Maschinenbau & Verfahrenstechnik

Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in einer Gasturbine bildet auf absehbare Zeit die Grundlage für den Antrieb von Flugzeugen. Um den Umwelteinfluss dieser Technologie zu minimieren, sind neuartige Brennverfahren zu entwickeln und Verlustprozesse innerhalb der Gasturbinenbrennkammer zu optimieren. Aktuelle Forschungsbereiche betreffen die mager vorgemischte Verbrennung sowie die Optimierung des Kühlluftbedarfs der effusionsgekühlten Brennkammerwand. Das Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines Gasturbinenbrennkammerprüfstands mit realitätsnahen strömungsmechanischen und thermodynamischen Randbedingungen zur laseroptischen Untersuchung der Kopplung zwischen diesen gekoppelten Forschungsschwerpunkten. Diese wird als Flamme-Kühlluft-Interaktion...

In vielen technischen Anwendungen wie Verbrennungsmotoren oder Gasturbinenbrennkammern findet eine Interaktion zwischen Flamme und Brennraumwänden statt. In diesen Bereichen kann es durch einen starken Enthalpieentzug in der Flamme zu einer unvollständigen Verbrennung mit einer erhöhten Schadstoffbildung und verringerter Effizienz kommen. Ein vollständiges Verständnis der dabei ablaufenden Flamme-Wand-Interaktion (FWI) ist bis heute nicht gegeben und somit Gegenstand der aktuellen Forschung. Im Rahmen dieser Arbeit werden deshalb die der FWI zugrunde liegenden Prozesse untersucht. Dabei kommen zwei generische Brenneraufbauten mit definierten und...

Gegenstand der Arbeit ist die detaillierte statistische Analyse von stratifizierten und gescherten Flammen. Hierzu wird ein generischer vorgemischter, pilotierter Brenner verwendet, der durch zwei voneinander unabhängige Ringspalte eine Stratifizierung und Scherung der austretenden Brennstoff-Oxidator-Mischungen ermöglicht. Damit die auftretenden Prozesse unbeeinflusst bleiben, werden laserbasierte Methoden zur Untersuchung dieser eingesetzt. Die detaillierte Charakterisierung des Brenners wird zum einen mittels Thermographischer Phosphore durchgeführt, um die Wandtemperaturen zu eruieren. Zur simultanen Bestimmung von Konzentrationen und Temperatur wird die kombinierte Raman-/Rayleigh-Spektroskopie verwendet. Neben der Bestimmung...

Die Selbstzündung von Kohlenwasserstoffen in turbulenten Strömungsumgebungen spielt in vielen technischen Verbrennungssystemen eine Schlüsselrolle. So wird die Zündung in Diesel- oder HCCI-Motoren durch diese komplexen Prozesse gezielt eingeleitet und dient so millionenfach der individuellen Fortbewegung. Allerdings besitzen Selbstzündungsvorgänge auch als ungewollte Phänomene z. B. als Klopfen in Ottomotoren eine hohe Relevanz. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Selbstzündung von Kohlenwasserstoffen in turbulenten Strömungen mit dem Ziel diese raumzeitlich hochdynamischen Prozesse zu beschreiben und so ein tiefgreifendes Verständnis...

Das Automobil mit Verbrennungsmotor bildet einen grundlegenden Bestandteil unseres Verkehrswesens und wird diese Bedeutung auch in den nächsten Jahren behalten. Daher stellt die Entwicklung noch effizienterer Motoren ein wichtiges Forschungsfeld dar. Im Bereich der Ottomotoren bietet die Ladungsschichtung mittels Mehrfach-Einspritzung dafür besonderes Potential. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der innermotorischen Prozesse mit dem Fokus auf der Identifikation möglicher Ursachen von Zyklus-zu-Zyklus Schwankungen. Dazu werden die Strömung, das Eindringen des Einspritzstrahls und das Flammeneigenleuchten in einem optisch zugänglichen Ottomotor...

Dynamische Märkte und sich verändernde Rahmenbedingungen des Umfeldes (z.B. verkürzte Innovations- und Produktlebenszyklen), dessen immer schnellerer Wandel als große Herausforderung der Logistik und somit der Distribution und deren Planung angesehen wird, bedürfen einer schnellen Anpassung der Verteilung von Ware innerhalb einer gegebenen Distributionsstruktur. Den Kern dieser Arbeit stellt ein Planungskonzept zur wandlungsfähigen Verteilung von Ware in Distributionssystemen des Großhandels dar, das unter Beachtung der sich ständig verändernden Einflussgrößen eine Steuerung und Kontrolle der dezentralen Bestandsplanung eines in Profit-Center-Organisationsform geführten Distributionssystems...

Brennstoffzellen sind ein Versprechen für die Zukunft dank moderner Technik und noch großem Verbesserungspotential. An dieser Stelle setzt diese Arbeit ein und entwickelt eine neue Klasse von Materialien in Hinblick auf ihren Einsatz in Brennstoffzellen. Der resultierende Verbundwerkstoff liegt in Form einer dünnen und flexiblen Membrane vor und wird hinsichtlich seines Aufbaus beschrieben. Die Beschreibung erklärt die stofflichen Eigenschaften und findet darin die optimalen Parameter für den Einsatz der Membranen als Elektrolyt in einer Brennstoffzelle. Besonderer Augenmerk liegt in der...

In technischen Verbrennungsprozessen spielt die Interaktion der Flamme mit dem turbulenten Strömungsfeld eine entscheidende Rolle für Stabilität, Sicherheit und Effizienz der Energiewandlung. Turbulente Verbrennung ist ein dreidimensionales Multiskalenphänomen. Im Betrieb technischer Brenner können zusätzlich transiente Verbrennungszustände wie Funken- und Selbstzündung, Flammenverlöschen und Flammenrückschlag auftreten. Zum Untersuchen dieser Phänomene werden in dieser Arbeit bildgebende laseroptische Messmethoden entwickelt und simultan auf die Vermessung transienter Flammen in turbulenter Umgebung angewendet. Die Arbeit beinhaltet grundlegende Weiterentwicklungen bildgebender Hochgeschwindigkeitsmesstechnik im Bezug auf quantitatives Imaging von...

Die Energiewandlung in Verbrennungsmotoren spielt eine bedeutende Rolle sowohl für den Warenfluss wie auch für den individuellen Transport. Unter dem Gesichtspunkt der Rohstoffverknappung und dem stetigen Bevölkerungswachstum ist ein detailliertes Verständnis der physikalischen Zusammenhänge notwendig, um diesen Wandlungsprozess mit optimalem Wirkungsgrad und somit effizienter Ressourcennutzung durchführen zu können. Ziel dieser Arbeit ist ein tieferes Verständnis der innermotorischen Prozesse sowie der Interaktion zwischen ausgewählten Teilaspekten zu erhalten. Hierzu erfolgen laserbasierte Messungen von systembeschreibenden Größen in einem optisch zugänglichen Verbrennungsmotor. Die vorliegende...

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur numerischen Simulation der Benzinselbstzündung. Neben der Berechnung nicht reagierender Strömungen mit bewegten und unbewegten Rechengittern wird eine pilotierte Methan-Luft-Strahlflamme simuliert. Darüber hinaus gibt die Arbeit einen Ausblick auf die Behandlung eines seriennahen Einzylinder-4-Takt-Ottomotors mit Direkteinspritzung im Betrieb mit Selbstzündung. Das entwickelte numerische Verfahren basiert auf einer zeitaufgelösten, dreidimensionalen Beschreibung der Gas- und der dispersen Phase mittels des ALE-Schemas im Kontext der Grobstruktursimulation. Der vorhandene Lösungsalgorithmus Kiva wurde zusätzlich zur Grobstruktursimulation...

Motoren, Flugtriebwerke oder Gasturbinen sind nur einige Beispiele für technische Verbrennungssysteme. Die im Brennstoff chemisch gebundene Energie wird dabei unter Zuhilfenahme eines Verbrennungsprozesses in andere Energieformen überführt. Die Beherrschung der Verbrennung ist von entscheidender Bedeutung, um effiziente und schadstoffarme Systeme zu entwickeln. Die Computersimulation leistet dabei schon heute als Vorhersagewerkzeug einen großen Beitrag, der in Zukunft weiter wachsen wird. Entscheidend ist die simultane Weiterentwicklung von Turbulenz- und Verbrennungsmodellen, um die Ergebnisgüte der Simulationen weiter zu verbessern. In der vorliegenden Arbeit...

Die Interaktion von Flammen und Brennraumwänden kommt in nahezu allen gängigen technischen Verbrennungssystemen vor. Durch unvollständige Verbrennung kommt es dabei zu einer erhöhten Schadstoffbildung im wandnahen Bereich. Aktuelle Entwicklungen zur Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren und Flugtriebwerken beruhen häufig auf der Verkleinerung von Brennräumen bei gleichbleibender oder gesteigerter Leistung. Die kompakteren Brennräume erhöhen das Oberflächen- zu Volumenverhältnis, so dass der Flamme-Wand-Interaktion bei zukünftigen Entwicklungen von Verbrennungssystemen eine größere Bedeutung zukommt. Aufgrund der auftretenden kleinen Raum- und Zeitskalen, bei denen die Flamme-Wand-Interaktion abläuft,...