Forschung

Das Institut für Thermodynamik befasst sich mit der Untersuchung von aerothermodynamischen Phänomenen, die für die Entwicklung von Raumtransportsystemen, schadstoffarmen Fluggasturbinen, Fahrzeugantrieben und von effizienten Energiewandlern wichtig sind. Es werden sowohl grundlagenorientierte Untersuchungen zur Erforschung der Wärme- und Stoffübergangsphänomene als auch anwendungsnahe Arbeiten zur Optimierung von Systemkomponenten in Zusammenarbeit mit der Industrie durchgeführt. Optische und insbesondere laserbasierte Messtechniken spielen eine zentrale Rolle. In numerischen Verfahren zur Strömungssimulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) werden Berechnungsmodule zur Modellierung des turbulenten Wärme- und Stoffübergangs entwickelt, die an vorhandene CFD-Codes gekoppelt werden können.

Die aktuellen Arbeitsgebiete umfassen die Auslegung und Optimierung von Brennkammern in der Antriebstechnik sowie von Reaktoren in der Chemie- und Energietechnik. Außerdem werden am Institut Hochenthalpie-Strömungen experimentell und numerisch untersucht. Die Themen beziehen sich auf angewandte und Grundlagenforschung sowie die Entwicklung optischer Diagnostik zur Optimierung reaktiver Strömungen im Hinblick auf Verbrennungseffizienz und Minimierung von Schadstoffemissionen sowie die Analyse von Wiedereintrittsszenarien. Zu den technischen Anwendungen gehören Industriebrenner, Gasturbinen, Verbrennungsmotoren, Flugzeugtriebwerke, Raketen usw.

Die Laserdiagnostik wird zur Untersuchung der komplexen Prozesskette einschließlich Gemischbildung, Zündung, Wärmefreisetzung, Schadstoffbildung und thermodynamischer Strömungsgrößen entwickelt und eingesetzt. Die Entwicklung von Messverfahren konzentriert sich auf bildgebende und kohärente Verfahren für Thermometrie, Velocimetrie, Dichte- und Konzentrationsmessungen. Hochpräzise Validierungsexperimente für instationäre CFD-Methoden werden an einfachen Basiskonfigurationen mit optischen Methoden zur Messung des Geschwindigkeitsfeldes (Particle Image Velocimetry, PIV), der chemischen Spezies und des Temperaturfeldes (v.a. mit der Laser-induzierten Fluoreszenz, LIF) durchgeführt. Detaillierte experimentelle Untersuchungen des Verbrennungsprozesses sind in anwendungsorientierten Konfigurationen mit optischem Zugang möglich.

Zur Erzeugung von industrieller Prozesswärme werden fossile, aber auch regenerative (z.B. Biogas oder Wasserstoff) Brennstoffe mit Luft verbrannt. Dabei entsteht ein Abgasgemisch, welches bei herkömmlichen Brennstoffen vor der Abgasnachbehandlung aus H₂O_(g), Stickstoff, CO, CO₂ und Stickoxiden (NO_X) besteht. Bei der Verbrennung mit reinem Sauerstoff kann eine Speicherung des entstandenen CO₂ ohne dessen Abtrennung von anderen Abgasbestandteilen erfolgen mit dem sogenannten CCS (Carbon Capture and Storage) – Verfahren. Im Rahmen dieses Projektes wird die energieeffiziente regenerative Bereitstellung von Sauerstoff aus Sauerstoffspeichermaterialien untersucht.

Für die Speicherung des benötigten reinen Sauerstoffes werden keramische Materialien (Oxygen-Storage-Materials, OSM) in einen Brenner integriert. Diese sind in der Lage den gespeicherten Sauerstoff bei Bedarf in einem Verbrennungsprozess abzugeben, um somit den gasförmigen Brennstoff zu oxidieren. Nach der Abgabe erfolgt die Wiederbeladung durch einströmende Frischluft, welcher die OSM Sauerstoff entziehen und speichern. Dadurch ergibt sich ein regenerativer Prozess, welcher zyklisch in einem OSM-Brenner mit mehreren Reaktoren abläuft.

An der Professur für Energiewandlung der UniBw M wird ein Modellreaktor zur Untersuchung des Betriebsverhaltens der OSM entwickelt und gefertigt. Dadurch sollen experimentell die Eigenschaften der OSM unter verschiedenen Bedingungen (Brennstoffmenge, Temperatur, etc.) ermittelt werden. Hierfür kommen verschiedene konventionelle und optische Messmethoden sowie eine Rauchgasanalyse zum Einsatz.

Im weiteren Projektverlauf erfolgt in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern die numerische Analyse und der Upscale des Modellreaktors (Gas Wärme Institut Essen, GWI) sowie, basierend auf den erlangten Erkenntnissen, die Weiterentwicklung der OSM (Fraunhofer IKTS Hermsdorf, Thüringen).  Das Projekt wird gefördert durch die AIF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen) im Rahmen der IGF (Industrielle Gemeinschaftsforschung).

Das Projekt »ELAPSED – Electric Aircraft Propulsion« ist ein ganzheitlicher, interdisziplinärer Ansatz zur Entwicklung und Bewertung von elektrischen Antriebsträngen für Flugzeuge: Von der Energiebereitstellung (Batterie bzw. Brennstoffzelle) über die Antriebstechnik (Elektromotor und Leistungselektronik) bis zum Propulsor und den zugehörigen Teilaspekten Thermal- und Wärmemanagement, EMV und Regelung soll das komplexe Gesamtsystem entwickelt und getestet werden. An dem Projekt sind mehrere Institute der UniBw M und der HSU Hamburg / UniBw H beteiligt. In der Gruppe „Energiewandlung“ am Institut für Thermodynamik wird das Thermalmanagement der elektrischen Komponenten betrachtet mit dem Fokus auf E-Motoren, Batterien und Leistungselektronik. Schwerpunkt sind numerische Simulationen (Conjugated Heat Transfer (CHT), Computational Fluid Dynamics (CFD) und Lumped Parameter Thermal Networks (LPTN)). Das Projekt wird von unserer Arbeitsgruppe auch durch experimentelle Arbeiten unterstützt, z.B. mit bildgebender Messtechnik.

Weitere Details des DTEC-finanzierten Vorhabens sind hier zu finden:

https://dtecbw.de/home/forschung/unibw-m/projekt-elapsed

Das „Elapsed“-Vorhaben wird durch dtec.bw – Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr gefördert. dtec.bw wird von der Europäischen Union – NextGenerationEU finanziert.

Der Themenschwerpunkt liegt auf der Temperaturbestimmung in Tropfen und Sprays mit der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) basierend auf Farbstoffen (Dyes) wie Fluoreszin, Sulforhodamin oder Nilrot, die den Flüssigkeiten zugegeben werden. Insbesondere die Tropfenaufheizung und Verdampfung als auch die Tropfenabkühlung werden untersucht, wobei Kraftstoffe und Lösungsmittel im Fokus stehen. Hierbei sind auch Kryogenbedingungen insbesondere für die Luft- und Raumfahrttechnik relevant. Die 2-Farben LIF Detektion wird auch genutzt zur Bestimmung der Zusammensetzung der Flüssigphase beispielsweise für „Green Solvents“ wie Wasser/Ethanol-Gemische oder Biokraftstoff-Blends.

Die 2-Farben LIF Messtechnik wird auch auf Sprühstrahlen und Filmströmungen übertragen. Beispielsweise kommt sie zum Einsatz für die Untersuchung von Spray- und Prallstrahlkühlprozessen auf Oberflächen, z.B. bei der Kühlung von elektrischen und elektronischen Komponenten, oder für die Thermometrie in Kühlschmierstoffen in der Materialbearbeitung.

MaST: Makro/Mikro-Simulation des Phasenzerfalls im Transkritischen Bereich

Prof. Tobias Sander und Prof. Lars Zigan leiten das Projekt, das gemeinsam mit Prof. Philipp Neumann von der Helmut-Schmidt-Universität (Universität der Bundeswehr Hamburg) sowie weiteren Partnern durchgeführt wird. Dr. Min Son leitet den Aufbau der Versuchsanlage und führt die Messungen durch.

In modernen Gasturbinen, in manchen Raketenbrennkammern und bei Dieselmotoren wird der flüssige Brennstoff bei Drücken in die Brennkammer eingespritzt, die z.T. weit über dem kritischen Druck des Brennstoffs liegen. Aufgrund der fehlenden Oberflächenspannung ändert sich der Zerstäubungs- und Mischvorgang gegenüber unterkritischen Bedingungen. Der Strahlzerfall, die Mischung und Verdampfung soll experimentell und analytisch untersucht werden. Das Projekt zielt auf eine Vertiefung des Verständnisses der Entstehung von Phasengrenzen bei Hochdruckmischungen und die Entwicklung von skalenübergreifenden Modellierungen solcher Phänomene. Diese können für die Optimierung technischer Anwendungen genutzt werden, wie sie beispielsweise bei der transkritischen Einspritzung von Kraftstoff und Oxidator unter Bedingungen in Raketenbrennkammern auftreten. Die Einspritzung und Gemischbildung wird in einer Hochdruck-Hochtemperaturkammer mit optischen Messtechniken analysiert, die im Rahmen des Vorhabens aufgebaut wird. Es werden zur Analyse der Dichte- und Temperaturfelder für variable Bedingungen laserbasierte Messtechniken (v. a. Hochgeschwindigkeit) eingesetzt. Die experimentellen Arbeiten werden auch bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt, da die Professur für Energiewandlung in der Luft- und Raumfahrttechnik über eine Stickstoffverflüssigungsanlage zur Medienkühlung verfügt. Die Messdaten werden wiederum für die Validierung von Simulationsrechnungen bei den Projektpartnern verwendet. Durch Weiterentwicklung von Messtechniken und Molekulardynamik-Simulation (MD), Dichtefunktionaltheorie (DFT) und numerischer Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) sowie gekoppelter (bspw. Molekular-Kontinuums-) Simulation können in MaST erstmals tiefergehende Einblicke in den transkritischen Phasenzerfall inklusive Auflösung von Phasengrenzen gewonnen werden.

Weitere Details des dtec-finanzierten Vorhabens sind hier zu finden:

https://dtecbw.de/home/forschung/hsu/projekt-mast

Das Projekt MaST wird durch dtec.bw – Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr gefördert. dtec.bw wird von der Europäischen Union – NextGenerationEU finanziert.

Charakterisierung der transkritischen Einspritzung und Gemischbildung mittels bildgebender laserinduzierter Fluoreszenz

Ziel des DFG-Projektes ZI 1384-3 ist die Entwicklung einer Messmethode basierend auf der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) zur gleichzeitigen Bestimmung von Kraftstoffdichte und Temperatur zur Charakterisierung transkritischer Sprayprozesse, welche eine hohe Relevanz in vielfältigen energie- und verfahrenstechnischen Systemen sowie bei pharmazeutischen Anwendungen haben. Die Technik wird weiterentwickelt für Messungen in der Umgebung von Tropfen. Der Fokus liegt auf der grundlegenden Analyse des transkritischen Einspritzprozesses unter vereinfachten Bedingungen in einer Messzelle. Mit diesem Projekt soll zu einem besseren Verständnis bezüglich des physikalischen Verhaltens der Tropfenverdunstung bzw. der diffusiven Mischung sowie Gemischbildung bei transkritischer Einspritzung beigetragen werden. Ferner sollen umfassende Referenzdaten für die Entwicklung und Validierung von Modellen und numerischen Simulationsansätzen bereitgestellt werden, welche teilweise bei der Vorhersage des transkritischen Mischungsverhaltens versagen. Die Untersuchungen der transkritischen Einspritzungen erfolgen mit Modellkraftstoffen und aktuellen synthetischen Kraftstoffen, die für vielfältige technische Prozesse relevant sind. Es werden mikroskopische und makroskopische Messungen der Kraftstoffdichte und der Gastemperaturen in transkritischen Sprays bei variablen Randbedingungen durchgeführt. Als Teilziel werden Kenngrößen zur Beurteilung transkritischer Einspritzungen bestimmt. Dies umfasst z.B. die Identifikation von Bereichen im Spray mit Phasenwechsel bzw. den Übergang zur diffusiven Mischung. Es werden Zeiten bestimmt zur Verdampfung bzw. Lebenszeiten bis zum Erreichen des überkritischen Zustands, wofür bisher keine quantitativen Untersuchungen vorliegen.

Nutzung der 2-Farben laserinduzierten Fluoreszenz (2 Farben-LIF) zur quantitativen bildgebenden Untersuchung transkritischer Einspritzungen

Das Institut für Thermodynamik arbeitet an zwei Teilprojekten von SeRANIS – Seamless Radio Access Networks for Internet of Space mit. Weitere Details des DTEC-finanzierten Vorhabens sind hier zu finden:

https://dtecbw.de/home/forschung/unibw-m/projekt-seranis

Das Projekt SeRANIS wird durch dtec.bw – Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr gefördert. dtec.bw wird von der Europäischen Union – NextGenerationEU finanziert.

Die genaue Vorhersage der thermischen Belastung von Brennkammer- und Turbinenbauteilen durch Strahlung erfordert die Kenntnis des Emissions- und Absorptionsverhaltens der verwendeten Materialien in Abhängigkeit von der Standzeit im Triebwerk.

Mit unserer Apparatur können Strahlungseigenschaften von Festkörpern und Gasen in einem weiten Wellenlängenbereich von 0,5 - 15 m bestimmt werden. Sie erlaubt im o.a. Wellenlängenbereich die quantitative Messung des thermischen Energie-Strahlungsspektrums von Flammen, die Bestimmung des spektralen Emissionskoeffizienten von Festkörpern für einen weiten Temperaturbereich von 1000 K - 1900 K und die Messung des spektralen Extinktionskoeffizienten von Gasen.

Die Kenntnisse aus den ersten beiden Punkten sind wichtig für die Entwicklung von Hochleistungstriebwerken, der letzte Punkt ist für die Beurteilung von Industrieabgasen bezüglich des Einflusses auf den Treibhauseffekt von Bedeutung.