereits bei einer isothermen zweiphasigen Durchströmung zu einem Zusammenwirken mehrerer, sich gegenseitig beeinflussender Effekte. Bislang konzentrierten sich die Untersuchungen auf einphasige Strömungsvorgänge, die wesentlich durch Reibungskräfte dominiert sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Einflüsse mehrphasiger Durchströmungsprozesse in kapillarporösen Materialien und dispersen Haufwerken bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten untersucht. Dazu werden zunächst anhand verschiedener Schüttgüter, bei denen sich gezielt einzelne Eigenschaften der porösen Matrix variieren lassen, die Modellvorstellungen analysiert, um anschließend die erzielten Erkenntnisse auf reale poröse Medien zu übertragen. Als Parameter dienen der mittlere Partikeldurchmesser, die Benetzbarkeit der Oberfläche sowie die Porosität. Die Strömungsmedien bei den experimentellen Untersuchungen sind Luft und Wasser. Stellvertretend für reale Schüttgüter kommen Erdboden und Braunkohle zum Einsatz, für heterogene poröse Medien Membrane von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen. Mit Hilfe des Kapillarmodells lassen sich für geordnete poröse Medien die Haufwerkseigenschaften annähernd theoretisch ableiten. Aufgrund der geometrischen Komplexität muss jedoch häufig auf empirische Ansätze, wie das Darcy-Gesetz und die Ergun-Forchheimer- Gleichung, zur Modellierung des Impulstransportes zurückgegriffen werden. Im Fall der einphasigen Durchströmung wird gezeigt, dass die Haufwerkskenngrößen Permeabilität und Passabilität sowohl bei kompressiblen als auch bei nicht deformierbaren Haufwerken Funktionen des mittleren Partikeldurchmessers, der Porosität sowie der Tortuosität und der Geometrie der Porenerweiterungen sind. Dem Vorhandensein zusätzlicher fluider Phasen bei mehrphasigen Prozessen wird durch Einführung der relativen Permeabilitäten und relativen Passabilitäten Rechnung getragen, die zum einen von der Verteilung der fluiden Phasen im Haufwerk, zum anderen von den Oberflächenspannungen und den Verhältnissen der fluiden Dichten abhängen. Ein zusätzlicher Druckverlust wird durch die z.T. sehr großen Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeiten und die daraus resultierenden Schubkräfte an den Phasengrenzflächen hervorgerufen. Diesem wird durch Einführung einer Wechselwirkungskraft Rechnung getragen. Zur Beschreibung der Phasenverteilung sind Untersuchungen der kapillaren Eigenschaften durchgeführt worden. Für die Auswertung der mehrphasigen Untersuchungen ist ein numerischer Algorithmus entwickelt worden, der die Impulsbilanzen und die Erhaltungsgleichungen der fluiden Phasen gemeinsam löst. Die Untersuchungen belegen, dass für niedrige Permeabilitäten der Widerstand der flüssigen Phase bedingt durch die zunehmenden Kapillarkräfte steigt. Dies hat zum einen eine geringere Beweglichkeit des Wassers zur Folge. Zum anderen bedeutet dies, dass kleine mit Flüssigkeit blockierte Poren erst durch einen zusätzlichen Energieeintrag in Form eines erhöhten Druckabfalls wieder freigegeben werden müssen. In heterogenen Medien sind der Strömungswiderstand und Anteil benetzbarer zu nichtbenetzbarer Oberflächen direkt von einander abhängig. Der Vergleich mit den realen porösen Medien zeigt, dass die Modellvorstellungen grundsätzlich auch für diese Gültigkeit besitzen. Zur Beschreibung kolloidaler Stoffe wie der Braunkohle sind jedoch empirische Ansätze unerlässlich. Bei den Brennstoffzellenmembranen wird deutlich, dass sich der komplexe Aufbau durch eine Reduzierung des gesamten Prozesses auf einzelne Teilbereiche, in diesem Fall die abschnittsweise Definition der Sättigung, mit den Modellansätzen recht gut beschreiben lässt. So bedingt eine Hydrophobisierung unterschiedliche Strömungswiderstände der flüssigen und gasförmigen Phase, wodurch die Mobilitäten der fluiden Medien gezielt beeinflusst werden können.gsprozesse in kapillarporösen Materialien und dispersen Haufwerken bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten untersucht. Dazu werden zunächst anhand verschiedener Schüttgüter, bei denen sich gezielt einzelne Eigenschaften der porösen Matrix variieren lassen, die Modellvorstellungen analysiert, um anschließend die erzielten Erkenntnisse auf reale poröse Medien zu übertragen. Als Parameter dienen der mittlere Partikeldurchmesser, die Benetzbarkeit der Oberfläche sowie die Porosität. Die Strömungsmedien bei den experimentellen Untersuchungen sind Luft und Wasser. Stellvertretend für reale Schüttgüter kommen Erdboden und Braunkohle zum Einsatz, für heterogene poröse Medien Membrane von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen. Mit Hilfe des Kapillarmodells lassen sich für geordnete poröse Medien die Haufwerkseigenschaften annähernd theoretisch ableiten. Aufgrund der geometrischen Komplexität muss jedoch häufig auf empirische Ansätze, wie das Darcy-Gesetz und die Ergun-Forchheimer- Gleichung, zur Modellierung des Impulstransportes zurückgegriffen werden. Im Fall der einphasigen Durchströmung wird gezeigt, dass die Haufwerkskenngrößen Permeabilität und Passabilität sowohl bei kompressiblen als auch bei nicht deformierbaren Haufwerken Funktionen des mittleren Partikeldurchmessers, der Porosität sowie der Tortuosität und der Geometrie der Porenerweiterungen sind. Dem Vorhandensein zusätzlicher fluider Phasen bei mehrphasigen Prozessen wird durch Einführung der relativen Permeabilitäten und relativen Passabilitäten Rechnung getragen, die zum einen von der Verteilung der fluiden Phasen im Haufwerk, zum anderen von den Oberflächenspannungen und den Verhältnissen der fluiden Dichten abhängen. Ein zusätzlicher Druckverlust wird durch die z.T. sehr großen Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeiten und die daraus resultierenden Schubkräfte an den Phasengrenzflächen hervorgerufen. Diesem wird durch Einführung einer Wechselwirkungskraft Rechnung getragen. Zur Beschreibung der Phasenverteilung sind Untersuchungen der kapillaren Eigenschaften durchgeführt worden. Für die Auswertung der mehrphasigen Untersuchungen ist ein numerischer Algorithmus entwickelt worden, der die Impulsbilanzen und die Erhaltungsgleichungen der fluiden Phasen gemeinsam löst. Die Untersuchungen belegen, dass für niedrige Permeabilitäten der Widerstand der flüssigen Phase bedingt durch die zunehmenden Kapillarkräfte steigt. Dies hat zum einen eine geringere Beweglichkeit des Wassers zur Folge. Zum anderen bedeutet dies, dass kleine mit Flüssigkeit blockierte Poren erst durch einen zusätzlichen Energieeintrag in Form eines erhöhten Druckabfalls wieder freigegeben werden müssen. In heterogenen Medien sind der Strömungswiderstand und Anteil benetzbarer zu nichtbenetzbarer Oberflächen direkt von einander abhängig. Der Vergleich mit den realen porösen Medien zeigt, dass die Modellvorstellungen grundsätzlich auch für diese Gültigkeit besitzen. Zur Beschreibung kolloidaler Stoffe wie der Braunkohle sind jedoch empirische Ansätze unerlässlich. Bei den Brennstoffzellenmembranen wird deutlich, dass sich der komplexe Aufbau durch eine Reduzierung des gesamten Prozesses auf einzelne Teilbereiche, in diesem Fall die abschnittsweise Definition der Sättigung, mit den Modellansätzen recht gut beschreiben lässt. So bedingt eine Hydrophobisierung unterschiedliche Strömungswiderstände der flüssigen und gasförmigen Phase, wodurch die Mobilitäten der fluiden Medien gezielt beeinflusst werden können.Item Mikrostrukturelle Orientierungszustände strömender Polymerlösungen und Fasersuspensionen(2007-08-07T13:03:26Z) Heinen, Kerstin; Strauß, K.; Laun, M.In dieser Arbeit wurden Strömungen von Polymerlösungen und Fasersuspensionen mit MikroMakroModellen numerisch berechnet und der Einfluss auf den mikrostrukturellen Orientierungszustand charakterisiert. Für Polymerlösungen kamen Feder-Hantel-Modelle unterschiedlicher Modellierungstiefe zum Einsatz. Ziel eines ersten Teils war die Berechnung viskosimetrischer Strömungen von Polymerlösungen und insbesondere der oszillierenden Scherung mit großer Deformationsamplitude (LAOSStrömung). Für ein offenes FederHantelModell mit nichtlinearem Federkraftgesetz wurde die Fokker-Planck-Gleichung deterministisch mit FinitenDifferenzen numerisch gelöst. Für die Fokker-Planck-Gleichung hat sich der numerische Algorithmus bis zu einer dimensionslosen Schergeschwindigkeitsamplitude (Weissenberg-Zahl) von We=15 als sehr stabil erwiesen. Mit den geschlossenen Modellen FENEL, P und CR wurden drei Ansätze mit geringerer Modellierungstiefe implementiert und in einer Parameterstudie mit dem offenen FENEModell verglichen. Es hat sich gezeigt, dass das geschlossene FENEL Modell in oszillierender Scherung eine gute Näherung an das offene Feder-Hantel-Modell darstellt, wobei die mittlere Federlänge durch das geschlossene Modell allerdings etwas überschätzt wird. In einem zweiten Teil der Arbeit wurden Berechnungsergebnisse geschlossener Mikro-Makro-Modelle erstmals quantitativ mit experimentellen Untersuchungen für eine konzentrierte Glasfasersuspension mit Faser-Faser-Wechselwirkungen in einer makroskopischen Strömung verglichen. Anhand einer Zylinderumströmung wurde das implementierte Modell unter Verwendung des IBOF5-Schließungsansatzes von Chung und Kwon erfolgreich mit experimentellen Literaturergebnissen von Yasuda et al. validiert. Obwohl im Fasermodell empirische Standardparametersätze verwendet wurden, ist die Übereinstimmung zwischen der Strömungsberechnung und den experimentellen Ergebnissen so gut, dass dieses geschlossene Modell als praxistauglich für die makroskopische Strömungsberechnung eingestuft werden kann. Lediglich die Verteilungsbreite der Orientierung wurde im Zylindernachlauf etwas unterschätzt. Ergänzend wurde der hybride Schließungsansatz für die Strömung durch einen 90°Krümmer mit den Ergebnissen des IBOF5 Modells verglichen. Es wurde gezeigt, dass der hybride Schließungsansatz die lokale Breite der Orientierungsverteilung unterschätzt.Item Demineralisierung und Mechanisch Thermische Entwässerung von Braunkohlen und Biobrennstoffen(2006-10-24T11:59:45Z) Wild, Thomas; Strauß, K.; Scheffknecht, G.Item Strömungscharakteristika von hochverdünnten kationischen Tensidlösungen in Strömungsgeometrien mit gekrümmten Stromlinien(2006-06-19T12:48:29Z) Witt, Cornelia; Strauß, K.; Gampert, B.Die Entwicklung der in hochverdünnten kationischen Tensidlösungen zu findenden Scherinduzierten Struktur und ihr Einfluss auf unterschiedliche Strömungsformen werden für die beiden Tenside TTASal (Tetradecyltrimethylammoniumsalicylat) und HTASal (Hexadecyltrimethylammoniumsalicylat) bei Konzentrationen von 1,8 mM bzw. 0,8 mM untersucht und die Ergebnisse denen einer reinen Wasserströmung gegenübergestellt. Als Geometrien werden zwei Anordnungen mit gekrümmten Stromlinien, ein Searle-System und ein gekrümmter Kanal mit großem Höhe zu Breite Verhältnis, betrachtet. Bei der Untersuchung werden die jeweiligen Strömungsmuster durch eine Umgebungslichtvisualisierung ermittelt und die die Strömungsformen charakterisierenden Geschwindigkeitsfelder mit Particle Image Velocimetry (PIV) vermessen. Ferner wird die Gestalt und Entwicklung der Scherinduzierten Struktur mit einer Lichtschnittvisualisierung untersucht. Bei der Gegenüberstellung der Ergebnisse zeigen sich bereits in der Umgebungslichtvisualisierung deutliche Unterschiede, die mittels PIV quantifiziert werden können. So ergeben sich für die TTASal- Lösung, neben einem bei geringen Geschwindigkeiten zu findenden newtonschen Bereich, auch bei einer darauf zu beobachtenden Scherinduzierten Strömungsform im Vergleich zu Wasser noch entfernt ähnliche Geschwindigkeitsprofile, die jedoch zeitabhängig sind und verringerte Bewegungen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung aufweisen. Für das HTASal ist diese Tendenz weiter verstärkt, doch auch das Geschwindigkeitsprofil in Hauptströmungsrichtung ist hier verändert. Im Searle-System werden Geschwindigkeitsbänder, d.h. zusammenhängende Regionen mit jeweils konstanter Geschwindigkeit, gemessen, die sich im Spalt vergleichsweise unabhängig voneinander bewegen. Im gekrümmten Kanal ähnelt das Profil dem einer Kolbenströmung. Ähnliche Unterschiede zeigen sich auch bei der Lichtschnittvisualisierung. Im Searle-System werden für das TTASal fadenartige Strukturen beobachtet. Beim HTASal tritt zunächst eine kammartige Strukturierung auf, die über blasenartige Formen mit der Zeit einer optischen Vergleichmäßigung weicht. Im Kanal sind die mit dieser Methode zu beobachtenden Unterschiede zwischen den Lösungen nicht so groß, allerdings wird für das HTASal eine etwas stärker ausgeprägte Struktur gefunden. Diese Ähnlichkeit ist hier hauptsächlich darin begründet, dass der Kanal ein offenes Strömungssystem ist, während die Couette-Anordnung ein geschlossenes darstellt.