Direkt zum Inhalt | Direkt zur Navigation

Forschung

Forschungsschwerpunkte am Institut für Thermodynamik

 

Das Institut für Thermodynamik befasst sich mit der Untersuchung von aerothermodynamischen Phänomenen, die für die Entwicklung von schadstoffarmen Fluggasturbinen, Fahrzeugantrieben und von effizienten Energieerzeugern wichtig sind. Es werden sowohl grundlagenorientierte Untersuchungen zur Erforschung der Phänomene als auch anwendungsnahe Arbeiten zur Optimierung von Maschinen-Komponenten in Zusammenarbeit mit der Industrie durchgeführt.

Zur Weiterentwicklung von numerischen Verfahrung zur Strömungssimulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) werden Berechnungsmodule zur Modellierung turbulenter Verbrennung und des turbulenten Wärmeübergangs entwickelt, die an vorhandene CFD-Codes gekoppelt werden können.

 

Turbulente Verbrennung

In den meisten technischen Anwendungen verläuft die Verbrennung mit turbulenten Flammen ab. Beispiele sind industriellen Brenner, Dampf- und Gasturbine sowie Fahrzeugmotoren.

Die numerische Berechnung turbulenter Flammen bereitet besondere Probleme wegen der starken Wechselwirkung zwischen der Turbulenz und den chemischen Reaktionen. Es werden Modelle ent-wickelt und validiert, welche in der numerischen Flammensimulation diese Turbulenz-Chemie-Wechselwirkung beschreiben.

  • Hochgenaue Validierungs-Experimente an einfachen Grundlagen-Konfigurationen mittels opti-scher Verfahren; Vermessung des Geschwindigkeitsfelds (LDA, PIV), der chemischen Spezies (LIF, PLIF, Raman) und des Temperaturfelds
  • Detaillierte experimentelle Untersuchung des Verbrennungsvorgangs in anwendungsnahen Konfigurationen mit optischem Zugang
  • Entwicklung und Validierung von Berechnungsmodellen für turbulente Verbrennung, Entstehung gasförmiger Schadstoffe, Rußentstehung und –abbrand; Kopplung der Modelle an kommerzielle und universitäre CFD-Verfahren
  • Weiterentwicklung von instationären CFD-Verfahren für die Flammensimulation (LES = Large Eddy Simulation), welche die Turbulenzeffekte genauer beschreiben können

 

Strömung und Wärmeübergang in rotierenden Komponenten

Vor allem in Gasturbinen müssen aufgrund der hohen thermischen Belastung die Triebwerkskompo-nenten im Heißteil der Maschinen gekühlt werden. Bei der für die Lebensdauerberechnung wichtige Vor-hersage der Bauteiltemperaturen ist es wichtig, die Strömungsform und den lokalen Wärmeübergang genau zu kennen. Aufgrund der z.T. außerordentlich komplexen Strömungsformen in rotierenden Kam-mern ist hier noch viel Grundlagenarbeit zu leisten.

  • Experimentelle Untersuchungen des Strömungsfelds und des Wärmeübergangs an rotierenden Wellen und Scheiben
  • Validierung existierender CFD-Verfahren mithilfe der Messdaten
  • Entwicklung von verbesserten Submodellen für Wärmeübergang und Turbulenz in rotierenden Kammern

 

Zerstäubung, Verdampfung und Mischung von Flüssigbrennstoff bei überkritischen Zuständen

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.

 

Strahlungs-Emissions- und Absorptionseigenschaften von Festkörpern und Gasen

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.

 

Thermische Zustandsgrößen von Gasen und Fluiden

Für die industrielle Auslegung, z.B. im Bereich der Kältetechnik werden hochgenaue Daten der Zustandsfläche benötigt. Es wird eine Versuchsanlage entwickelt, die über einen großen Druck- und Temperaturbereich Messungen hoher von einfachen Stoffen und Stoffgemischen ermöglicht.

Die Anlage erlaubt die simultane Variation aller Zustandsgrößen Druck (p), reziproke Dichte (v) und Temperatur (T) bei konstanter Zusammensetzung (x) von Gemischen. Alle Meßgrößen können durch den Einsatz von Präzisions-Meßgeräten mit einer Genauigkeit von besser als 1/100 % bestimmt werden. Durch die Konstruktion der Anlage ist gewährleistet, dass die Wandtemperatur des Meßvolums auf besser als 1/100 K konstant gehalten wird. Die hohe Präzision der Anlage erlaubt auch die Untersuchung von Oberflächen- Effekten (wie z.B. der Adsorption an den Wänden des Meßvolumens).

Beispiele für Anwendungen sind organische Stoffe, wie z.B. die fluorierten Kohlen-wasserstoffe (ORC) und Substitutionsstoffe für die chlorierten Kohlenwasserstoffe als Arbeitsmedien für Kreisprozesse in Energierückgewinnungsanlagen. Eine andere Anwendung ist die systematische Untersuchung des Temperaturverlaufs der Virialkoeffizienten binärer Gasgemische.

 

Untersuchung des exergetischen Wirkungsgrads von Kälte- und Wärmepumpen

Für die thermodynamisch korrekte Bewertung von Kälte- und Wärmepumpen eignet sich die Exergiebetrachtung besonders. Es wurde eine Anlage entwickelt, bei der alle Einzelkomponenten, wie Verdampfer, Kondensator, Expansionsteil und Kompressor getrennt messtechnisch bezüglich Temperaturen, Drücken sowie Massen- bzw. Wärmeströmen erfasst werden.

Mit Hilfe dieser Messdaten können sowohl die Einzelkomponenten als auch die Gesamtanlage exergetisch bilanziert werden. Die bereits vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass konventionelle Anlagen noch ein sehr großes Entwicklungspotential bezüglich der erreichbaren (exergetischen) Wirkungsgrade besitzen. Außerdem werden Informationen gewonnen, für welche der Teilkomponenten eine solche Optimierung besonders aussichtsreich ist.