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
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
08.12.2020
|
Am 29. November 2020 verstarb unser
Prof. Dr.-Ing. Dieter Hänel Dieter Hänel war von 1991 bis 2008 Professor an der Universität Duisburg-Essen. Sein wissenschaftliches Wirken widmete sich der numerischen Strömungsmechanik. Seine Ideen befruchteten die Entwicklung von Lösungsverfahren für kompressible Strömungen maßgeblich. Noch größer war sein Einfluss auf die Entwicklung der Lattice-Boltzmann-Verfahren, die er bis zu seinem Ruhestand aktiv entwickelte. Seinem Steckenpferd, der kinetischen Gastheorie, widmete er das Lehrbuch „Molekulare Gasdynamik“, das bis heute das einzige deutschsprachige Werk zu diesem Thema im Handel ist. Sein Wirken als Hochschullehrer und Doktorvater, seine Art Neugier zu wecken und dann in Freiheit gedeihen zu lassen, hat zahlreiche Studierende für die Wissenschaft inspiriert. Wir werden Dieter Hänel in dankbarer Erinnerung behalten. |
28.09.2020 Veröffentlichung in Fuel akzeptiert
Eine Pseudo-DNS eines selbstzündenden gepulsten Strahlstroms wird vorgestellt. Für die Simulation wurde die HPC Hazel Hen in Stuttgart verwendet, wo die Rechenkosten 40 Millionen CPUh betragen.
17.07.2020 Veröffentlichung in Proceedings of the Combustion Institute akzeptiert
Eine kollaborative Arbeit mit der Stanford Universität wurde in der Fachzeitschrift Proceedings of the Combustion Institute angenommen. In dieser Studie werden quantenchemische Berechnungen und isodesmische Reaktionskonzepte für die Bestimmung der temperaturabhängigen Standardbildungsenthalpie, Entropie und Wärmekapazität von Si-C-H-Radikalen und -Molekülen vorgestellt, aus denen durch kombinatorische Überlegungen Gruppenadditivitätswerte (GAVs) bestimmt wurden.
17.07.2020 Veröffentlichung in Proceedings of the Combustion Institute akzeptiert
Eine kollaborative Arbeit bestehend aus Simulation und Experiment wurde zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Proceedings of the Combustion Institute akzeptiert. In dieser Studie wird ein chemischer Reaktionsmechanismus für die Oxidation von Tetramethylsilan (TMS) in einer Reihe von H2 /O2 /Ar-Niederdruckflammen (p=30 mbar) von brennstoffarmen bis leicht brennstoffreichen Flammenbedingungen untersucht (φ=0,8, 1,0 und 1,2). Die experimentellen Daten werden mit Simulationen unter Verwendung eines kürzlich veröffentlichten Reaktionsmechanismus verglichen.
09.06.2020 Veröffentlichung in Proceedings of the Combustion Institute akzeptiert
Es wird eine effiziente Methode vorgestellt, mit der die zu groß vorhergesagten Spezies in Modellen mit verdickter Flamme korrigiert werden können. Diese Arbeit ist eine Kollaboration zwischen der Universität Duisburg-Essen und der Université Paris-Saclay.
08.06.2020 Veröffentlichung in Combustion Science and Technology akzeptiert
In dieser Arbeit wird eine magere vorgemischte Strahlflamme unter Hochdruckbedingungen mittels Grobstruktursimulationen untersucht. Simulationen mit verschiedenen Verbrennungsmodellen werden mit den experiementellen Daten verglichen und die Schadstoffbildung von Kohlenmonoxid und Stickoxiden, sowie die Stabilisierung der Flamme wird analysiert.
