Lehrstuhl für Fluiddynamik

Das Team um Prof. Dr.-Ing. Andreas Kempf entwickelt und testet Methoden zur Simulation und Optimierung reaktiver Strömungen und Flammen in Anlagen wie Gasturbinen-Brennkammern, Nanopartikel-Synthesereaktoren, Kolbenmotoren oder Biomasse- und Kohlestaubfeuerungen. Unsere Methoden ermöglichen die Verkürzung von Entwicklungszeiten, um Kosten weiter zu senken. Letztlich ermöglichen es unsere Forschungsergebnisse, kosteneffiziente, flexible und sichere Anlagen zu entwickeln, die deutlich weniger Schadstoffe ausstoßen als ihre Vorgänger.

Die komplexen Vorgänge in Synthese- und Verbrennungsanlagen erfordern eine detaillierte numerische Beschreibung der Reaktions- und Transportprozesse. Deren Simulation verschafft Einblick in messtechnisch unzugängliche Bereiche, ermöglicht die Untersuchung und das Verständnis der isolierten Teilprozesse und ihrer Interaktionen, und schlägt eine Brücke zwischen Labor- und Industriemaßstab. Dazu entwickeln und implementieren wir numerische Modelle und Methoden, die zur Beschreibung und Simulation der turbulenten Verbrennung von Mehrphasenströmungen sowie der Reaktionskinetik notwendig sind.

Finanziert werden unsere Arbeiten durch das Land Nordrhein-Westfalen, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), die Allianz Industrieforschung (AiF), durch nationale und internationale Höchstleistungsrechenzentren sowie durch zahlreiche Unternehmen aus den Bereichen Installations-, Kraftwerks- und Anlagenbau.

An der Universität Duisburg-Essen ist unsere Gruppe eng mit den anderen Gruppen des CeNIDE (Center for Nano-Integration Duisburg-Essen), CER.UDE (Center for Energy Research) und CCSS (Center for Computational Sciences and Simulation) verzahnt. Als Mitglied des IVG stellen wir detaillierte Simulationsergebnisse bereit und nutzen für uns essentielle Daten aus den Experimenten der anderen Gruppen.

Das Studium am Lehrstuhl vermittelt Kompetenzen auf den Gebieten der Strömungssimulation, der Beschreibung reagierender Strömungen und der Turbulenzmodellierung.

06.09.2019 Publikation in Chemical Engineering Science akzeptiert

Eine kollaborative Arbeit bestehend aus Simulation, Experiment und theoretischer quantenchemischer Berechnung führte zu einer Veröffentlichung, die in der Fachzeitschrift Chemical Engineering Science akzeptiert wurde. In dieser Studie wird ein chemischer Reaktionsmechanismus für die Oxidation von Tetramethylsilan (TMS) als Präkursor in einer mageren Niederdruckflamme (p ≈ 30 mbar) H2/O2/Ar unter Verwendung von Spezies-Molenbrüchen entwickelt, die aus Molekularstrahl-Massenspektrometrie (MBMS)-Messungen in einer matrixgestützten flachen Flamme erhalten wurden, die mit 600 ppm TMS als Ausgangspunkt dotiert ist.

Chem. Eng. Sci. 115209 (2019)

 

 

23.08.2019 Neue Publikation zum SpraySyn Burner

Durch Zusammenarbeit mehrerer IVG Mitglieder mündete in einem gemeinsamen Paper, das in dem Review of Scientific Instruments Journal veröffentlicht wurde. Der SpraySyn Brenner, der Gegenstand des Schwerpunktprogramms SPP1980 ist, wird vorgestellt. Der Brenner ist ein pilotierter Spraybrenner, der zur Synthese von Nanopartikeln benutzt wird. Der Flammencharakterisierung dienende experimentelle und numerische Ergebnisse werden präsentiert.

Rev. Sci. Instrum 90, 085108 (2019)

23.08.2019 Jürgen-Warnatz-Preis 2019

Unser ehemaliger Doktorand und Postdoc, Dr. Martin Rieth, erhält von der Deutschen Sektion des Combustion Institutes den Jürgen-Warnatz-Preis 2019 für herausragende Leistungen auf dem Gebiet der Verbrennungsforschung. Wir sind sehr stolz auf diese Leistung - herzlichen Glückwunsch, Martin!

14.08.2019 Strömungslehre 2 Klausur - Raumaufteilung

Unter dem Reiter Lehre finden Sie nun die gültige Teilnehmerliste mit Raumaufteilung für die Klausur „Strömungslehre 1“ am 20.08.2019.

11.04.2019 Veröffentlichung in Fuel akzeptiert

Eine transiente selbstzündende Jet-Flamme mit einer Domänenlänge von über 40 Düsendurchmessern wird mit Hilfe komplexer Verbrennungsmodelle simuliert.

20.11.2018 Veröffentlichung in Flow, Turbulence and Combustion akzeptiert

Ein einheitlicher Gaußscher Filter wurde explizit auf die LES-Erhaltungsgleichungen angewendet, um eine pilotierte, nicht vorgemischte Methan-Luft-Flamme (Sandia Flame D) zu simulieren. Insgesamt wurden konsistente Ergebnisse zu einem moderaten Preis mit impliziter oder expliziter Filterung erzielt.

07.10.2018 Veröffentlichung in Shock Waves erschienen

In dieser Arbeit wurde der Einfluss nicht-idealer Effekte auf den Zündzeitpunkt und den Zündmechanismus einer stöchiometrischen H2/O2 Mischung in einem Stoßwellenrohr untersucht. Es wurde ein zeitlich variierender Zustand hinter dem reflektierten Stoß beobachtet, der zu einer verfühten Zündung im untersuchten Fall führte. Shock Waves (2018) 1-11

17.09.2018 Veröffentlichung in Physics of Fluids erschienen

Die physikalischen Mechanismen, die für die Flammenkrümmungsentwicklung einer mit Methan-Luft vorgemischten Flamme verantwortlich sind, die an einem Bluff-Body-Brenner stabilisiert wird, wurden untersucht. Die Beiträge zur mittleren Krümmungserzeugung aufgrund der Fluidströmungsbewegung und zu einer Kombination von durch Strömung und Flammenausbreitung induzierten Dehnungsraten wurden im Detail analysiert, und es wurden dominierende Beiträge in verschiedenen Zonen der Flamme identifiziert. Phys. Fluids 30:9 (2018) 095101

10.09.2018 Veröffentlichung in Combustion and Flame akzeptiert

In dieser Arbeit wird ein hybrides Verfahren vorgestellt, welches die Methode der transportierten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion mit der Methode der angenommenen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion auf effiziente Weise kombiniert. Dabei wird die deutlich detailliertere und genauere transportierte Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion nur dort eingesetzt wo sie tatsächlich benötigt wird, so dass die Simulation mit kürzerer Rechenzeit auskommt ohne an Genauigkeit einzubüßen. In der Arbeit wird das Verfahren an einer pilotierten partiell vorgemischten Flamme getestet und dessen Leistungsfähigkeit demonstriert.

24.07.2018: Veröffentlichung in Proceedings of The Combustion Institute erschienen: In der vorliegenden Arbeit vergleichen wir experimentell erhaltene Temperatur- und halbquantifizierte SiO-Konzentrationsprofile in magerer (φ <0.6), mit Inertgas verdünnten H2 / O2 / Ar-Brenner-stabilisierten flachen Flammen, die mit 200-4000 ppm Hexamethyldisiloxan (HMDSO) oder Tetramethylsilan (TMS) dotiert sind mit Ergebnissen aus neu entwickelten kinetischen Modellen. Die Modellierung der initialen Clusterbildung ist in dieser Studie wichtig, um die beobachtete "Doppelpeak"-Struktur der SiO-Konzentrationsprofile zu entschlüsseln, die vermutlich von resublimiertem SiO aus frühgebildeten SiO2-Nanopartikeln im aufsteigenden Temperaturgradienten während der anfänglichen Partikelkeimbildung stammen und die möglicherweise durch die Verfügbarkeit von Sauerstoff in den Vorläuferspezies verändert werden kann.

16.07.2018: Veröffentlichung in Proceedings of The Combustion Institute akzeptiert: In dieser Arbeit werden die skalaren und enstrophischen Grenzflächen in einer turbulenten vorgemischten Flamme, die hinter einem bluff-body stabilisiert ist, untersucht und die Flammenverdrängungsgeschwindigkeit und die lokale Mitreißgeschwindigkeit verglichen. Die vorliegende Untersuchung beleuchtet die Art der Flammenstabilisierung.

02.07.2018: Veröffentlichung in Chemical Engineering Transactions erschienen: Diese Veröffentlichung vergleicht die Zündung und Verbrennung von Biomasse mit der Verbrennung von Kohle in einem kompakten und gut definierten dreidimensionalen Rechengebiet mittels direkter numerischer Simulation. Die Betriebsbedingungen für Kohle und Biomasse werden so gewählt, dass sie eine genaue Untersuchung der Unterschiede bei der volatilen Zündung zwischen Kohle und Biomasse ermöglichen, was die zukünftige Verbesserung von Verbrennungsmodellen für Biomasse- oder Co-firing-Verbrennungssysteme unterstützen wird.Chem Eng Trans. 65 (2018) 37-42

20.06.2018: Veröffentlichung in Combustion and Flame akzeptiert: Hintergrund-orientierte Schlieren (BOS) Bildgebung wurde mit Computertomographie kombiniert, um das Brechungsindexfeld innerhalb einer Flamme direkt in 3D zu rekonstruieren. Die Technik wurde zuerst auf ein hoch turbulentes Wirbelflammenphantom angewendet (genau bekanntes Feld, das durch Large-Eddy-Simulation erzeugt wurde), um eine umfangreiche Parameterstudie durchzuführen. Eine instationäre Bunsenflamme wurde experimentell untersucht und das Brechungsindexfeld für die instationäre und zeitlich gemittelten BOS-Messungen wurde rekonstruiert. Die Ergebnisse wurden mit der Computertomographie von Chemilumineszenz (CTC) Rekonstruktionen der Flammenform verglichen, die auf Flammenchemilumineszenzbildern und Bunsenflammensimulationen basierten.

15.06.2018: Publikation in Fuel erschienen: Diese Forschung zielt darauf ab, neues Wissen zu erlangen, um die moderate und intensive Verbrennung mit geringer Sauerstoffverdünnung (MILD) unter Verwendung der chemischen Explosionsmodusanalyse (CEMA) zu verstehen. Diese Studie verwendet High-Fidelity-Large-Eddy-Simulationen eines Jet-in-Hot-Coflow-Brenners im MILD-Verbrennungsmodus bei verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen im heißen Co-Flow mit detaillierter Chemie zur Lösung wichtiger Details der Brennstoffoxidationsreaktionen. Fuel 232

05.06.2018: Veröffentlichung in International Journal of Chemical Kinetics akzeptiert: Basierend auf den quantenchemischen Rechnungen für die thermodynamischen Daten von 22 stabilen siliciumorganischen Spezies wurde ein vollständiger Satz von 24 Si- und C-Atom-zentrierten, einfach gebundenen und nichtradikalen Gruppenadditivitätswerten (GAV) für die Enthalpie von Bildung, Standardentropie und Wärmekapazität bei Temperaturen von 200 bis 4000 K wird durch ungewichtete multivariate lineare Regression abgeleitet.

30.05.2018: Veröffentlichung in  Proceedings of The Combustion Institute akzeptiert: In dieser Arbeit wird eine a priori und a posteriori Analyse eines stetigen flamelet / progress Variable (FPV) Ansatzes für Kohlenstaubflammen unter Verwendung von direkten numerischen Simulationsdaten durchgeführt. Die Ergebnisse bestätigen den FPV-Ansatz in einer komplexen Konfiguration und können helfen, die Verbrennungsmodellierung für Kohlenstauböfen zu verbessern.

24.05.2018: Rechenzeit auf Cray XC40 (HLRS) erhalten: Das HLRS gewährt uns 48 Millionen Core-Stunden zur Durchführung von massiv parallelen DNS Simulationen von pulsierten turbulenten Flammen auf dem Hochleistungsrechner Cray XC40. Das Projekt GCS-JFLA wird durch Eray Inanc und Prof. Dr.-Ing. Andreas Kempf koordiniert.

15.05.2018: Veröffentlichung in Physics of Fluids akzeptiert und als „Editor’s Pick“ ausgezeichnet: Die statistischen Daten des reaktiven skalaren Gradienten und der zugehörigen Streckungsraten wurden in einer bluff body Konfiguration mit vorgemischter Flamme unter Verwendung einer High-Fidelity-Simulationsdatenbank untersucht. Die Ergebnisse dieser Analyse sind von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung genauer Verbrennungsmodelle.

04.05.2018: "Publikation" im Panini Sammelheft erschienen: Das Foto der Laborarbeit unserer ehemaligen Mitarbeiterin Dr. Weise wurde als zweiteiliger Aufkleber veröffentlicht: C. Weise, Schwarzes Gold, Panini, Bild 111-112, 2018 (Impact Factor = 0).

16.03.2018: Publikation in Flow, Turbulence and Combustion erschienen: In dieser Untersuchung werden physikalische Einblicke der skalaren Mischung durch die zeitliche Ausbreitung einer iso-Fläche gewonnen. Eine gründliche kinematische Analyse der 'non-material' Linien, Flächen und Volumen Elemente, bezogen auf die sich ausbreitende iso-skalare Fläche, wird vorgestellt und ist für Strömungen mit konstanter und variabler Dichte gültig.Flow, Turbulence and Combustion, 1-32

08.02.2018: Martin Rieth hat erfolgreich promoviert: Martin hat seine Arbeit "Large Eddy and Direct Numerical Simulation of Single and Multiphase Flows Relying on Lagrangian Particle Methods" erfolgreich verteidigt. Herzlichen Glückwunsch!

29.11.2017: Publikation in Fuel erschienen: Das nicht-vorgemischte stationäre Flameletmodell wird mit zwei robusten und effektiven Wärmeverlustmodellen erweitert. Das Wärmefreisetzungs-Dämpfung-Modell (engl. Heat Release Damping Model) verringert den chemischen Quellterm in der Energiegleichung durch einen konstanten Faktor, während das künstliche Strahlungsmodell (engl. Artificial Radiation Model) temperaturabhängige, skalierte Strahlung in das Flameletmodell integriert. Die Modelle werden anhand einer Simulation der nicht-vorgemischten Oxy-Fuel-Flamme im Pilotenmaßstab (0,78 MW) getestet (IFRF, OXYFLAM-Projekt). Dank der erweiterten Modellierung des Wärmeverlustes zeigt das entwickelte Modell eine signifikante Verbesserung aller Größen im Vergleich zum klassischen adiabaten Flameletmodell.Fuel 216 (2018)

26.10.2017: Publikation in Combustion Science and Technology erschienen: Der Einfluss der globalen Lewis-Zahl, Le, wird auf das statistische Verhalten der "effektiven" normalen und tangentialen Verformungsraten (engl. strain rates) mittels dredimensionalen DNS Daten von sich frei bewegenden statistisch ebenen turbulenten Vormischflammen mit Le = 0.34, 0.60, 0.80, 1.00 und 1.20 untersucht. Es wird gezeigt, dass turbulente Flammen mit kleinen Lewis-Zahlen dünnere Flammen mit größeren Oberflächen aufweisen. Diese Tendenz verstärkt sich mit abnehmender Lewis-Zahl.Combustion Science and Technology (2017)

Januar 2018: Wir trauern um Olaf Hasemann, der am 23. Dezember nach schwerer Krankheit verstorben ist.

Veranstaltungskalender IVG

Kalender

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Visualisierung von instantanen Ergebnissesn der 1.6 Milliarden Zellen DNS des Cambridge Brenners. Links: Iso-q-Kriterium eingefärbt mit der axialen Geschwindigkeitskomponente. Rechts: Konturen des reziproken Verbrennungsluftverhältnisses, überlagert ist die Isofläche für einen Wert der dimensionslosen Fortschritts-Variable von C=0.5.