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.

NEWS

29.09.2022 Veröffentlichung in Proceedings of the Combustion Institute

Eine erste LES-Studie zur Kofeuerung von Kohle und Ammoniak wird in dieser Veröffentlichung durchgeführt. Ein neuer Reaktionsmechanismus wird hierfür entwickelt. Simulative Ergebnisse werden mit experimentellen Daten abgeglichen, wobei eine gute Übereinstimmung erreicht wird. LINK

22.09.2022 Team Ausflug

Bei Regenwetter, traf sich die Gruppe zur Kanutour auf der Wupper.

09.09.2022 Veröffentlichung in Flow, Turbulence and Combustion

Eine gemeinsame numerische und experimentelle Untersuchung von zyklischen Schwankungen in fremdgezündeten Motoren wird in dieser Veröffentlichung durchgeführt. Dazu wurde eine gefeuerte Multizyklen LES unter Verwendung von sauberen numerischen Verfahren durchgeführt. Die Beobachtungen aus Rechnung und Experiment decken sich. Link

1.9.2022 The CFD Team

Great teamwork is the only way we create the breakthroughs that define our careers

                                                                                                                                     – Pat Riley

24.08.2022 39th International Symposium on Combustion

Vom 24. bis 29. Juli 2022 hat ein Team den Lehrstuhl Fluiddynamik auf dem diesjährigen 39th International Symposium on Combustion in Vancouver vertreten. Dabei wurden einige interessante Arbeiten vorgestellt sowie neue Kontakte mit passionierten Kollegen geknüpft. Wir sind stolz und dankbar, ein Teil dieses Events gewesen zu sein!

11.05.2022 Veröffentlichung im Journal "Powder Technology"

LES of nanoparticle synthesis in the SpraySyn burner: a comparison against experiments - Die Veröffentlichung von Johannes Sellmann ist jetzt im Journal "Powder Technology" erschienen: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117466

25.4.2022 Veröffentlichung im Journal of Computational Physic

Entwicklung eines innovativen neuen Ansatzes für die Modellierung von Strömungen mit hoher Schmidt- und Prandtl-Zahl. Die Technik kann für die Simulation von Nanopartikelreaktoren oder die Flüssigkeitskühlung von Elektromotoren und Leistungselektronik verwendet werden. Die Arbeit von Michael Leer ist jetzt im Journal of Computational Physic erschienen.

Jounalofcomputaionalphysics

https://authors.elsevier.com/c/1f7PQ508HsZDb

29.03.2022 Veröffentlichung in Computers and Fluids akzeptiert

Etablierte und neuerliche Schließungsansätze für Impuls- und Skalar-Flüsse in LES wurden a-posteriori für ein turbulentes, vorgemischtes Brenner-Experiment verglichen. Die LES des Cambridge Brenners wurden mithilfe von FGM-Tabellen durchgeführt und die Ergebnisse im Hinblick auf den Beitrag des SGS-Modells verglichen. Es zeigt sich, dass die neuerlichen KKK2 und Sensor-verstärkten Smagorinsky Modelle beste Ergebnisse erzielen. Diese Arbeit wurde in Kooperation mit der Universität der Bundeswehr in München durchgeführt.

10.01.2022 Veröffentlichung in Optics Express akzeptiert

In dieser Arbeit wird erstmals die Anwendung einer evolutionären Rekonstruktionstechnik auf die Hintergrund-orientierte Schlieren-Tomographie vorgestellt (https://doi.org/10.1364/OE.450036).

24.11.2021 Veröffentlichung in Combustion and Flame akzeptiert

In dieser Zusammenarbeit mit der Universität Newcastle werden die Ergebnisse der Quasi-DNS einer stratifizierte Flamme vorgestellt.

15.09.2021 Veröffentlichung in Journal of Physical Chemistry akzeptiert

Eine Zusammenarbeit im Rahmen des DFG-FOR2284-Projektes. In dieser Studie werden quantenchemische Berechnungen und isodesmisches Reaktionskonzept für die Bestimmung der temperaturabhängigen Standardbildungsenthalpie, Entropie und Wärmekapazität von Si-C-H-O-Radikalen und -Molekülen vorgestellt, die durch kombinatorische Überlegungen Gruppenadditivitätswerte (GAVs) bestimmt wurden. Zum ersten Mal werden die Unsicherheiten der Gruppenwerte berechnet.

27.07.2021 Veröffentlichung in Combustion Theory and Modelling akzeptiert

​In dieser Zusammenarbeit mit der Universität Newcastle wird die Gültigkeit der bekannten Flammeneffizienzfunktionsmodelle für stratifizierte Flammen getestet.

11.06.2021 Veröffentlichung in Flow Turbulence and Combustion akzeptiert

In einer Zusammenarbeit mit der Stanford University wurde die Eignung der klassischen Informationsentropie zur Einschätzung der Güte von LES Rechnungen untersucht. Kanonische Fälle der Fluiddynamik und Chaos-Theorie wurden dazu analysiert und ein Zusammenhang zwischen der Qualität von Simulationen und der Entropie konnten beobachtet werden. Dafür wurden gut und schlecht aufgelöste Simulationen durchgeführt und mit DNS Daten verglichen. Während einige etablierte Qualitätsmaße bei der korrekten Einschätzung der Ergebnisse scheiterten, ist die Entropie in der Lage, gut und schlecht aufgelöste Rechnungen zu unterscheiden. Link

26.02.2021 Veröffentlichung in Energy & Fuels akzeptiert

Eine wasserstoffpilotierte Kohlestaubflamme wird unter Verwendung eines Flamelet/Progress Variable-Ansatzes mittels massiv paralleler LES untersucht. Eine Methode wird vorgestellt, die die Auswirkung der Messsonde auf die Skalarfeldmessungen berücksichtigt und die Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation signifikant verbessert. Diese Arbeit ist eine Kollaboration mit der TU Darmstadt und der Universität Stuttgart. Link

15.02.2021 Veröffentlichung in Energy & Fuels akzeptiert

Eine Zusammenarbeit im Rahmen des DFG-FOR2284-Projektes. Die thermische Zersetzung von Ethylsilan (H3SiC2H5, EtSiH3) wird hinter reflektierten Stoßwellen untersucht und die Gaszusammensetzung analysiert. Ein kinetischer Mechanismus, der die Gasphasenchemie von EtSiH3 berücksichtigt, wird entwickelt. Er besteht aus 24 Si-haltigen Spezies, 31 Reaktionen von Si-haltigen Spezies und einem Satz neuer thermochemischer Daten. Die experimentellen Daten werden durch Simulationen, die auf dem Mechanismus dieser Arbeit basieren, sehr gut reproduziert und stehen in sehr guter Übereinstimmung mit Literaturwerten. Es wird gezeigt, dass EtSiH3 ein vielversprechender Vorläufer für die Synthese von SiC-Nanopartikeln ist. Link

18.01.2021 Veröffentlichung in Energy & Fuels akzeptiert

Ein umfassendes Euler-Lagrange-Grundgerüst für die Kohlenstaubverbrennung mit detaillierter mehrstufiger heterogener Kinetik wird vorgestellt. 3D-Trägerphasen-DNS wurden für eine turbulente Mischungsschicht durchgeführt. Die Daten werden mit einfachen Pyrolysemodellen verglichen. Ein neuer Ansatz für ein Entgasungsmodell, das geeignet ist, bimodale flüchtige Freisetzungsraten anzufitten, wird vorgeschlagen. Diese Arbeit ist eine Zusammenarbeit zwischen der Universität Stuttgart, der TU Darmstadt und der Universität Duisburg-Essen. Link

06.01.2021 Veröffentlichung in Computer and Fluids akzeptiert

Das Verhalten beschränkter passiver Skalare bei verschiedenen Feinstruktur-Modellen in a-posteriori LES wird in einer gemeinsamen Studie mit der Universität der Bundeswehr in München untersucht. Für einen turbulenten Freistrahl wurden DNS und LES Rechnungen mit bekannten und neuen Feinstruktur-Modellen durchgeführt. Der Einfluss von Kombination verschiedener Modelle sowie der Diskretisierung der Feinstruktur-Terme auf die Beschränktheit transportierter Skalare wird analysiert.

22.12.2020 Veröffentlichung in Optics Express

Eine neuartige Anwendung der tomographischen Bildgebung mit Multisimultanmessungen (TIMes) zur Rekonstruktion von Flammenemissionen. Link