Der Fokus unserer Forschungsarbeiten liegt in der numerischen Simulation von reaktiven Strömungen. Dafür werden numerische Modelle und Methoden entwickelt, die zur Beschreibung und Simulation der turbulenten Verbrennung von Mehrphasenströmungen, Reaktionskinetik und Reaktionsmechanismen, von Verbrennungsmotoren und der Nanopartikelsynthese notwendig sind. Weitere Informationen sind auf den spezifischen Forschungsseiten zu finden.

 

Turbulente Verbrennung
Die Forschung auf dem Feld turbulenter Verbrennung dient der Entwicklung von Methoden und Modellen, die zu einem besseren Verständnis der komplexen Prozesse in Verbrennung und der Interaktion von Strömung und Verbrennung, beitragen.

Mehrphasenströmungen
Multiphasenströmungen, bestehend aus einer kontinuierlichen und einer dispersen Phase, z.B. Gasphase-Flüssigphase (Spray-Verbrennung) oder Gasphase-Festkörper (Kohleverbrennung, Nanopartikelsynthese), werden am Lehrstuhl für Fluiddynamik mittels Euler-Lagrange oder Euler-Euler Methoden beschrieben. Dabei werden Modelle entwickelt, die die Interaktion der Phasen untereinander sowie das Verhalten der einzelnen Phasen beschreiben.

Reaktionskinetik und Reaktionsmechanismen
Zur genauen Beschreibung der chemischen und physikalischen Vorgänge in Flammen und Synthesereaktoren ist eine Modellierung der detaillierten Reaktionskinetik unerlässlich. Ein Reaktionsmechanismus ist die Abfolge von Elementarreaktionen, die auf einem molekularen Niveau vorkommen und den gesamten chemischen Prozess beschreiben. Wegen der enormen rechnerischen Kosten ist eine direkte Verwendung dieser komplexen Reaktionsmechanismen bei der Simulation reaktiver Strömungen nicht möglich. Die Reduktion dieser Mechanismen ist daher ein Schwerpunkt unserer Forschungsinteressen.

Verbrennungsmotoren
Zur Entwicklung effizienter und schadstoffarmer Verbrennungsmotoren ist eine detaillierte Beschreibung und ein tiefes Verständnis von innermotorischen Strömungs- und Reaktionsprozessen von entscheidender Bedeutung. Finite Volumen Methoden auf der Basis quell-offener Programme werden zur Simulation dieser Prozesse eingesetzt. Außerdem werden Modelle entwickelt die der genauen Beschreibung der innermotorischen Prozesse dienen.

Nanopartikelsynthese
Nanopartikel bilden die Grundlage vieler neuartiger Materialien. Am IVG werden Methoden entwickelt solche Partikel durch Gasphasen-Prozesse in Strömungsreaktoren herzustellen. Die Modellierung und Simulation der partikelbeladenen, chemisch reagierenden Strömung ist zum Verständnis der Prozesse, zum Entwurf von Reaktoren und zur Lösung von Skalierungsproblemen unerlässlich. Diese Modelle und Methoden werden am Lehrstuhl für Fluiddynamik entwickelt.

Entwicklung von Verfahren zur modularen Energierückgewinnung aus metallurgischen Prozessen (E-Rück), EN/3018

Durch die Energiewende und die daraus resultierenden Impulse neue Quellen zur Stromerzeugung zu erschließen gewinnt die Nutzung von Abfallwärme zunehmend an Bedeutung. Prozesse der Stahlerzeugung und -umformung sind bereits bei 700-1000°C abgeschlossen, wie in Abbildung 1 exemplarisch dargestellt. Die Restwärme der Produkte wird ungenutzt in die Umwelt entlassen und ist somit eine brachliegende Ressource mit einem hohen exergetischen Potential. Schon eine teilweise Umwandlung in elektrische Energie führte zu einer erheblichen Vermeidung äquivalenter Stromerzeugung aus primären Energieträgern. Das ökonomische Potenzial lässt daher einen großen Markt für entsprechende Strahlungswärmewandler erwarten.

Ausgewählte Publikationen

Cavallo-Marincola, F., Ma, T., Kempf, A.M., Large Eddy Simulations of the Darmstadt Turbulent Stratified Flame Series, Proc. Combust. Inst. 34 (2013) 1307-1315.

Franchetti, B.M., Cavallo Marincola, F., Navarro-Martinez, S, Kempf, A.M, Large Eddy Simulation of a Pulverised Coal Jet Flame, Proc. Combust. Inst. 34 (2013) 2419-2426.

Pettit, M., Coriton, B., Gomez, A., Kempf, A.M., Large-Eddy Simulation and Experiments on Non-Premixed Highly Turbulent ‘Opposed Jet’ Flows, Proc. Combust. Inst., 33 (2011) 1391-1399.

Franchetti, B.M., Cavallo Marincola, F., Navarro-Martinez, S, Kempf, A.M, Large Eddy Simulation of a Pulverised Coal Jet Flame, Proc. Combust. Inst. 34 (2013) 2419-2426.

Stein, O.T., Olenik, G., Kronenburg, A., Cavallo-Marincola, F., Franchetti, B.M., Kempf, A.M., Ghiani, M., Vascellari, M., Hasse, C., Towards comprehensive coal combustion modelling for LES (2012), in: Flow, Turbulence and Combustion.

Wlokas, I., Faccinetto, A., Tribalet, B., Schulz, C., Kempf, A.M., Mechanism of iron oxide formation from iron pentacarbonyl doped hydrogen/oxygen flames, Accepted by Int J Chemical Kinetics (2013).

Rabhiou, A., Kempf, A., Heyes, A., Oxidation of divalent rare earth phosphors for thermal history sensing, Sensors and Actuators B 177 (2013) 124-130.

Nguyen, T.M., Kempf, A.M., LES of an IC-engine; An approach for moving boundaries in IC engine simulations, abstract accepted for the European Combustion Meeting, Lund, Sweeden, 2013.

Janas, P., Schild, M., Kaiser, S., Kempf, A.M., Numerical simulation of flame front propagation in a spark ignition engine, abstract accepted for the European Combustion Meeting, Lund, Sweeden, 2013.

Wlokas, I., Faccinetto, A., Tribalet, B., Schulz, C., Kempf, A., Mechanism of iron oxide formation from iron pentacarbonyl doped hydrogen/oxygen flames, accepted for publication by Int J Chemical Kinetics (2013).

Rabhiou, A., Kempf, A., Heyes, A., Oxidation of divalent rare earth phosphors for thermal history sensing, Sensors and Actuators B 177 (2013) 124-130.

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