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
ELAPSED – Electric Aircraft Propulsion
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.
Zerstäubung, Verdampfung und Mischung von Flüssigbrennstoff bei überkritischen Zuständen
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.
SeRANIS – Multifunktionales Satellitenlabor
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.
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.