abgeschlossene Forschungsprojekte

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Im Folgenden finden Sie einen Auszug unserer abgeschlossenen Forschungsprojekte aufgeführt.




Analyse und Modellierung der gerichteten lokalen Formluftströmung auf den Thermoformprozess

Projektleitung:Dipl.-Ing. Fabian Kayatz Schreib
Beteiligte:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Dr.-Ing. Manuel Münsch
Förderer:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungseinrichtungen
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Mitwirkende
Institutionen:
Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e.V.
Laufzeit:1.7.2016 - 30.6.2018
Inhalt und Ziele:Ein weit verbreitetes, kostengünstiges Herstellungsverfahren von dreidimensionalen Kunststoffformkörpern aus planen Halbzeug ist das Thermoformen. Es dient der Fertigung von technischen Bauteilen sowie Verpackungen. Nicht zuletzt aufgrund des hohen Ressourcenbedarfs für Verpackungen (70 % des weltweiten Kunststoffverbrauchs), besteht aus ökonomischen und ökologischen Aspekten ein stetiger Bedarf nach materialsparenden Technologien und Verfahren.
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes soll unter Ausnutzung der temperaturabhängigen Eigenschaften der Folie gezeigt werden, dass eine lokal gerichtete Aufbringung der Formluft und dadurch erzeugte Druck- und Temperaturunterschiede von 0,5 bar sowie 50 K auf der Folie, eine gezielte Beeinflussung der Wanddickenverteilung ermöglicht. Es wird erwartet, dass der Materialeinsatz somit bei gleichbleibenden Eigenschaften des Formteils um bis zu 15 % verringert werden kann. Die Aufbereitung der Ergebnisse in einer Richtlinie gewährleistet eine schnelle Überführung in die Unternehmen und verschafft diesen einen Vorteil auf dem wettbewerbsintensiven Verpackungsmittelmarkt, insbesondere mit Niedriglohnländern.
Kontakt:Münsch, Manuel
Telefon 09131/85 29570, Fax 09131/85 29503, E-Mail: manuel.muensch@fau.de

Beeinflussung rheologisch relevanter Charakteristika von Weizenteigen durch Sauerstoffanreicherung zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Dr.-Ing. Frauke Groß, Prof. Dr.-Ing. Klaus Lösche, Dipl.-Ing. Julia Börsmann
Beteiligte:Jyothi Mahadevappa, M. Sc.
Förderer:
Forschungskreis der Ernährungsindustrie e. V. (FEI), Bonn
Mitwirkende
Institutionen:
Universität Erlangen-Nürnberg, Department Chemie- und Bioingenieurwesen, Lehrstuhl für Strömungsmechanik
Verein zur Förderung des Technologietransfers an der Hochschule Bremerhaven e. V., BILB-EIBT
Stichwörter:Sauerstoffanreicherung von Weizenteigen; Rheologie; Ausrollen bzw. Auswalzen; Prozessführungsstrategie
Laufzeit:1.11.2010 - 31.10.2012
Inhalt und Ziele:Ziel des Forschungsvorhabens war die Verbesserung der Verarbeitbarkeit von Weizenteigen durch Beeinflussung rheologisch relevanter Charakteristika bei der hochdosierten Anreicherung der Teige mit Sauerstoff.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden Weizenteige verschiedener Rezeptur, u.a. mit sauerstoffangereichertem Wasser hergestellt, hinsichtlich ihrer rheologischen Eigenschaften untersucht. So sollten gezielt rheologische Veränderungen herbeigeführt und zur verbesserten Verarbeitung der Teige während des Auswalzens genutzt werden (optimierte Nutzung der Rohstoffe, Minimierung des Energieeintrags, Minimierung der Zeitdauer und Erhöhung des Abwalzgrades). Die Problemstellung des Vorhabens ging von einer hohen Bedeutung der Teigrheologie für die Verarbeitung von Weizenteigen aus. Aufgrund von Rückverformungen durch mechanische Beanspruchung des Teiges kommt es zusätzlich zu elastischen Teigdeformationen und somit zu einer nachteiligen Maschinengängigkeit und unterschiedlichen Qualitäten der fertigen Backwaren. Es ist für den Ablauf der Produktion und für die gleichbleibende Qualität von großer Wichtigkeit, Kenntnis über die verschiedenen Eigenschaften der unterschiedlichen Rezepturen zu haben.

Zusätzlich wurde ein Fuzzy-System zur Prozessregelung des Auswalzvorgangs in zwei Stufen entwickelt und implementiert. Eines nutzt als Eingangsdaten offline-erfasste rheologische Messungen und online-basierte Kameramessungen. Das Zweite wurde entwickelt, um allein basierend auf online erfassbaren Messdaten (Kamera- und eventuell auch Drehmomentmessungen) eine entsprechende Prozesssteuerung zu ermöglichen. So wurde ein fuzzy-basiertes Abwalzsystem (-programm) entwickelt, welches zwischen einem schnellen bzw. harschen und einem langsamen, sanften Auswalzprogramm regelt und die Teige in diesem Orientierungsrahmen möglichst schnell abwalzt, ohne die Teigqualität zu gefährden.

Kontakt:Delgado, Antonio
Telefon 09131/85 29500, Fax 09131/85 29503, E-Mail: antonio.delgado@fau.de

BESTWIHR - Lattice-Boltzmann Verfahren zur Untersuchung von komplexen Transportvorgängen

Beteiligte:Peter Lammers
Förderer:
KONWIHR - Kompetenznetzwerk für Technisch-Wissenschaftliches Hoch- und Höchstleistungsrechnen in Bayern
Stichwörter:Numerische Simulation, Strömungsmechanik, Hochleistungsrechnen
Laufzeit:1.1.2000 - 31.12.2002
Inhalt und Ziele:Die numerische Simulation von Transportvorgängen in Fluiden ist seit einigen Jahren in verschiedenen Branchen, z.B. der Luft und Raumfahrt oder dem Automobilbau, als Werkzeug zur Vorhersage von technischen Prozessen anerkannt. In zunehmendem Maße werden diese Verfahren in weiteren Branchen eingesetzt, z.B. der chemischen Technik, Verfahrenstechnik, der Umwelttechnik oder der Medizintechnik. Angetrieben durch die spezifischen Anforderungen außerhalb der ``klassischen'' Einsatzgebiete wurden in der Vergangenheit verstärkt Anstrengungen unternommen, Verfahren zu entwickeln die eine rigorose Modellierung von Transportvorgängen ermöglichen und somit einen besseren Zugang zur Analyse von Strömungen in diesen Bereichen ermöglichen. In diesem Sinne werden zelluläre Automaten bereits seit 15-20 Jahren zur Berechnung von Transportvorgängen in porösen Medien eingesetzt. Am LSTM Erlangen wurden diese Entwicklungen in den letzten Jahren maßgeblich mitgetragen. Im vorliegenden Projekt sollen insbesondere Aspekte des Softwareengineerings sowie des Höchstleistungerechnens gefördert werden. Es ist bekannt, dass die Entwicklung von Höchstleistungsrechnern extrem schnell voranschreitet. Damit verbunden sind stete Veränderungen der Techniken und Programmierparadigmen, die angewandt werden müssen, um mit den aktuellen Rechnern Höchstleistungen zu erzielen. Es ist daher nicht nur eine stete Weiterentwicklung der mathematischen und physikalischen Modellierung notwendig, sondern auch der Optimierungsstrategien für die individuelle Anwendung.

BIOFLAM - Application of Liquid Biofuels in New Heating Technologies for Domestic Appliances Based on Cool Flame Vaporization and Porous Medium Combustion

Projektleitung:Dr. Dimos Trimis
Beteiligte:Josef Glaß, Yousef Abu-Sharekh
Förderer:
European Community (ENERGY Programme)
Mitwirkende
Institutionen:
Centre Suisse d'electronique et de Microtechnique SA, CSEM (CH)
Association of the European Heating Industry, EHI (EU)
Rheinisch Westfaelische Hochschule Aachen, EST (D)
Hovalwerk AG (LIE)
Instituto Superior Technico, IST (PT)
National Technical University of Athens, NTUA (EL)
PTC Plasma-Jet Technical Coating, PTC (CH)
Stichwörter:Porenbrenner, Kalte Flammen, Ölbrenner, Haushaltsheizung
Laufzeit:1.2.2001 - 31.1.2005
Inhalt und Ziele:Ziel des Projektes Bioflam ist die Entwicklung eines kompakten, hochmodulierenden (1:20) Brennwert-Öl-Heizsystems für Haushaltsanwendungen, das neben geringen Schadstoffemissionen auch mit erneuerbaren Brennstoffen, wie Rapsölmethylester (RME), Sonnenblumenölmethylester (SFME) und veresterten gebrauchten Küchenfetten (UFOME) betrieben werden kann. Um diese weit über dem Stand der Technik liegenden Anforderungen erfüllen zu können, wird im Bioflam-Projekt die Porenbrennertechnologie mit einem sog. Kalte-Flammen-Verdampfer kombiniert. Der Effekt der kalten Flamme bewirkt, dass bei Temperaturen zwischen 300 und 480°C in sauerstoffhaltiger Atmosphäre eine partielle Oxidation des Brennstoffes erfolgt und dadurch bereits ca. 10% der Energie umgesetzt wird. Durch diese Energiefreisetzung wird der eingedüste Brennstoff verdampft und das Brennstoff-Luft-Gemisch erwärmt. Der nachgeschaltete Porenbrenner erhält dadurch ein ca. 250°C warmes, gasförmiges Brennstoff-Luft-Gemisch, so dass der Porenbrenner im eigentlichen Sinn ein Gasbrenner ist. Das Verdampfer-Porenbrenner-System wird mit einem bereits erprobten, brennwerttauglichen Kessel der Fa. Hoval kombiniert. Zur Steuerung der Bioflam-Einheit wird eine neue Elektronik entwickelt und zugelassen. Die konstruktive Auslegung der einzelnen Komponenten wird im Projekt durch zwei Numerikinstitute unterstützt, am Projektende werden ca. 30 Prototypen gebaut und in einem Feldversuch zwei Heizperioden lang getestet.

CERPOR-Optimierung keramischer Bauteile für die Porenbrennertechnologie

Projektleitung:Dr. Dimos Trimis
Beteiligte:Josef Glaß, Dipl.-Ing. Alexander Mach
Förderer:
Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit
VDI/VDE-IT Förderung von innovativen Netzwerken
Mitwirkende
Institutionen:
DaimlerChrysler AG
Duotherm Isoliersysteme GmbH
Enginion AG
GoGas Goch GmbH & Co
Walter E. C. Pritzkow Spezialkeramik
PTC SA – Plasma-Jet Technical Coating
Stichwörter:Keramik, Lebensdauer, Optimierung Hochtemperaturkeramik, Siliciumkarbid, Aluminiumoxid
Laufzeit:1.6.2003 - 31.12.2005
Inhalt und Ziele:Ziel des Projektes ist die Neu- und Weiterentwicklung von Keramikkomponenten, die zum einen die verbrennungstechnischen Anforderungen wie Porosität, Wärmeleitfähigkeit und Druckverlust und andererseits trotz extremer Beanspruchung eine ausreichende Lebensdauer aufweisen. Die Weiterentwicklung und Optimierung der eingesetzten Keramiken ist ein aufwendiger Vorgang und erfordert interdisziplinäre Kompetenzen. Die am Projekt beteiligten Keramikhersteller haben bisher Pionierleistungen erbracht, sind jedoch nicht in der Lage, das für eine systematische Weiterentwicklung der Materialien und der Herstellprozesse notwendige Know-How und Instrumentarium an Analysegeräten aufzubringen. Außerdem sind bisher nur stark begrenzte Kapazitäten bei den drei beteiligten Brennerherstellern bzw. Systemlieferanten zur Durchführung von echten Dauertests sowie beschleunigten Lebensdauertests mit simultaner Charakterisierung des Betriebsverhaltens vorhanden, die für eine systematische Vorgehensweise unverzichtbar sind. Im Projekt CERPOR sollen diese Hindernisse beseitigt werden, um in kurzer Zeit Materialien bereitzustellen, die eine schnelle Verbreitung der Porenbrennertechnologie ermöglichen. Durch die Kooperation mit auf Hochtemperaturkeramiken spezialisierten Instituten werden die KMU’s in die Lage versetzt, ihre Keramik-Produkte durch neues Know-how und erweiterte Analysemöglichkeiten zu optimieren. Die Anforderungen ihrer ebenfalls zukünftigen Kunden (Brennerhersteller bzw. Systemlieferanten, ebenfalls KMU’s) können bei der Weiterentwicklung berücksichtigt werden, da die wichtigsten Porenbrennerhersteller und –anwender ebenfalls im Projekt vertreten sind. Der LSTM-Erlangen, der als technologisches Zentrum der Porenbrennertechnologie gilt, bringt sein gebündeltes Know-how aus den bisherigen Erfahrungen ein. Zudem wird eine Infrastruktur zur Untersuchung des Langzeitverhaltens aufgebaut, die erlaubt, dass Materialien anwendungsübergreifend auf ihre Langzeitstabilität untersucht werden können.

Charakterisierung von Strömungsinstabilitäten in volumetrischen Solarreceivern (SOLPOR)-Teilprojekt LSTM (Friedrich Alexander Universität Erlangen Nuernberg)

Projektleitung:Dr. Dimos Trimis
Beteiligte:Dr.-Ing. Stevan Nemoda, Veselin Stamatov
Mitwirkende
Institutionen:
FhG IKTS-Dresden
DLR-Instutut für technische Thermodynamik Koeln-Stuttgart (Koordination)
Stichwörter:Sonnenenergie, CO2-Reduktion, Poröse Medien, volumetrische Solarreceiver, Hot-Spots, thermischen Instabilitäten, CFD
Laufzeit:1.1.2001 - 31.12.2003
Inhalt und Ziele:Die Stromerzeugung aus Sonnenenergie hat ein grosses Potential, um die CO2-Produktion herabzusetzen. Poröse Medien werden bereits sehr effizient als volumetrische Empfänger von thermischer Sonnenstrahlung verwendet. Deshalb sind Untersuchungen der Prozesse in porösen Medien sowie deren Optimierung von grosser Bedeutung. Jedoch werden selbst bei perfekt-homogener Stroemung und Bestrahlung Hot-Spots beim praktischen Einsatz solcher volumetrischen solaren Empfänger beobachtet. Folgender Mechanismus führt zur Entstehung dieser Hot-Spots: Die lokale Temperatur nimmt aufgrund reduzierter lokaler Gasgeschwindigkeiten zu, führt zu erhöhter Viskositaet und zu weiteren Herabsetzung der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten. Im schlechtesten Fall findet eine lokale Überhitzung und thermische Zerstörung der porösen Medien aufgrund solcher Strömungsinstabilitäten statt. Um diese Instabilitäten zu vermeiden bzw. zu minimieren, aber gleichzeitig einen guten Wirkungsgrad zu erhalten, ist ein detailliertes Wissen über die Wärmetransport-Mechanismen in porösen Medien erforderlich. Um die notwendigen Kenntnisse zu sammeln wurde eine Vernetzung der Kompetenzen zwischen den Arbeitsgruppen von DLR-Köln/Stuttgart, LSTM-Erlangen und FhG IKTS-Dresden im Rahmen des Strategiefonds "Erneuerbare Energie" in Gang gesetzt. Grundlegende Arbeiten im Rahmen dieser Kooperation umfassen: Experimentelle Charakterisierung des Wärmetransports und Strömungseigenschaften von porösen Medien in Solarreceiver, Entwicklung von numerischen Modellen für ausführliche Computer-Simulation von Waermetransport und Strömungscharakteristik in porösen Medien, Vorhersage der thermischen Instabilitäten, durch Anwendung experimenteller und numerischer Methoden. Die Zielsetzung des Vorhabens ist poröse Strukturen für volumetrische Solarreceiver mit einer stabilen Charakteristik und höhere Wirkungsgrade bereitzustellen.

Detailberechnungen turbulenter Strömungen mit dem 3D-Lattice Boltzmann Verfahren

Beteiligte:Peter Lammers, Dr. Kamen Beronov, Dr. Gunther Brenner
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Stichwörter:Lattice-Boltzmann-Verfahren,direkte numerische Simulation,Turbulenzmodellierung
Laufzeit:1.7.2001 - 1.7.2003
Inhalt und Ziele:Ziel der Vorhabens ist die direkte Simulation und Analyse von turbulenten Strömungen mittels Lattice-Boltzmann-Automaten. Dabei sollen im Rahmen des vorliegenden Teilprojektes zwei Zielrichtungen verfolgt werden. Zum einen sollen die Vorteile der LBA Verfahren hinsichtlich Speicheraufwand und Effizienz genutzt werden, um mittels einer direkten numerischen Simulation Detailphänomene der Turbulenz genauer untersuchen zu können als dies bisher möglich ist. Damit ist eine "numerische Datenbasis" zu schaffen, die genutzt werden kann, um wichtige Eigenschaften der Turbulenz auf das globale Strömungsfeld zu quantifizieren. Die Kenntnis dieser Phänomene ist wichtig, da sie die Grundlage für das Verständnis von vielen technischen Problemstellungen ist, bei denen Turbulenz eine Rolle spielt. Hierzu gehören z.B. abgelöste Strömungen, Turbulenz in rotierenden Systemen oder Turbulenz in beschleunigten Strömungen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen im zweiten Schritt genutzt werden, um eine konsistente Modellierung der turbulenten Transportvorgänge im Rahmen der Lattice-Boltzmann-Theorie zu formulieren.

Direct injection engine spray processes: mechanisms to improve performance (Projekt DIME im 5. Rahmenprogramm der Europäischen Union)

Projektleitung:PD Dr. Günter Brenn
Beteiligte:D. Lakshmipathy
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende
Institutionen:
Universidad Politecnica de Valencia, CMT, Prof. F. Payri Gonzales
Imperial College of Science, Technology and Medicine, Prof. J.H. Whitelaw
Instituto Superior Tecnico, Prof. M. Heitor
Universite de Rouen, CORIA, LESP, Dr. G. Grehan
Universite Pierre et Marie Curie (Paris VI), Dr. P. Guibert
AVL List GmbH, Dr. Chr. von Künsberg Sarre
PSA Peugeot-Citroen, Dr. Guillaume Rymer
Stichwörter:Verbrennungsmotoren, Kraftstoff-Direkteinspritzung, Verdunstung von Vielstoffgemischen, Tropfenaufprall auf feste Oberflächen
Laufzeit:1.10.2002 - 1.9.2003
Inhalt und Ziele:Die direkte Einspritzung von Kraftstoffen in den Brennraum von Verbrennungsmotoren hat in der jüngeren Vergangenheit große Bedeutung gewonnen, da sie den schadstoffarmen und kraftstoffsparenden Betrieb der Motoren ermöglichen kann. Im Bereich der Dieselmotoren ist die Technik bereits seit längerer Zeit im Einsatz. Otto-Motoren mit Direkteinspritzung dagegen sind auf dem Markt noch selten anzutreffen. Das vorliegende Projekt behandelt Elementarvorgänge bei der Einspritzung von Kraftstoffen, die von den verschiedenen beteiligten Gruppen bearbeitet werden. Ziel der Untersuchungen ist eine Verbesserung des Verständnisses der physikalischen Vorgänge bei der Kraftstoff-Direkteinspritzung in Motoren. Die vorliegend berichtende Gruppe untersucht die Verdunstung von Kraftstoffen und definiert erzeugten vielkomponentigen Flüssigkeitsgemischen experimentell und entwickelt ein Modell, das die Simulation der Verdunstung ermöglicht. Grundlage hierfür ist die Filmtheorie, die die Beschreibung auch von Vorgängen mit großen Verdunstungsraten ermöglicht. Das physikalisch-chemische Verhalten der Gemische, d.h. z.B. die Aktivitätskoeffizienten der Komponenten, wird durch die Unifac-Methode beschrieben. In einem zweiten Teil des Projektes wird der Aufprall von Tropfen auf gekrümmte Wände experimentell untersucht, die kalt oder bis 200ºC heiß sein können. Ergebnis beider Teile der Projektarbeit sind Modelle, die in die Simulationssoftware eines der Projektpartner eingearbeitet werden.
Kontakt:Telefon 09131/85 29501

Direkte numerische Simulationen zur Entwicklung eines Vier-Gleichungs-Turbulenzmodells

Projektleitung:apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Jovan Jovanovic
Beteiligte:M. Nandy, Lenoid Terentiev, Dipl.-Ing. Bettina Frohnapfel
Förderer:
Konwihr
Mitwirkende
Institutionen:
Prof. Dr. Rainer Friedrich, Fachgebiet Strömungsmechanik, TU München
Stichwörter:DNS, Turbulenzmodell
Laufzeit:1.1.2002 - 31.12.2004
Inhalt und Ziele:Ziel dieses Projektes ist einerseits die Durchführung von direkten numerischen Simulationen (DNS) und deren statistischen Auswertung und andererseits die Entwicklung einse neuen Turbulenzmodells und dessen Validierung und Verbesserung anhand der DNS-Datenbasis. Kernpunkt der Modellentwicklung und gleichzeitig Herausforerung an die numerische Simulation ist die Berechnung sämtlicher Terme der Transportgleichun für die Dissipationsrate. Die Dissipationsrate ist durch das Quadrat von fluktuierenden Geschwindigkeitskomponenten bestimmt. Die einzuelnen Produktions-, Transport- und Destruktionsterme in ihrer Transportgleichung sind sogar durch Korrelationen aus zweiten Ableitungen der Geschwindigkeitsschwankungen bestimmt, also durch Beiträge aus den kleinsten turbulenten Skalen. Die DNS muss daher die kleinsten Skalen mit großer Genauigkeit ermitteln, um die Bilanz von der Dissipationsrate genau zu erfüllen.

DiSiVGT -Direkte numerische Simulation zur Entwicklung eines Vier-Gleichungs-Turbulenzmodells

Projektleitung:Prof. Dr. R. Friedrich (TU München)
Beteiligte:apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Jovan Jovanovic, Dr. Florian Menter (AEA Technology GmbH)
Förderer:
KONWIHR - Kompetenznetzwerk für Technisch-Wissenschaftliches Hoch- und Höchstleistungsrechnen in Bayern
Mitwirkende
Institutionen:
Lehrstuhl für Fluidmechanik, Technische Universität München
AEA Technology GmbH
Laufzeit:1.7.2001 - 30.6.2004
Inhalt und Ziele:Leistungsfähigere Turbulenzmodelle als algebraische und Zweigleichungs-Modelle werden in der Industrie dringend benötigt. Die Entwicklung verbesserter Modelle setzt neue Modellkonzepte voraus und deren Validierung anhand von vollständigen, zuverlässigen Datensätzen.
Direkte numerische Simulationen (DNS) liefern solche Datensätze und enthalten alle Informationen, die zur Entwicklung neuer Turbulenzmodelle benötigt werden. Sie sind zwar auf Strömungen niedriger Reynoldszahl beschränkt, jedoch treten turbulente Strömungen mit lokal niedriger Reynoldszahl so häufig auf (z.B. in Wandnähe oder stromab von Transitionszonen), dass die Durchführung direkter Simulationen und die Verwendung der gewonnenen Daten Sinn macht. Im übrigen ist noch keineswegs bewiesen, dass sich bei hohen Reynoldszahlen generell andere Turbulenz-Mechanismen einstellen als bei niedrigen Re-Zahlen. Es wird daher von einer Übertragbarkeit der gewonnenen Ergebnisse auf den Fall höherer Re-Zahl ausgegangen.
Ziel des Projekts ist die Verwendung von DNS-Daten zur Entwicklung eines neuen Viergleichungs-Turbulenzmodells, das die grössten Schwächen von Zweigleichungs-Modellen behebt und bei wesentlich geringerem Rechenaufwand als für Reynolds-Spannungsmodelle das Potential dieser Modelle erreicht
Kontakt:Jovanovic, Jovan
Telefon 09131/85 29507, Fax 09131/85 29503, E-Mail: jovan.jovanovic@fau.de

Drallbehaftete turbulente Rohrströmungen

Projektleitung:Dipl.-Ing. Hermann Lienhart, apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Jovan Jovanovic
Beteiligte:Dipl.-Ing. Bettina Frohnapfel
Förderer:
DFG
Stichwörter:Turbulenz, Drall, Anisotropie
Laufzeit:1.1.2002 - 31.12.2005
Inhalt und Ziele:Die drallbehafteten turbulenten Strömungen wurden mit zunehmendem Interesse im letzen Jahrzehnt untersucht, da sie bei verschiedenen technischen Anwendungen auftreten und wichtige Eigenschaften kontrollieren. Zum Beispiel werden beim Abscheiden von Teilchen nach ihrer Größe die Kräfte genutzt, die auf die Teilchen in der rotierenden Strömung wirken. Oder in Brennern verwendet man die stabilisierende Wirkung des Dralls auf die Strömung. Drall ist auch eine Störung, die z. B. Fehler in Messungen von Durchfluss-Messgeräten verursacht. Deshalb ist die Untersuchung ihres Abklingens von einer erheblichen wirtschaftlichen Bedeutung z. B. für Betreiber von großen Rohrleitungen für Brennstoffe und Erdgas. Außerdem stellt das Abklingen der Turbulenz einer drallbehafteten Strömung ein bislang ungelöstes Problem der Turbulenzmodellierung dar. Eine Besonderheit solcher Strömungen besteht darin, dass die Reynolds-Spannungs-Gleichungen bei anfänglich isotroper Turbulenz keinen Produktionsterm aufweisen und keine Aussage darüber liefern, ob der isotrope Zustand unter dem Einfluss des Dralls beibehalten wird und ob die gleichen Abklinggesetze wie in drallfreier Gitterturbulenz gültig sind. Im vorliegenden Projekt werden Turbulenzkorrelationen drallbehafteter turbulenter Scherströmungen werden mit Hilfe der Zweipunkt-Korrelationstechnik und der Invariantentheorie untersucht. Damit sollte es möglich sein, aus existierenden numerischen Datensätzen zusätzliche Informationen zu gewinnen, die für die Entwicklung von Schließungsansätzen notwendig sind. Experimentell sollen das Abklingverhalten einer drallbehafteten Gitterturbulenz und die Entwicklung wandnaher Turbulenz unter dem Einfluss von starkem Drall untersucht werden. Geschwindigkeiten, Turbulenzintensitäten und Momente höherer Ordnung werden mit Hilfe der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) aufgenommen. Die experimentellen Untersuchungen werden in der brechungs-index-angepassten Rohrversuchmessstrecke des LSTM durchgeführt.
Kontakt:Jovanovic, Jovan
Telefon 09131/85 29507, Fax 09131/85 29503, E-Mail: jovan.jovanovic@fau.de

Einsatz der Coriolismassendurchflussmesstechnik in zweiphasigen Strömungen

Projektleitung:Dr. Adrian Melling
Beteiligte:Buelent Uensal
Stichwörter:Zweiphasenströmungen, Durchfluss, Corioliskraft, Messtechnik
Laufzeit:1.1.2000 - 31.12.2002
Inhalt und Ziele:Die Einsetzbarkeit von Coriolismassedurchflussmessgeräten (CMD) in dispersen Flüssigkeit-Feststoff-Strömungen war Thema dieses Vorhabens. Das Verhalten von Partikeln in oszillierenden Rohren des Durchflussmessers wurde analysiert, um die Auswirkungen auf die Dichte- und Massestrommessung zu eruieren. Analytische und numerische Ergebnisse gaben Einblicke hinsichtlich des Partikelschlupfs bei der Durchströmung der schwingenden CMD-Messrohre mit Flüssigkeit-Feststoff-Strömungen. Aussagen für systematische Abweichungen von CMD-Messwerten für Dichte und Massestrom als Funktion der Partikelgröße und der Massebeladungen wurden getroffen. Die theoretischen Prognosen wurden mit einem breiten Spektrum von Partikelsorten und Massebeladungen für konkrete Flüssigkeit-Feststoff-Systeme und eine aktuelle Geräteausführung unter Einsatz einer gravimetrischen Referenzmessung messtechnisch untersucht. Mit dem untersuchten CMD können die höchsten Beladungen für die genaue Bestimmung von Gesamt- und Partialdurchflüssen als Funktion des Dichteverhältnisses und des Partikeldurchmessers bestimmt werden. Durch die Kombination des CMD mit Volumenstrommessgeräten lässt sich ein Messsystem für Suspensionen zusammenstellen, welches höhere Beladungen abdeckt.

Einsatz der Invariantentheorie zur Modellierung des laminar-turbulenten Strömungsumschlags

Beteiligte:apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Jovan Jovanovic
Stichwörter:Turbulenz, Transition, Invarinatentheorie
Laufzeit:26.8.1999 - 30.1.2002
Inhalt und Ziele:Das hier vorliegende Forschungsvorhaben sieht vertiefende experimentelle, numerische und analytische Untersuchungen des laminar-turbulenten Strömungsumschlages wandgebundener Strömungen vor. Für diesen Zweck wurden die Hitzdraht- und Laser-Doppler-Anemometrie für verläßliche, wandnahe Messungen weiterentwickelt, und Computerprogramme dahingehend erweitert, daß Berechnungen transitionaler Strömung möglich werden. Auf der Basis von Ergebnissen aus Voruntersuchungen liegen theoretische und experimentelle Hinweise vor, daß der für wandnahe turbulente Strömungen entwickelte Formalismus auf der Basis der Invariantentheorie auf transitionale Strömungen erweitert werden kann. Die Invarianten, die zur Kennzeichnung der Anisotropie Einsatz finden, sollen Anwendung finden, um die Entwicklung der transitionalen Anfachung von Störungen in Gebiete zweidimensionalen und dreidimensionalen Störungsentwicklungen einzuteilen. Theoretische Erkenntnisse über zwei Komponenten bzw. zweidimensionale Turbulenz sollen zur Anwendung kommen, um das Anfachen von Strömungsschwankungen in diesem Teil des Strömungsgebietes zeitgemittelt zu berechnen. Die Voraussetzungen für Modellierungen der Turbulenzentwicklung in diesem Gebiet liegen vor, so daß das das Ziel der vorgeschlagenen Untersuchungen, eine Modellierung transitionaler Strömungen mit Hilfe der Invariantentheorie, als erreichbar angesehen wird.

Energieeffiziente Trocknung auf der Grundlage lokal-stoffadaptiver Prozessintensivierung am Beispiel der automatisierten Herstellung von Teigwaren

Projektleitung:Dr.-Ing. Frauke Groß, Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Dr.-Ing. Mohamed Hussein
Beteiligte:Prof. Dr.-Ing. Thomas Becker, Dipl.-Ing. Dominik Ulrich Geier
Mitwirkende
Institutionen:
FAU Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Strömungsmechanik
TU München, Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie
Stichwörter:Trocknung; Lebensmittel
Laufzeit:1.2.2016 - 31.1.2018
Inhalt und Ziele:Ziel des Forschungsvorhabens ist es, am Beispiel von Teigwaren eine Prozessführungsstrategie für eine automatisierte Her-stellung zu realisieren, die Produktinhomogenitäten detektiert und reduziert oder beseitigt. Die Detektion der Inhomogenitäten soll durch Rasterung entlang der Trocknungs-kanalbreite mittels eines neuartigen, nicht-invasiven Multisensors erfolgen, der sowohl die Produktfeuchte mittels NIR-Messtechnik als auch die Oberflächentemperatur und die Farbe des Produkt optisch bestimmen kann. Die Optimierung des automatisierten Trocknungsprozesses von Rohpasta erfolgt dann durch Kompensation der Inhomogenitäten der Rohlinge mittels zusätzlicher Düsenströmung von Heißluft entlang der Trocknerbreite. Mit Hilfe von CFD-Simulationen sollen ferner Erkenntnisse über den Trocknungsprozess gewonnen werden, um darauf aufbauend einen neuartigen Trocknungskanal zu konstruieren

Entwicklung einer effizienten und langlebigen Gebläseeinheit für den Einsatz in Pyrolyse-Anlagen

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Dipl.-Ing. Matthias Semel, Oliver Litfin, M. Sc.
Beteiligte:Prof. Dr.-Ing. Philipp Epple
Förderer:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungseinrichtungen
Mitwirkende
Institutionen:
FAU Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Strömungsmechanik
Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg
Rußwurm Ventilatoren GmbH
Stichwörter:Gebläse; Recycling
Laufzeit:1.3.2015 - 1.9.2017
Inhalt und Ziele:Ziel des Projektes ist es eine effiziente, kostengünstige und verschleißarme Gebläseeinheit für den Einsatz in thermischen Recyclinganlagen zur Verwertung von Schredderrückständen (ASR) zu entwickeln. Der LSTM wird hierbei die Entwicklung des Laufrades übernehmen, die Hochschule Coburg die Entwicklung einer für das Laufrad passender Spirale und die Firma Russwurm wird die experimentelle Vermessung von Modellen sowie die Konstruktion und Fertigung von Gebläsen sowohl im Modellmaßstab als auch für die eigentlichen Anlagen übernehmen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht hierbei die Entwicklung von einer Gebläseeinheiten mit hohem Wirkungsgrad und gleichzeitig langer Lebensdauer unter Berücksichtigung des Einflusses der abrasiven Partikel. Hierzu ist es notwendig die Laufräder und das Gehäuse so zu gestalten, dass die Anzahl von Kollisionen von Partikeln mit der Führungsgeometrie reduziert und auf einzelne verstärkte Flächen konzentriert wird. Gleichzeitig soll eine hohe Effizienz und Langlebigkeit der Gebläseeinheit gewährleistet werden.
Kontakt:Delgado, Antonio
Telefon 09131/85 29500, Fax 09131/85 29503, E-Mail: antonio.delgado@fau.de

Entwicklung eines automatischen, selbstlernenden Inline-Systems für die adaptierte und ressourceneffiziente CIP-Reinigung am Beispiel eines Behälters mit gesteuertem Zielstrahlreiniger

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. Jens-Peter Majschak
Beteiligte:Dipl.-Ing. André Boye, Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Dr.-Ing. Frauke Groß
Förderer:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungseinrichtungen
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Mitwirkende
Institutionen:
Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) Außenstelle für Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik Dresden
FAU Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Strömungsmechanik
Stichwörter:Automatisierung; Lebensmittelsicherheit; Reinigung
Laufzeit:1.11.2015 - 30.4.2018
Inhalt und Ziele:Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines selbstlernenden Automatisierungssystems zur Inline-Optimierung von Reinigungsprozessen sowie eine hygienegerechte Integration der dafür notwendigen optischen Sensorik in das Reinigungssystem. Aufgrund der sehr komplexen Problemstellung wird das System zunächst für einen geeigneten Anwendungsfall entwickelt, um die allgemeine Machbarkeit zu demonstrieren. Diesen stellt im beantragten Projekt die Behälterreinigung mithilfe eines gesteuerten Zielstrahlreinigers dar.

Entwicklung eines mobilen umweltfreundlichen Niedertemperatur-Heizsystems durch Einsatz neuartiger textiler Heizmatten und Anwendung der emissionsarmen Porenbrenner-Heiztechnik

Projektleitung:Dr. Dimos Trimis
Beteiligte:Josef Glaß
Förderer:
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Mitwirkende
Institutionen:
STFI (Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. Chemnitz)
Stichwörter:Mobiles Heiysystem, texile Heizmatten
Laufzeit:1.11.1999 - 31.3.2003
Inhalt und Ziele:Die Porenbrennertechnik soll gezielt auf die Bedürfnisse der mobilen Wärmeerzeugung angepasst werden. Diese Technik zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus und eignet sich sehr gut zur Integration in mobile, emissionsarme Systeme. Ausgehend von Prototypen soll ein kompaktes und emissionsarmes Gesamtsystem Brenner-Wärmeerzeuger entwickelt werden, das sich zur mobilen Erzeugung von Niedertemperaturwärme eignet. Hierzu ist insbesondere auf die für mobile Einsätze geforderte Robustheit, Vielstofffähigkeit des Porenbrenners, Anschlussmöglichkeiten und elektrische Leistungsaufnahme zu achten. Diese Untersuchungen und Optimierungen sollen in zunächst mit laborüblichen Wärmeübertragern durchgeführt werden. Im zweiten Projektabschnitt werden die vom Projektpartner STFI (Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. Chemnitz) neuentwickelten textilen Heizmatten mit dem Porenbrennersystem kombiniert, als Gesamtsystem zugelassen und im mobilen Einsatz intensiv getestet.

Entwicklung eines thermischen Durchflussmessers für KROHNE MESSTECHNIK GmbH

Projektleitung:apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Jovan Jovanovic
Beteiligte:Claus Bakeberg
Förderer:
FMP Fluid Measrements and Projects GmbH Baiersdorf
KROHNE Messtechnik GmbH
Stichwörter:Durchflussmesser
Laufzeit:1.1.2003 - 31.12.2004
Inhalt und Ziele:Für die Firma KROHNE Messtechnik GmbH konnten Entwicklungsarbeiten zur Erstellung eines thermischen Massendurchflussmessers durchgeführt werden. Diese Untersuchungen waren in eine Phase I und Phase II aufgeteilt. Die Phase I konnte inzwischen erfolgreich abgeschlossen werden. Seit April 2003 arbeiten die Autoren dieses Zwischenberichts an theoretischen und experimentellen Untersuchungen über die Möglichkeiten, den in der Phase I in einen Vierleitersystem erstellten thermischen Massendurchflusssensor auch als Zeileitersystem herauszubringen. Dies machte Überlegungen zu neuen Sensoren notwendig. Diese Untersuchungen und die Sensoren werden in dem vorliegenden Bericht zusammenfassend beschrieben. Es wird bewiesen, dass beschichtete Hitzdrahtsensoren die Eigenschaften mitbringen, die erfoderlich sind, um die für Einzeldrähte aufzubringende Leistung zu reduzieren. Die bereits in Phase I begonnenen Überlegungen zur Erfassung mechanisch stabilerer Sensoren wurdne fortgeführt. Es wird aufgezeigt, wie es möglich ist, Sensoren mit aureichendem Durchmesser (mechanische Stabilität) mit einer Platinbeschichtung herzustellen, um so die elektrischen Eigenschaften zuerhalten, die leistungsarme Sensoren aufweisen müssen. Es werden Überleungen zu dem Betrieb der Sensoren angestellt, d.h. zur Auslegung der Elektronik, die erfoderlich ist, um die angestrebte Zweileiterdurchflussmesssysteme zu betreiben. Untersuchunge mit dieser Elektronik sind angegeben.
Kontakt:Jovanovic, Jovan
Telefon 09131/85 29507, Fax 09131/85 29503, E-Mail: jovan.jovanovic@fau.de

Entwicklung eines Wandmodells für die Large-Eddy Simulation auf derBasis nichtlinearer DNS-Datenanalyse

Beteiligte:Dipl.-Ing. Dragan Stojkovic
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende
Institutionen:
Prof. Dr. Arkadi Pikovsky, Prof. Dr. Jürgen Kurths, Dr. M. Abel, Institut für Physik, Universität Potsdam u.a.
Stichwörter:Turbulente Strömungen, Large-Eddy Simulation, Wandmodelle, nichtlineare Datenanalyse
Laufzeit:1.11.2000 - 31.10.2003
Inhalt und Ziele:In letzter Zeit wird zur Berechnung turbulenter Strömungen verstärkt die Large-Eddy Simulationstechnik (LES) eingesetzt, wobei beachtliche Fortschritte erzielt wurden. Eine Schlüsseltechnologie, um mit LES auch praktisch relevante, wandgebundene Strömungen bei hohen Reynoldszahlen simulieren zu können, ist die geeignete Behandlung des wandnahen Bereiches. Bei der Verwendung der Stokesschen Haftbedingung ist in Wandnähe eine DNS-ähnliche Gitterauflösung erforderlich, die zu unakzeptabel hohen Rechenzeiten führt. Nur wenn es gelingt, den wandnahen Bereich durch eine geeignete Modellierung ohne extrem feine Gitternetze zu beschreiben, wird sich die LES-Technik für technisch relevante Strömungen langfristig einsetzen lassen. Das Ziel dieses Projektes ist daher die Entwicklung eines Wandmodells für die LES. Dazu soll das Strömungsfeld in einen wandnahen Bereich und einen Kernbereich unterteilt werden. Der wandnahe Bereich soll im Gegensatz zum Einsatz der Stokesschen Haftbedingung nicht aufgelöst werden, sondern es sollen geeignete Approximationen für den Spannungs- und Feinstruktur-Spannungstensor gefunden werden, die am gewählten Integrationsrand den Einfluß des nicht aufgelösten Bereiches auf den Kernbereich beschreiben. Um ein solches Wandmodell zu entwickeln, wird in diesem Projekt die große Erfahrung der Ingenieure auf dem Gebiet der numerischen Simulation turbulenter Strömungen mit den neuesten Methoden der nichtlinearen Datenanalyse aus der statistischen Physik vereint. Konkret ist geplant, die Untersuchungen zunächst anhand der voll entwickelten, turbulenten Kanalströmung zwischen zwei ebenen Platten durchzuführen. Dieser Strömungsfall wurde aufgrund seiner einfachen Geometrie und der Vermeidung von Ein- und Ausströmbedingungen bereits vielfach mittels DNS simuliert und stellt daher eine hervorragende Ausgangsbasis für das Projekt dar. Die DNS-Daten der Kanalströmung werden von den Ingenieuren bereit gestellt, bzw. falls erforderlich, neu erzeugt und von den Physikern mittels einer nichtlinearen Datenanalyse im statistischen Sinne ausgewertet. Mit Hilfe dieser modernen Analysetechnik soll ein geeignetes Wandmodell aufgestellt werden. Das Modell wird in einen vorhandenen LES-Code implementiert und in A-Posteriori-Tests mit DNS-Rechnungen bzw. bekannten Modellen verglichen. Dies wird die notwendige Rückkopplung für die Weiterentwicklung des Wandmodells liefern, so daß nach einigen Iterationen ein verfeinertes Modell zu erwarten ist. Langfristig ist geplant, auch andere Strömungsfälle (mit Ablöse- und Rückströmgebieten) zu analysieren und das entwickelte Modell hierfür zu erweitern. Um die Einsetzbarkeit zu prüfen, wird auch hier die wechselseitige Aufstellung und Überprüfung des Modells anhand von LES-Rechnungen unbedingt erforderlich sein. Daraus wird klar, daß keine der Gruppen imstande ist, das Problem im Alleingang zu lösen. Nur in Form dieser interdisziplinären Initiative der Physik und der Ingenieurwissenschaften kann die anspruchsvolle Aufgabenstellung angegangen werden, wobei beide Disziplinen wechselseitig von einander lernen werden.

Entwicklung innovativer Baustoffe - Hochleistungsbeton und Spezialbauwerkstoffe auf Mörtelbasis

Projektleitung:Prof. Dr. Peter Brunn
Beteiligte:Dipl.Ing. J.Tyrach
Mitwirkende
Institutionen:
PCI Augsburg GmbH
SKW Trosrberg AG
Lehrstuhl für makromolekulare Stoffe der TU München
Lehrstuhl für anorganische und analytische Chemie der TU München
Fa. Paar-Physica
Stichwörter:Kugelmeßsystem, Verdrängungsströmung, Baustoffe, Rheologie
Laufzeit:1.6.1998 - 1.5.2000
Inhalt und Ziele:Mit einem selbsgebauten Gleitwagen sowie in einer Torsionsströmung konnte mit der Farbfadenmethode gezeigt werden, daß flüssige Baustoffe. in scheinbar viskosimetrischen Strömungen (d.h. Schichtenströmungen) Wandgleiten, Rißbildung und innere Gleitschichten zeigen (wie es von anderen hochgefüllten Systemen her bekannt ist). Um überhaupt rheologische Aussagen zu erhalten wurde das Konzept einer exzentrisch rotierende Kugel herangezogen, bei der eine Verdrängungsströmung vorliegt. Die Kalibrierung des Meßsystems (das inzwischen kommerziell erhältlich ist) erfolgte derart, daß sich für klassische nicht-Newtonsche Flüssigkeiten (wie z.B. Polymerlösungen) die bekannten Fließkurven ergeben. Die zementären Baustoffsysteme: Zementleim (plus Additive), Fließestrich und Fliesenkleber, die ja alle in flüssiger Form verarbeitet werden, wurden dann mit diesem System untersucht. Da diese standfest sind müssen die Messungen innerhalb einer Umdrehung abgeschlossen sein. Zusätzlich verlangt das zeitliche Verhalten das genaue Einhalten eines Meßprotokolls und selbst die Anrührmethode hat Einfluß auf das Ergebnis. Für die unter anwendungstechnischen Aspekten untersuchten Systeme konnte ein deutlicher Erkenntnisgewinn erzielt werden.

Experimentelle Grundlagenuntersuchungen zur Strömungsmechanik in Blasensäulen (Projekt Br 1046/6-1 bis -4 im DFG-Schwerpunktprogramm 1018 "Analyse, Modellbildung und Berechnung mehrphasiger Strömungen")

Projektleitung:PD Dr. Günter Brenn
Beteiligte:Vladimir Kolobaric
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende
Institutionen:
Institut für Verfahrenstechnik, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Stichwörter:Blasensäulen, Zweiphasenströmung, Phasen-Doppler-Anemometrie, Schlupfgeschwindigkeit
Laufzeit:1.5.1996 - 1.4.2003
Inhalt und Ziele:Blasensäulen sind chemische Reaktionsapparate mit vielfältigen Einsatzgebieten von der Gasbefeuchtung bis zu katalytischen Reaktionen. Das vorliegende Projekt behandelte in seinem ersten Teil die Strömungsmechanik einer Modell-Blasensäaule durch Vermessung des zweiphasigen Strömungsfeldes mittels Phasen-Doppler-Anemometrie. Dieses Meßverfahren ist nur auf Strömungen mit kugelförmigen Partikeln anwendbar und kann daher nur in Modellströmungen mit kleinen Blasen angewandt werden. Wichtigste Ergebnisse sind u.a. die mittleren Schlupfgeschwindigkeiten zwische n Blasen und Flüssigkeit in der Strömung, die den Stoffaustausch zwischen beiden Phasen wesentlich beeinflussen, und die Verteilung von Blasengröße und Fluktuationsfrequenzen in der Strömung. Der zweite Teil des Projektes, der derzeit bearbeitet wird, behandelt die Erzeugung von turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen in der Flüssigkeit durch die Bewegung der Blasen. Diese Untersuchungen werden mit realitätsnäheren Blasenströmungen durchgeführt, die durch Blasengrößen von mindestens 5 mm und Gasgehalten von bis zu 7 % gekennzeichnet sind. Als Ergebnis dieser Untersuchungen wird eine möglichst allgemeine Aussage über die Erzeugung von Turbulenz in der Flüssigkeit durch die Blasenbewegung angestrebt. Die hierfür eingesetzten Meßtechniken sind die Laser-Doppler-Anemometrie und die PIV/LIF-Technik. Bisher konnten bekannte Zusammenhänge zwischen Turbulenzintensität und Gasgehalt bestätigt werden.
Kontakt:Telefon 09131/85 29501

Experimentelle Untersuchung der diskreten Absaugung durch Einzelocharrays

Projektleitung:PD Dr.-Ing. Stefan Becker
Beteiligte:Dipl.-Ing. Hermann Lienhart, Joao Pego
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Stichwörter:Transition, Laminarhaltung, Grenzschichtabsaugung Validierung, Referenzdaten
Laufzeit:1.12.1999 - 30.11.2002
Inhalt und Ziele:Für die passive Laminarhaltung der Grenzschicht an Flügeln für Großraumflugzeugen reicht die Laminarhaltung durch Formgebung, wie sie schon seit langem erfolgreich bei Segelflugzeugen eingesetzt wird nicht aus. Es ist erforderlich bei derart transsonischen gepfeilten Flügeln eine Absaugung im Nasenbereich vorzunehmen. Dieses Konzept der Hybrid Laminarhaltung (Hybrid Laminar Flow Control) wird realisiert durch eine an die äußere Druckverteilung angepasste Absaugung durch Lochbleche, womit eine Stabilisierung der Grenzschicht erreicht wird. Dennoch sind viele Einzelheiten des physikalischen Verhaltens der Strömung über Lochblechen mit ihren möglichen Auswirkungen auf die Stabilität und ihre Störungserzeugung noch weitgehend unklar. So fehlen umfassende Erkenntnisse wie z.B. über lokale Auswirkungen konzentriert hoher Absaugevolumenströme, über den Einfluss von Lochunregelmäßigkeiten, sowie über die gegenseitige Beeinflussung von Lochreihen und deren Wirkung auf die Rezeptivität der Grenzschicht. Ziel der geplanten experimentellen Untersuchungen ist es nun, die bisher erzielten Erkenntnisse über die Strömungstopologie an einer Einzellochabsaugung zu erweitern auf Lochreihen mit verschiedenem Lochabstand und auf Einzellocharrays. Von besonderem Interesse ist dabei der Absaugemenge auf die Rezeptivität der Grenzschicht. Die Untersuchungen werden durchgeführt in einer zweidimensionalen Blasiusgrenzschicht. Betrachtet wird bei den experimentellen Arbeiten unterschiedliche Absaugeraten, wobei ein detaillierter Einblick über die physikalischen Mechanismen der Transitionsbeschleunigung bzw. -verzögerung in Abhängigkeit von der Absaugemenge erhalten wird. Die Untersuchungen stehen im Zusammenhang zu direkten numerischen Simulationen und dienen gleichzeitig als Benchmarktest.

Filmströmungen auf unebenen Substraten

Projektleitung:Prof. Dr. Hans Raszillier
Beteiligte:Dr. Norbert Alleborn
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Stichwörter:Dünnfilmgleichungen, Filmströmungen, unebene Substrate, verfahrenstechnische Anwendungen
Laufzeit:1.7.2001 - 30.6.2002
Inhalt und Ziele:Das Projekt hat die Herleitung von Näherungsgleichungen für die Strömung dünner Filme Newtonischer Flüssigkeiten auf unebenen Substraten aus den fluiddynamischen Grundgleichungen zum Gegenstand, als Rahmenstellung für die Untersuchung von Filmströmungen in verfahrentechnischem Zusammenhang und für die Entwicklung effizienter numerischer Werkzeuge dazu. Dabei werden ins Auge gefasst:
  • Die Systematik der Herleitung für allgemeine Substratprofile,

  • das Einbeziehen der Kapillar-, Molekular- und Schwere-Effekte,

  • das Einbeziehen mehrschichtiger Filme,

  • der Ansatz zum Einbeziehen von Trägheitseffekten,

  • das Einbeziehen von Wärme- und Stofftransport, sowie der Dynamik oberflächenaktiver Substanzen.

Angestrebtes Ziel ist es dabei, ein breites, an spezifische Gegebenheiten gut angepasstes Spektrum von Dünnfilmgleichungen zu erhalten, von angemessener Flexibilität im Einsatz zur Behandlung praxisnaher Filmströmungen in der Verfahrenstechnik.

FLOWNOISE - Numerische Simulation von strömungsinduziertem Schall

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. Reinhard Lerch, Prof. Dr. Ulrich Rüde
Beteiligte:Dr. Gunther Brenner, PD Dr. Manfred Kaltenbacher
Förderer:
KONWIHR - Kompetenznetzwerk für Technisch-Wissenschaftliches
Mitwirkende
Institutionen:
Lehrstuhl für Sensorik, FAU
Lehrstuhl für Informatik X, FAU
Stichwörter:Numerische Simulation, Strömungsmechanik, Hochleistungsrechnen, Akustik, Strömungsinduzierter Lärm
Laufzeit:1.7.2002 - 30.6.2004
Inhalt und Ziele:Das Ziel des vorliegenden Projektes besteht in der Bereitstellung einer Simulationsumgebung für praktische relevante Problemstellungen aus dem Bereich der Aeroakustik. Die zugrundeliegenden partiellen Differentialgleichungen werden einerseits mit Hilfe der Finite-Volumen-Methode (Strömung) und andererseits mit der Finite-Elemente-Methode (Akustik) gelöst. Es wird die akustische Analogie nach Lighthill verwendet. Die daraus abgeleitete nichthomogene Wellengleichung wird im Zeitbereich gelöst, wobei der oft breitbandige Strömungslärm effizient berechnet werden kann. Dies ermöglicht die direkte Kopplung zwischen Akustik- und Strömungsberechnung. Das Verfahren soll anhand von bekannten Testfällen validiert werden und anschließend zur Untersuchung von prototypischen, industriellen Anwendungen genutzt werden.

FlowNoise. Entstehung und Ausbreitung von Schall, Einsatz moderner experimenteller und numerischer Methoden

Projektleitung:PD Dr.-Ing. Stefan Becker
Beteiligte:Irfan Ali
Förderer:
Bayerische Forschungsstiftung
Mitwirkende
Institutionen:
Lehrstuhl für Sensorik, Universität Erlangen
Stichwörter:Strömungsmechanik, Akustik
Laufzeit:1.1.2004 - 31.12.2005
Inhalt und Ziele:Die Thematik der gewollten Erzeugung, der parasitären Entstehung und der Ausbreitung von strömungsinduzierten Geräuschen gewinnt heutzutage in zunehmendem Maße an Bedeutung, nicht zuletzt da Lärm ein wesentlicher Stressfaktor in unserer industrialisierten Umwelt ist. Dieser Trend wird durch die stete Weiterentwicklung und Zunahme des Automobil- und Zugverkehrs sowie die Verbreitung von Geräuscherzeugern an Arbeitsplätzen in Form verschiedenster Anlagen und Geräte verstärkt. Unter der Vielzahl von Lärmursachen stellt der Strömungsinduzierte Lärm eine besondere Herausforderung dar. Er ist schwierig zu beschreiben und zu kontrollieren, da die zugrundeliegenden physikalischen Phänomene sehr komplex und nur schwer zu quantifizieren sind. Die mathematischen Grundlagen der Aeroakustik, mit denen obige Phänomene beschrieben werden können, wurden schon in den 50er Jahren von Lighthill gelegt. Die Forschung blieb jedoch in der Folgezeit lange bei theoretischen Überlegungen und der Feststellung von Scaling Laws stehen. Obwohl die Theorien von Lighthill in die Ingenieurpraxis umgesetzt werden konnten, können sie nur eine ungefähre Abschätzung der Größenordnung des Lärmpegels erbringen. Ziel des vorliegenden Projektes ist es nun, basierend auf den numerischen und experimentellen Erfahrungen des Lehrstuhls für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg (LSTM-Erlangen) und des Lehrstuhls für Sensorik der Universität Erlangen-Nürnberg (LSE-Erlangen) auf dem Gebiet der experimentellen und numerischen Akustik, Methoden zur Bestimmung von Schall in Strömungen bereit zu stellen, um grundlegende Phänomene der Aeroakustik zu erforschen und damit den Grundstein zur Lösung praktischer Probleme zu legen.

Fluid-Struktur-Wechselwirkungen im Bauwesen - Numerische Simulation mit Höchstleistungrechnern (FLUSIB)

Beteiligte:Markus Glück
Förderer:
KONWIHR Kompetenznetzwerk für Technisch-Wissenschaftliches Hoch- und Höchstleistungsrechnen in Bayern
Mitwirkende
Institutionen:
Prof. Dr. rer. nat. E. Rank, Lehrstuhl für Bauinformatik, TU München, Sofistik AG, München
Stichwörter:Strömungsmechanik, Strukturmechanik, Fluid-Struktur-Wechselwirkung
Laufzeit:1.9.2000 - 31.8.2003
Inhalt und Ziele:Das Ziel des KONWIHR-Projekts FLUSIB ist es, ein verbessertes Simulationsverfahren für gekoppelte Fluid-Struktur-Probleme aus dem Bauingenieurwesen zu entwickeln. Die Wechselwirkung zwischen Fluid und Struktur spielt bei zahlreichen Fragen im Bauwesen, z.B. bei dynamischen Untersuchungen im Hochbau oder bei Offshore-Konstruktionen eine wichtige Rolle. Aufgrund der Bedeutung der Thematik haben die Antragsteller diverse Projekte bereits eingeworben, um die durch die numerischen Methoden gegebenen Möglichkeiten zu nutzen, Fluid-Struktur-Wechselwirkungen zu untersuchen. Die vorhandenen Vorarbeiten sollen in KONWIHR in zwei Richtungen weiter vorangetrieben werden. Zum einen soll auf der strukturmechanischen Seite die bisherige Beschränkung auf dünne Flächentragwerke überwunden und durch die Weiterentwicklung des FE-Lösers auch echte Volumenelemente zugelassen werden. Zum anderen soll auf der strömungsmechanischen Seite ein verbesserter Ansatz zur Simulation turbulenter Strömungen (LES) implementiert werden, der eine realistischere Beschreibung der Fluiddynamik verspricht. Die im Projekt zu untersuchende Problemstellung ist sehr komplex und auf jeden Fall interdisziplinär. Nur durch gemeinsame Anstrengungen von Strömungsmechanikern, Strukturmechanikern und Informatikern ist das Thema der Fluid-Struktur-Kopplung zu lösen. Das Projekt soll einen Beitrag zur generellen Lösung dieser schwierigen Aufgabenstellung liefern. Gleichzeitig soll sichergestellt werden, daß die im Projekt eingesetzten Techniken mittel- bis langfristig auch in die Lehre und Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses Eingang finden. Gekoppelte Fluid-Struktur-Simulationen für praxisrelevante Probleme aus dem Bauingenieurwesen stellen eine Aufgabenstellung dar, die höchsten wissenschaftlichen Ansprüchen genügt und die vor allem bezüglich der Anforderungen an Rechenleistung kaum noch zu überbieten ist 'Grand Challenge of HPC'. Daher läßt sich die Problemstellung nur sinnvoll angehen, wenn `High-Performance Computing'-Techniken eingesetzt werden. Die Antragsteller haben auf diesem Gebiet bereits umfangreiche Erfahrungen gesammelt. Damit liegen hervorragende Voraussetzungen vor, die geplanten aufwendigen Simulationen u.a. auch auf dem am LRZ München installierten Bundesrechner (Hitachi SR 8000-F1) durchzuführen. Dieser wird die benötigten hohen Rechenleistung zur Verfügung stellen können.

Funktionsmuster einer industriellen Produktions- und Fraktionierungsanlage (Fett+Protein) von Insekten

Beteiligte:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Dr.-Ing. Frauke Groß, Rolf-Michael Blume
Förderer:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungseinrichtungen
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Mitwirkende
Institutionen:
Internationale Forschungsgemeinschaft Futtermitteltechnik e.V. - IFF
Stichwörter:Insekten; Futtermittel; Proteine
Laufzeit:1.10.2015 - 30.9.2017
Inhalt und Ziele:Die wachsende Weltbevölkerung und der folglich wachsende Bedarf an Lebensmitteln erfordert die Erschließung neuer Rohstoffe für die Fütterung von Nutztieren, aus denen Lebensmittel tierischer Herkunft produziert werden. Als Quellen, die nicht in direkter Konkurrenz zur menschlichen Ernährung stehen, können Insekten gesehen werden. Diese sollen gezüchtet und zu Futtermitteln verarbeitet werden. Im vorliegenden Vorhaben wird folglich der gesamte Weg von Züchtung der Insekten bis zur Herstellung von Futtermittel im Fokus, wobei die Ergebnisse der vorangegangenen Untersuchung genutzt werden, um dies optimal umzusetzen. Um ausreichende Mengen an Insekten herstellen zu können, ist die Automatisierung der Züchtung notwendig, die im vorliegenden Vorhaben realisiert werden soll. Dabei ist bei der zugehörigen Tötung der Insekten das Tierwohl strikt zu beachten. Ein weiterer Schritt liegt in einer effizienten Vorverarbeitung der Insekten. Diese müssen, aus Gründen der weiteren Verarbeitungsfähigkeit und Lagerbarkeit, fraktioniert, d. h. in Protein- und Fettfraktion aufgeteilt, und anschließend getrocknet werden. Insbesondere der letzte Schritt ist energetisch aufwendig, so dass die Abstimmung der Vor- und Weiterverarbeitungsschritte eine wesentliche Rolle spielt, um den Gesamtprozess energetisch effizient zu gestalten. Die Insektenfraktionen werden hier zu einem pelletierten Mischfutter verarbeitet. Die Bewertung der Mischfutterqualität erfolgt durch chemische, physikalische und ernährungsphysiologische Untersuchungen. Die Ergebnisse sollen Bestrebungen zur rechtlichen Zulassung von Insektenfraktionen für die Fütterung von Nutztieren unterstützen. Unternehmen der Mischfutterbranche können aufgrund der Ergebnisse Rezepturen unter Nutzung insektenbasierter Rohstoffen entwickeln. Für Insektenzüchter ergibt sich die Möglichkeit, die Erkenntnisse zur Automatisierung für den Gesamt- oder einzelne Teilprozesse zu nutzen.

Gekopplete Raum-/Zeitanalyse turbulenter Strömungsstrukturen mittels direkter numerischer Simulation

Beteiligte:Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Frank Schäfer
Förderer:
DFG
SFB 603
Stichwörter:Raum-/Zeitanalyse, DNS
Laufzeit:1.1.2004 - 31.12.2006
Inhalt und Ziele:Direkte numerische Simulationen (DNS) turbulenter Strömungen liefern riesige Datenmengen, deren Speicherung, Visualisierung und Analyse eine große Herausforderung darstellt. Für typische Problemgrößen im Bereich von etwa 107 Kontrollvolumen und 104 Zeitschritten ergeben sich Datenmengen im Terabyte- Bereich, die zurzeit selbst auf leistungsfähigen Rechnern nicht weiterverarbeitet werden können. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, Methoden zur Analyse, Reduzierung und Visualisierung der riesigen Datenmengen zu erarbeiten. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt dabei auf der automatischen Analyse der Simulationsdaten. Dazu sollen innerhalb des Simulationsprogrammes kohärente Strukturen aus dem turbulenten Strömungsfeld extrahiert und die Strömungsdaten auf diese Weise komprimiert werden.
Kontakt:

Gestaltung der Eigenschaften expandierter stärkebasierter Produkte mittels Hochgeschwindig­keits­extrusion auf der Grundlage einer neuronumerischen Prozessführungsstrategie

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. Heike P. Schuchmann, Prof. Dr. Norbert Willenbacher, Dipl.-Ing. Mario Horvat, Dr.-Ing. Bernhard Hochstein, Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Prof. Dr.-Ing. Cornelia Rauh
Beteiligte:M. Sc. Alessandro Cubeddu
Förderer:
Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI), Bonn
Mitwirkende
Institutionen:
Lebensmittelverfahrenstechnik, Karlsruhe Institute of Technology (KIT) - Universität Karlsruhe (TH)
Angewandte Mechanik, Karlsruhe Institute of Technology (KIT) - Universität Karlsruhe (TH)
Lehrstuhl für Strömungsmechanik, FAU Erlangen-Nürnberg
Stichwörter:Hochgeschwindigkeitsextrusion, Prozessführung, Prozessdesign, stärkebasierte Produkte
Laufzeit:1.11.2009 - 31.10.2012
Inhalt und Ziele:Das erste Hauptziel dieses Forschungsvorhabens besteht in einer experimentellen, aus Produktsicht modellhaften Beschreibung der Auswirkung technisch neu zugänglicher Extrusionsparameter (Hoch-geschwindigkeitsextrusion, Drehzahlen bis zu 1800 min-1) auf die Expansion kochextrudierter stärkebasierter Produkte und ausgewählter, durch die Expansion bedingter, konsumentenrelevanter Produkteigenschaften. Die dabei betriebene Sammlung von Informationen zum Produkt und Prozess dient zugleich der Realisierung des zweiten Hauptziels dieses Vorhabens, nämlich der Erarbeitung einer selbstlernenden, intelligenten Prozessführungsstrategie, die es ermöglichen soll, Hochgeschwindigkeit-sextrusionsprozesse kosteneffizient auszulegen und stabil zu führen sowie Produkte auch aus neuen Rohstoffen zielgerichtet zu entwickeln. Dies soll es anwendenden Industrieunternehmen aus der Lebensmittelbranche ermöglichen, das wirtschaftliche Potential einer innovativen Technologie aus der Kunststoffbranche zu nutzen und evtl. sogar für Produktinnovationen einsetzen zu können (wirtschaftliche Zielsetzung). Konkrete innovative Beiträge sind der erstmalige Einsatz der Hochgeschwindigkeitsextrusion bei der Lebensmittelproduktion, die verbesserte, verständnisbasierte Beschreibung der Entstehung poröser Strukturen bei der Expansion kochextrudierter stärkebasierter Produkte und damit die Möglichkeit, konsumentenrelevante, mit der Expansion verknüpfte Produkteigenschaften gezielt steuern oder neue, gesundheitsfördernde Rohstoffe ohne stark ressourcenbindende Produktentwicklungsprozesse einsetzen zu können, die erstmalige Online-Messung der benötigten viskoelastischen Stoffeigenschaften bei Düsenaustritt unter Hochgeschwindigkeits-Kochextrusionsbedingungen, die erstmalige Simulation des spatio-temporalen Transports von Masse, Impuls und Energie in ausgewählten Schneckenelementen für viskoelastische Lebensmittelprodukte, die erstmalige Verwendung einer hybriden neuronumerischen Prozessführungsstrategie bei der Extrusion komplexer Materie und damit die erstmalige Nutzung eines lernfähigen Algorithmus bei der Lebensmittelextrusion als Grundlage der Prozessdiagnose, -prognose und -optimierung und damit die Chance, die Ressourcenbindung in Produktentwicklungsprozessen deutlich zu reduzieren.
Kontakt:Delgado, Antonio
Telefon 09131/85 29500, Fax 09131/85 29503, E-Mail: antonio.delgado@fau.de

HIMOCAT (High Modulation, High Efficiency and Low Emission Boilers for Household Application Based on Premixed Catalytic Burners)

Projektleitung:Dr. Dimos Trimis
Beteiligte:Klemens Wawrzinek
Förderer:
European Community (ENERGY Programme)
Mitwirkende
Institutionen:
Italgas (Koordination)
Gaz de France
Politecnico di Torino
CNRS
INFRAGAS
Butagas
SIT - La precisa
IKERLAN
Merloni Termosanitari
Acotech
Ecoceramics
Stichwörter:Katalytische Verbrennung, Emissionen, Heiztechnik, Gasartenerkennung
Laufzeit:1.2.2000 - 31.5.2003
Inhalt und Ziele:Ziel dieses Projektes ist es, auf der Basis von katalytischen Gasbrennern eine Brennwerttherme zu entwickeln, die den strengsten Emissionsgrenzwerten entspricht und eine Leistungsdynamik von 10:1 erreicht. Es werden sowohl auf feine keramische Schäume als auch auf Metallvliese Edelmetall- und perovskitische Katalysatoren aufgeprägt, die im unteren Leistungsbereich des Brenners eine katalytische Umsetzung des Brenngemisches sicherstellen sollen, um die Emissionen der Verbrennung zu minimieren. Im oberen Leistungsbereich wird das Brenngemisch noch teilweise katalytisch verbrannt, der größte Teil der Reaktionen läuft jedoch in freien Flammen ab. Parallel zur Brennerentwicklung werden auch die notwendigen Peripheriekomponenten wie Gebläse, Gas-Luft-Mischer, Gaseinheit etc. weiterentwickelt. Dem LSTM kommt dabei die Aufgabe zu, die Mischung des Brenngases mit Luft und deren Verteilung über der Brennerfläche über den gesamten Leistungsbereich optimal zu gestalten. Weiterhin wird ein am LSTM entwickeltes Sensorprinzip optimiert und angepasst, um die Auswirkungen einer Brenngasänderung abzufangen. Dies ist besonders bei katalytischen Brennern von Interesse, da so kritische Überhitzungen vermieden werden können. Komponenten wie Zündung und Flammenüberwachung müssen dem katalytischen Brenner angepasst werden. Weiterhin hat der LSTM die Aufgabe, die Wärmezelle, d. h. den Brenner und dessen Halterung sowie den Wärmeübertrager, möglichst weit zu integrieren, um eine kompakte Bauweise zu erreichen.

Infrared absorption spectrometer for tracehumidity measurement in gases

Projektleitung:Dr. Adrian Melling
Beteiligte:Bernd Schirmer
Förderer:
European Union (Standards, Measurement and Testing)
Mitwirkende
Institutionen:
National Physical Laboratory, Teddington. GB
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, DE
Instituto Nacional de Técnica Aerospacial, Madrid, ES
Nederlands Meetinstituut, Delft, NL
SAES Getters S.p.A., Milan, IT
Stichwörter:humidity, absorption spectroscopy
Laufzeit:1.2.1997 - 31.1.2000
Inhalt und Ziele:An infrared absorption spectrometer was developed for measuring trace humidity in gases at levels down to 0.1 ppb at atmospheric pressure. The instrument was intended for national accredited laboratories as a transfer standard and as an on-line trace moisture monitor in industry. The tunable diode laser spectrometer permits fast quantitative humidity measurements. A robust opto-mechanical layout ensures stable performance so that optical realignment is unnecessary for several months. Active laser frequency control and compensation for transmission and temperature changes ensures reproducibility of the concentration readings.
A high frequency modulation scheme for the sensitive detection of small absorptions of near infrared diode laser radiation was tested and implemented. A compact optical multipass cell, suited for sampling trace moisture concentrations, was developed and a control software for the signal evaluation and the complete automation of the system was written. The sytem was tested and calibrated in the range 0.3 ppm to 100 ppm yielding a deviation of less than 2 % from the calibration curve. With optimised detection electronics the system detection limit would be less than 30 ppb. A fast response time was achieved in comparison with chilled mirror hygrometers. The independence of the spectrometer from the carrier gas or other gases present was demonstrated.

Kombination von NMR-Messungen und Lattice-Boltzmann Simulationen zur Untersuchung von Transportprozessen in Schüttungen

Projektleitung:Dr. Thomas Zeiser
Beteiligte:Dr. Thomas Zeiser
Förderer:
DFG
AvH
Mitwirkende
Institutionen:
Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (Prof. Buggisch),
Lehrstuhl Technische Chemie I (Prof. Emig), Universität Erlangen-Nürnberg
Stichwörter:NMR-Messungen, Lattice-Boltzmann, Schüttungen
Laufzeit:1.1.2003 - 31.12.2004
Inhalt und Ziele:Lattice Boltzmann Verfahren werden am LSTM-Erlangen seit Jahren für die Untersuchung von Transportprozessen in komplexen Geometrien angewendet. In vorausgegangenen Projekten konnte eine umfangreiche Validierung der Simulationsergebnisse auf globaler Ebene (z.B. globaler Druckverlust) mit Daten aus der Literatur durchgeführt und auch der starke Einfluss der lokalen geometrischen Struktur gezeigt werden. Um lokale Größen (z.B. lokale Übergeschwindigkeiten) vergleichen zu können, muss im Experiment und der Simulation exakt die gleiche geometrische Struktur untersucht werden. Man benötigt also geeignete experimentelle Verfahren, welche die geometrische Struktur nicht-invasiv dreidimensional digitalisieren können und auch lokale Strömungsmesswerte liefern. Transportprozesse in Schüttungen sind für eine Vielzahl natürlicher und technischer Prozesse von entscheidender Bedeutung. Aufgrund der komplexen Wechselwirkung der lokalen Transportvorgänge mit den (meist unbekannten) geometrischen Strukturen ist eine genaue Vorhersage und Quantifizierung der Transportprozesse in der Praxis sehr schwierig. Man benutzt daher in der Praxis meist empirische Korrelationen mit experimentell bestimmten Parametern ähnlicher Konfigurationen. Durch eine Vielzahl von Simulationen und Messungen sollen die lokalen Prozesse und deren Wechselwirkung mit der Struktur besser verstanden werden. Der so erhaltene Datenpool soll auch für die Erstellung verbesserter Korrelationsbeziehungen genutzt werden. Da Messungen in komplexen Geometrien sehr aufwendig sind, ist eine Ergänzung mit Simulationen sehr gewinnbringend.
Kontakt:Zeiser, Thomas
Telefon 09131 85-28737, Fax 09131 302941, E-Mail: thomas.zeiser@fau.de

Lattice Boltzmann Automaten zur Simulation von turbulenten Strömungen

Projektleitung:Dr. Thomas Zeiser
Beteiligte:Peter Lammers
Förderer:
KONWIHR
Stichwörter:Lattice-Boltzmann Automaten, turbulente Strömungen
Laufzeit:1.1.2000 - 31.12.2003
Inhalt und Ziele:Am LSTM wird seit einigen Jahren an der Entwicklung von CFD-Software (BEST ) auf der Basis der Lattice Boltzmann Automaten gearbeitet. Motiviert werden diese Arbeiten durch die Beobachtung, dass sich diese Verfahren bei Strömungen in Strukturen mit hoher Porosität gegenüber Finite-Volumen Verfahren als vorteilhafter erweisen. Durch die Lattice Boltzmann Automaten steht somit am Lehrstuhl ein alternativer Lösungsansatz für die Simulation newtonscher Fluide zur Verfügung. Eingesetzt werden soll dieses Verfahren sowohl in der strömungsmechanischen Grundlagenforschung als auch in industriellen Entwicklungsprozessen mit strömungsmechanischen Problemstellungen, da der Einsatz von CFD Software auch hier immer größere Bedeutung gewinnt. Die Lattice Boltzmann Automaten (LBA) bieten von ihren spezifischen Eigenschaften her die Möglichkeit, sowohl das oftmals aufwendige Preprocessing zu vereinfachen, als auch turbulente Strömungsprobleme effizient zu berechnen. Die am LSTM erstellte LBA-Implementierung BEST soll zu einem Programmpaket erweitert werden, mit dem Berechnungen für industrielle Anwendungen in den Bereichen Kraftfahrzeugbau und Chemieingenieurwesen durchgeführt werden können.
Kontakt:Zeiser, Thomas
Telefon 09131 85-28737, Fax 09131 302941, E-Mail: thomas.zeiser@fau.de

Lebensmitteltechnologische Potentiale der innovativen, ressourcen- und produktschonenden Gashydrattechnologie am Beispiel der Konzentrierung von ausgewählten Säften"

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado
Beteiligte:Prof. Dr.-Ing. Cornelia Rauh
Förderer:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungseinrichtungen
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Mitwirkende
Institutionen:
Forschungskreis der Ernährungsindustrie e. V.
Stichwörter:Fruchtsäfte; Konzentrierung
Laufzeit:1.4.2017 - 31.3.2019
Inhalt und Ziele:Ziel des Forschungsvorha-bens ist es, am Beispiel von Fruchtsäften (Apfel-, Orange- und Sanddornsaft) zu untersuchen, ob sich die Gashydrattechnologie zur Konzentrierung von flüssigen Le-bensmitteln eignet. Dabei soll CO2 als Arbeitsmedium eingesetzt werden und eine Prozessbewertung und -optimierung hinsichtlich der Effizienz des Material- und Energieeinsatzes unter besonderer Berücksichtigung der Produktqualität und des Scale-ups erfolgen. Dies geschieht systematisch im Vergleich zu etablierten Verfahren und unter besonderer Berücksichtigung von Prozessvariationen, welche mithilfe einer globalen und lokalen Modellierung abgebildet werden sollen. Dazu wird im Rahmen des Vorhabens außerdem quantifiziert, wie sich unterschiedliche Prozessbedingungen auf die Produktqualität auswirken und welche Prozessierungsansätze auch auf größere Maßstäbe übertragen werden können und damit für den industriellen Einsatz geeignet sind. Hierdurch schafft das Vorhaben belastungsfähige Grundlagen für das Design gashydratbasierter Verfahren und Produkte mit besonderer Eignung für einen Einsatz in KMU.

Lokal hochaufgelöste wandnahe Messungen turbulenter Strömungsgrößen bei hohen Reynoldszahlen

Projektleitung:PD Dr.-Ing. Stefan Becker
Beteiligte:G. Yamanaka
Förderer:
DFG
Mitwirkende
Institutionen:
LZH Hannover
Stichwörter:Strömungsmechanik, Messtechnik, Turbulenz
Laufzeit:1.1.2004 - 31.12.2005
Inhalt und Ziele:Turbulente Wandgrenzschichten bei hohen Reynoldszahlen sind bis heute unzureichend untersucht, da verlässliche Berechnungen und/oder zuverlässige Messungen räumliche Auflösungen in Wandnähe verlangen, die bis heute nicht erreichbar sind. Hitzdrahtuntersuchungen stellen die erforderliche räumliche Auflösung bereit, jedoch zeigen sie in Wandnähe zusätzliche Wärmeverluste, die verlässliche Messungen insbesondere der turbulenten Schwankungsgrößen nicht ermöglichen. Damit bleibt die Turbulenz in unmittelbarer Wandnähe bis heute unerforscht, d.h. es fehlt an gesicherten Messungen von turbulenten Strömungseigenschaften in Wandnähe für Strömungen mit u  0,2 m/s. Herkömmliche Laser-Doppler-Messungen mit d  50 µm sind bezüglich ihrer normierten Messvolumengröße d+  10 für Messungen in Wandnähe gleichfalls nur sehr begrenzt geeignet, d.h. sie können nur für lokale, mittlere Geschwindigkeitsmessungen Einsatz finden, wenn sehr hohe Re-Zahlen angestrebt werden. Aufgrund der oben erwähnten Probleme soll in dem vorliegenden Forschungsvorhaben eine spezielle LDA-Messtechnik zur Anwendung gebracht werden. Ihr Einsatz ermöglicht Geschwindigkeitsprofilmessungen mit hoher Ortsauflösung, die praktisch nur durch die erreichbare Signalqualität begrenzt ist. Erlangt wird damit eine Ortsauflösung von 5 µm, d.h. y+  1 bis zu u  1 m/s. Detaillierte mittlere Geschwindigkeits- und Turbulenzmessungen sowie Messungen der Wandschubspannung sollen mit dem Messverfahren für turbulente Kanal- und Rohrströmungen sowie in Wandgrenzschichten unter Anwendung eines Strömungskanals, der mit Brechungsindexanpassung arbeitet, durchgeführt werden.

Models for Vehicle Aerodynamics (MOVA)

Projektleitung:Dipl.-Ing. Hermann Lienhart
Beteiligte:PD Dr.-Ing. Stefan Becker, Joao Pego
Förderer:
EU Brite-EuRam III
Stichwörter:Aerodynamik von Fahrzeugen, Turbulenzmodellierung, Validierung, Referenzdaten
Laufzeit:1.4.1998 - 30.9.2001
Inhalt und Ziele:Die Vorstellung, eine Automobil- oder Fahrzeugform allein auf der Basis von Computersimulationen, ohne den Einsatz von Windkanalversuchen, zu entwickeln, ist seit langem ein Wunsch der Hersteller. Zwar wird heute bereits in vielen Industriezweigen CFD (Computational Fluid Dynamics) als Entwicklungswerkzeug eingesetzt, allerdings haben die Ergebnisse dieser Simulationen noch nicht den Grad an Zuverlässigkeit erreicht, dass sie die einzige Basis für einen Entwurf darstellen könnten. Dies gilt insbesondere für komplexe Geometrien und Strömungen, z. B. solche mit Ablösegebieten, wie sie im Nachlauf hinter Fahrzeugen auftreten. In der Fahrzeugaerodynamik ist die Ausbildung dieses Nachlaufs überdies entscheidend für die integralen aerodynamische Beiwerte eines Entwurfs. Ziel von MOVA ist die Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit von CFD-Rechnungen durch die Weiterentwicklung der Modellierung der Turbulenz in den Computercodes. Die Projektpartner des LSTM arbeiten alle auf diesem Gebiet der Entwicklung verfeinerter Turbulenzmodelle, Aufgabe des LSTM im Rahmen von MOVA ist die Bereitstellung eines detaillierten Referenzdatensatzes von Windkanalmessungen zum Test und zur Validierung der neuen Modelle. Da der Schwerpunkt der Untersuchungen auf den Nachlaufbereich gelegt wird, kommt als Messtechnik im LSTM-Windkanal ein LDA (Laser Doppler Anemometer) zum Einsatz. Es erlaubt nicht nur die Messung des kompletten mittleren Geschwindigkeitsvektors sondern auch die Bestimmung von Komponenten des Reynoldsschen Spannungstensors und von Korrelationen dritter Ordnung der Geschwindigkeitsschwankungen.
Kontakt:Lienhart, Hermann
Telefon 09131/85 28272, Fax 09131/85 29503, E-Mail: hermann.lienhart@fau.de

MOVPE von Gruppe-III-Nitriden mit intramolekular koordinierten Prekursoren, Mechanistische Studien und Modellierung der Prozesse

Projektleitung:Dr. Gunther Brenner, Prof. Dr. Ing. Jens Müller (Bochum), Prof. Dr. Roland Fischer (Bochum), Dr. Ing. Rochus Schmid (München)
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende
Institutionen:
Lehrstuhl für Anorganische Chemie II, Ruhr-Universität Bochum
Anorganisch-Chemisches Institut, Technische Universität München
Stichwörter:Numerische Simulation, CVD, MOVPE, Reaktionskinetik, Gasphasensynthese
Laufzeit:1.1.2001 - 31.12.2003
Inhalt und Ziele:Das gemeinsame Projektziel ist die Entwicklung neuer Herstellungsprozesse der Gruppe-III-Nitridhalbleiter auf der Basis intramolekular adduktstabilisierter Alkyl/Amid Derivate. Diese Prozesse sollen eine billigere, effizientere und sichere Alternative zum klassischen Verfahren für die Massenproduktion von einfachen Nitrid-Bauteilen für die Beleuchtungstechnik (z.B. LEDs) bieten. Diese Ziele sollen durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Ingenieuren und Chemikern aus den Bereichen Strömungsmechanik, Materialwissenschaften, Metallorganische Synthesechemie, Gasphasenanalytik und Theoretische Chemie erreicht werden. Dabei soll der Gesamtprozess der Chemischen Dampfabscheidung von der Synthese hochreiner Vorläufermoleküle über die Analyse von Gasphasenspezies bis zur Materialabscheidung, sowohl mit theoretischen als auch mit experimentellen Methoden aufgeklärt werden.

Nachweis von Staphylococcus aureus und Bacillus cereus in Milchprodukten nach Bioaffinitätsanreicherung

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Dr.-Ing. Rainer Bennig, Prof. Dr. Dr. Erwin Märtlbauer, Dr. Richard Dietrich, Prof. Dr. Markus Fischer, Prof. Dr. Uli Hahn, Prof. Dr. Reinhard Nießner, Dr. Michael Seidel
Beteiligte:Dr.-Ing. Anuhar Osorio Nesme
Förderer:
Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI), Bonn
Mitwirkende
Institutionen:
Universität München, Lehrstuhl für Hygiene und Technologie der Milch
Universität Hamburg, Hamburg School of Food Science, Institut für Lebensmittelchemie
Universität Erlangen-Nürnberg, Department für Chemie- und Bioingenieurwesen, Lehrstuhl für Strömungsmechanik
Technische Universität München, Department Chemie, Institut für Wasserchemie und Chemische Balneologie
Stichwörter:Milch; Nahrungsmittelmaschinen; Räucheranlagen; Sensoren; Lebensmittelsicherheit; Lebensmittelqualität; Lebensmittelproduktion
Laufzeit:1.1.2009 - 31.12.2012
Inhalt und Ziele:Für Unternehmen der Lebensmittelindustrie sind Qualitätssicherung und Verbraucherschutz essentielle Voraussetzungen für den Erhalt der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit. Insbesondere der Nachweis von Mikroorganismen ist in diesem Zusammenhang von großer Bedeutung, wobei aufgrund der Vorkommenshäufigkeit und des Potentials als Lebensmittelintoxikationserreger Staphylococcus aureus und Bacillus cereus bei Milch und Milchprodukten eine besondere Rolle zukommen. Die in der Praxis eingesetzten Tests – i.d.R. klassische mikrobiologische Verfahren - zum Nachweis des Hygieneindikators S. aureus bzw. des Verderbserregers B. cereus erfordern zum Teil einen hohen zeitlichen Aufwand. Um Hygiene- und Qualitätsmängel sowie potentielle Gesundheitsrisiken während des Verarbeitungsprozesses schnell erkennen und beseitigen zu können, ist diese Zeitspanne nicht akzeptabel. Aus wissenschaftlich-technischer Sicht ist eine Vereinfachung und Verbesserung der bestehenden Analytik nur über eine selektive Aufarbeitung bzw. eine spezifische Anreicherung des Probenmaterials möglich. Ziel des Forschungsvorhabens war deshalb die Entwicklung einer robusten und effizienten Bioaffinitätsmethode, die die Anreicherung und den direkten Nachweis von S. aureus und B. cereus (Sporen) mittels auf Rezeptoren basierenden monolithischen Affinitätssäulen (MAS) und eines vollautomatisierten Mikroarray-Auslesegerätes ermöglicht.
Kontakt:Delgado, Antonio
Telefon 09131/85 29500, Fax 09131/85 29503, E-Mail: antonio.delgado@fau.de
Publikationen:
  1. Benning, Rainer ; Delgado, Antonio:
    Bioaffinitätsanreicherung zum Nachweis von Staphylococcus aureus und Bacillus cereus in Milchprodukten..
    In: Food-Lab 3/11 (2011), S. 11-13
  2. Benning, Rainer ; Delgado, Antonio:
    Neues Verfahren zum schnellen Nachweis lebensmittelrelevanter Mikroorganismen..
    In: Rundschau für Fleischhygiene und Lebensmittelüberwachung 12 (2011), S. 416-417

Neuartige Prozessführung zum Trocknen von Teigwaren zur Steigerung der Prozesseffizienz und Produktqualität

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Bindrich, Ute; Dr.-Ing. habil.,
Beteiligte:Dr.-Ing. Frauke Groß
Förderer:
Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI), Bonn
Mitwirkende
Institutionen:
Lehrstuhl für Strömungsmechanik, FAU Erlangen-Nürnberg
Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. (DIL), Quakenbrück
Stichwörter:NIR-Spektroskopie, Trocknungsprozess, Teigwaren, Online-Messtechnik
Laufzeit:1.4.2008 - 30.9.2010
Inhalt und Ziele:Am Beispiel des Trocknungsprozesses von Teigwaren wird ein optisches online Messsystem, basierend auf diffuser NIR-Spektroskopie, entwickelt und etabliert. Dabei wird die zu untersuchende Teigplatte bestrahlt, wobei ein Teil der NIR-Strahlung mit der Materie in Wechselwirkung tritt. Abhängig von dem Abstand zwischen Projektions- und Detektionsfläche kann die Strahlung unterschiedlich tief in den Prüfling eindringen und wird so entsprechend der verschiedenen Wechselwirkungswege unterschiedlich reflektiert bzw. absorbiert. Mittels Polychromator wird die Absorption als Funktion der Wellenlänge aufgezeichnet. Die Messung der Feuchte mittels optischer Spektroskopie im nahen Infrarot (NIR-Spektroskopie) findet ihre Anwendung z.B. im Bereich der Medizin und Kosmetik. Auch in der Lebensmitteltechnologie stellt die Feuchte eine bedeutende Größe dar, wobei gerade hier zunehmend Wert auf den Einsatz nicht-invasiver Verfahren zur online-fähigen Detektion gelegt wird. Am Beispiel des Trocknungsprozesses von Teigwaren wird ein optisches online Messsystem, basierend auf diffuser NIR-Spektroskopie, entwickelt und etabliert. Dabei wird die zu untersuchende Teigplatte bestrahlt, wobei ein Teil der NIR-Strahlung mit der Materie in Wechselwirkung tritt. Abhängig von dem Abstand zwischen Projektions- und Detektionsfläche kann die Strahlung unterschiedlich tief in den Prüfling eindringen und wird so entsprechend der verschiedenen Wechselwirkungswege unterschiedlich reflektiert bzw. absorbiert. Mittels Polychromator wird die Absorption als Funktion der Wellenlänge aufgezeichnet. Die graphische Darstellung dieser NIR-Spektren während des Trocknungsprozesses einer Teigplatte zeigt die Abhängigkeit zwischen Absorption und Feuchtegehalt der untersuchten Teigware. Dabei weist die für die Obertonschwingung der Wasserverbindung spezifische Absorptionsbande um 1460 nm signifikante und charakteristische Korrelationen auf.
Im Rahmen dieses Projekts werden optisch und online neben der Feuchteverteilung des Produkts auch die Oberflächentemperatur und Farbigkeit der Teigware bestimmt. Aus den ermittelten Datensätzen können mittels eines auf Fuzzy Logik basierenden Systems zur Charakterisierung des Produktzustands Maßnahmen entwickelt werden, die eine direkte Regelung des Trocknungsprozesses durch situative Anpassung der Trocknungsparameter (Geschwindigkeit, Temperatur und Feuchte der Trocknungsluft) ermöglichen, um so die Effizienz dieses Prozesses zu steigern und gleichzeitig die Produktqualität zu erhöhen.
Kontakt:Delgado, Antonio
Telefon 09131/85 29500, Fax 09131/85 29503, E-Mail: antonio.delgado@fau.de
Publikationen:
  1. Groß, Frauke ; Al-Muhtaseb, Ala'a ; Benning, Rainer ; Bindrich, Ute ; Heinz, Volker ; Delgado, Antonio:
    Feuchtebestimmung mittels diffuser NIR-Spektroskopie am Beispiel von Teigwaren.
    In: Delgado, A., Rauh, C., Lienhart, H., Ruck, B., Leder, A., Dopheide, D. (Hrsg.) : GALA (Veranst.):
    Proceedings der 17. GALA-Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik"
    (Lasermethoden in der Stömungsmesstechnik, Erlangen, 08.09.-10.09.2009).
    2009. - ISBN 978-3-9805613-5-8
  2. Groß, Frauke ; Benning, Rainer ; Bindrich, Ute ; Heinz, Volker ; Delgado, Antonio:
    Novel process management for drying of pasta for increase in process efficiency and product quality.
    In: European Federation of Food Science and Technology (Veranst.):
    Delegate Manual
    (EFFoST Congress: First European Food Congress, Ljubljana, 4-9 Nov 2008).
    2008, S. O32.2.

Numerical investigations of Marangoni convection in silicon melts during crystal growth

Projektleitung:Dr. Thomas Zeiser
Beteiligte:Vivek Kumar
Förderer:
BMBF
Mitwirkende
Institutionen:
Dr. B. Basu, Tata Research Development & Design Centre, Pune, India
Stichwörter:crystal growth, Mrangoni convection, silicon melts
Laufzeit:1.1.2001 - 31.12.2003
Inhalt und Ziele:With the increasing demand for large diameter crystals, which requires bigger crucibles, the magnitudes of different interacting forces increase and therefore the flow in a Silicon Czochralski melt becomes turbulent. As a consequence, it becomes very challenging to compute and measure the average and fluctuating quantities. The flow influences the quality of the crystal through the convective heat and mass transport. The surface tension induced flow or Marangoni convection influences the transport of heat and mass near the region in the melt where the crystal grows and consequently the quality of the crystal. The objective of the present work is to perform a detailed investigation of the instability mechanism. The flow and thermal patterns for the cases with and without the effect of Marangoni convection are presented. The instabilities in the silicon melt may deteriorate the homogeneity of the crystal.

Numerical simulation of flow, combustion and heat transfer in porous media burners

Projektleitung:Dr. Thomas Zeiser
Beteiligte:Nabil Boukhezar
Förderer:
DAAD
Stichwörter:combustion, heat transfer, porous media burners
Laufzeit:1.1.2000 - 31.12.2003
Inhalt und Ziele:Owing to formidable industrial as well as research efforts, an attractive and promising new combustion technique which relies on the use of porous inert materials (PIM), has recently emerged and been successfully applied in many fields at LSTM-Erlangen. However, many of the underlying phenomena are difficult to discern from each other because conservation principles of mass, momentum and energy in porous media involve several interacting phenomena, which may be in thermo-chemical equilibrium or not. These processes may take place in the fluid phase as well as in the solid one, according to the nature of the process under consideration. In addition to this, the structural complexity of the solid matrix makes it usually difficult not only to predict the properties but also to characterize the medium, such as the effective heat conductivity tensor or the laminar flame speed in case of reacting flows. The present work has been concerned, in a first stage, with the development and testing of a numerical solution procedure capable of simulating fluid flow, heat and mass transfer as well as chemical reactions in porous media-like configurations. Heat and mass transfer as well as chemical reactions lead to a variety of interacting phenomena, which are still unclear in porous media combustion. Experimental investigations in such configurations are still very difficult if at all possible, due mainly to the complexity of the solid matrix. Direct numerical simulation in idealised periodic structures as well as real ones, may give a new hope in allowing for a better understanding of flow phenomena that take place in such configurations. The main focus in this study is put first on the characterization of heat and mass dispersion phenomena and the leading parameters that govern them. Secondly, detailed investigation of the laminar combustion in porous media-like configurations is dealt with to characterize the laminar flame speed in ordered as well as disordered media. The results should allow for a much more accurate representation of the effective properties by using some simple macroscopic representations instead of more general conservation equations.
Kontakt:Zeiser, Thomas
Telefon 09131 85-28737, Fax 09131 302941, E-Mail: thomas.zeiser@fau.de

Numerische Simulation quasi-Newtonscher Fluide, die sowohl Scherentzähung als auch Dehnverfestigung zulassen

Projektleitung:Prof. Dr. Peter Brunn
Beteiligte:Dipl. Ing. E. Ryssel
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Stichwörter:Quasi-Newtonsche Fluide, plötzliche Verengung, Numerik
Laufzeit:1.10.1998 - 30.9.2000
Inhalt und Ziele:Quasi-Newtonsche Fluide, plötzliche Verengung, Numerik
Beschreibung: Das "bench mark Problem" der numerischen Simulation nicht Newtonscher Flüssigkeiten, nämlich die laminare Strömung durch eine plötzliche (4:1) Verengung, wurde mit einem quasi-Newtonschen Modell berechnet und mit den numerischen Ergebnissen anderer Forschungsgruppen sowie mit experimentellen Daten verglichen. Ein 4modiges Giesekus Fluid diente als Basis. Das Strömungsfeld wird sehr genau wiedergegeben und die Übereinstimmung mit der Schubspannung sowie den Normalspannungsdifferenzen ist gut.

Numerische Simulation strömungstypsensitiver Fluide expliziten Typs durch planare Verengungen

Projektleitung:Prof. Dr. Peter Brunn
Beteiligte:Sun Wentao
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Stichwörter:Numerik, plötzliche Verengung, Fluide expliziten Typs
Laufzeit:1.11.2001 - 31.10.2002
Inhalt und Ziele:Für Strömungen konstanter Verformungsgeschichte (csh flows) läßt sich für den Tensor der Reibungsspannungen immer ein expliziter Ausdruck angeben. Bezugsinvariant geschrieben stellt dieser für allgemeine Strömungen natürlich nur eine Approximation dar. Diesem Nachteil stehen allerdings gravierende numerische Vorteile gegenüber. So kann man numerische codes verwenden,die für rein viskose Flüssigkeiten entwickelt wurden. Diese sind bekanntermaßen hochentwickelt und sehr schnell. Zum anderen sind immer nur die Gleichungen für Massen- und Impulserhaltung zu lösen. Für Multi-mode Modelle ein unschätzbarer Vorteil mit erheblicher Einsparung an Computerzeit. Wie genau diese explizite Darstellung wirklich ist soll am Beispiel der Strömung durch eine plötzliche Verengung untersucht werden.

Numerische Untersuchung der Struktur entwickelter wandhaher Turbulenz

Projektleitung:Dr. Thomas Zeiser
Beteiligte:Dr. Kamen Beronov
Förderer:
DFG
KONWIHR
Industrie
Stichwörter:wandnahe Turbulenz
Laufzeit:1.1.2001 - 31.12.2004
Inhalt und Ziele:Turbulente Kanalströmungen sind abermals gemessen und berechnet worden. Es bleibt jedoch unklar, genau welchen Einfluss physikalische Parameter wie Reynoldszahl oder die Strömungsgebietgeometrie auf Turbulenzstatistiken haben. Kenntnisse über die Entstehung der Turbulenz, die immer in Wandnähe und bei Reynoldszahlen Re O(102) stattfindet, ist bisher auf zwei Ansätzen beschränkt geblieben: (a) schwach-nichtlineare Theorien, die eine niedrige Re voraussetzen und auf klassischer Lineartheorie aufgebaut sind, und (b) vereinfachte ”Wandzyklus“ Modelle. Datenauswertung und Turbulenzmodellierung, nicht nur in Wandnähe, bleiben dadurch unzuverlässig. Technische Voraussetzungen: Eine auf Vektor-Parallel-Rechner optimierte Version des Lattice Boltzmann Lösers BEST stand am LSTM zur Verfügung. Sie wurde durch die Simulation von turbulenten 2D Kanalströmungen und dem Vergleich mit bekannten Messdaten erfolgreich geprüft [5]. Feststellung einer möglichen Unabhängigkeit mancher Statistiken von der (entsprechend ausreichend hohen) Reynoldszahl. Dies würde die Turbulenzmodellierung und die Voraussage technisch wichtiger Turbulenzeigenschaften erleichtern.

Nutzung der Porenbrennertechnik für Hafenöfen der bayerischen Kristallglasindustrie

Projektleitung:Dr. Dimos Trimis
Beteiligte:Veselin Stamatov
Mitwirkende
Institutionen:
Frankonia Kristallglaswerk GmbH
INVENT- Entwicklung neuer Technologien GmbH
Stichwörter:Glasschmelze; Porenbrenner, Flammenbrennern, Kristallglas, Schmelztiegel
Laufzeit:1.9.2001 - 31.12.2003
Inhalt und Ziele:Zur Herstellung von Glasschmelze werden im kontinuierlichen Betrieb Schmelzwannen, in Hafenöfen eingesetzt, bei denen Schmelztiegel von aussen mit Brennern bis auf 1500°C direkt werden. Die Nachteile der Hafenöfen liegen in der Baugrösse, die im Vergleich zum Nutzvolumen sehr gross ist, und in den hohen Abgasverlusten. Mit der Entwicklung der Porenbrennertechnik am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg ergeben sich neue Möglichkeiten, Hafenöfen mit direkt befeuertem Schmelztiegel zu bauen. In dem vorliegenden Forschungs- und Entwicklungsvorhaben soll nachgewiesen werden, dass sich mit dieser neuen Brennertechnik Schmelzöfen realisieren lassen, die sich durch kurze Schmelzzeiten, geringen Energieverbrauch, wenig Schadstoffemissionen und kompakte Bauweise auszeichnen. In Grundlageuntersuchungen soll demonstriert werden, wie mit Porenbrennern der Wärmeeintrag in die Schmelze im Vergleich zu herkömmlichen Flammenbrennern verbessert werden kann. Im zweiten Schritt wird dann an einem Hafenofen mit Porenbrennern gebaut und der Betrieb unter realistischen Einsatzbedingungen getestet. Es wird davon ausgegangen, dass anhand, dieses Hafenofenmodells die Vorteile der neuen Brennertechnologie gegenüber existierenden Ofen mit Flammenbrennern klar demonstriert werden kann.

Optimierung der Fermentation von Bierwürze in den Phasen der Gärung und Reifung durch adaptive Strömungsgestaltung

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Prof. Dr.-Ing. Cornelia Rauh, Prof. Dr.-Ing. J. Szymczyk, Prof. Dr.-Ing. H. Meironke, Prof. Dr.-Ing. F.-J. Methner
Beteiligte:Dipl.-Ing. Enkhtsetseg Batchuluun,
Förderer:
Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI)
Mitwirkende
Institutionen:
Fachhochschule Stralsund, Fachbereich Maschinenbau, Fachgebiet Strömungslehre und Strömungsmaschinen
TU Berlin, Fachgebiet Brauwesen
Stichwörter:Bierfermentation, Prozessautomatisierung, Prozessdesign, Konvektion, numerische Simulation, Prozessführungsstrategie
Laufzeit:1.11.2010 - 31.10.2012
Inhalt und Ziele:Die Fermentation und Reifung von Bierwürze erweist sich aufgrund ihrer essentiellen Bedeutung für die Produkt- und Prozessqualität, die innere Logistik und Wirtschaftlichkeit sowie ihrer Komplexität als Schlüsselprozess der Bierproduktion. Sie zeichnet sich durch stark ineinander greifende physikalische, (bio)chemische und mikrobiologische Wechselwirkungen aus. Eine technologische Optimierung führt u.a. zu verkürzten Tankbelegungszeiten, längeren Filterstandzeiten und einer verringerten Nutzung von thermischer Energie zur Kühlung. Dieses Forschungsvorhaben erstellt ein selbstlernendes, intelligentes, adaptives, hybrides Strömungsführungssystems, welches durch die Verknüpfung von Wissen über Konvektionsprozesse sowie technologische, biochemische und physikalische Vorgänge während der Gärung und Reifung trainiert wird. Durch experimentelle Untersuchungen von Konvektionsphänomenen in Modell- und Bierwürzelösungen im Labor- und Industriemaßstab und andererseits durch numerische Simulationen der Mehrphasenströmung (Gas, Feststoff, Flüssigkeit) erfolgt die Generierung einer Datenbasis für das hybride Strömungsführungssystem. Diese wird durch Erkenntnisse über die Interaktionen von Hefestoffwechsel, Stoff- und Wärmetransport mit dem strömungsbedingten Transport innerhalb des Gärtanks ergänzt. Das entstehende hybride Strömungsführungssystem führt zur Erstellung künstlicher neuronaler Netze, die zur online und/oder zur strukturellen Optimierung eingesetzt werden können. Die numerischen Simulationen liefern des Weiteren einen tieferen Einblick in die instationären Vorgänge der Wechselwirkungen von Gasblasen, Hefepartikeln und der umgebenden flüssigen Phase.
Kontakt:Rauh, Cornelia
Telefon 09131/85 28812, Fax 09131/85 29503, E-Mail: cornelia.rauh@fau.de
Publikationen:
  1. Batchuluun, Enkhtsetseg ; Mansberger, Irene ; Lopez-Ramirez, Efrain ; Rauh, Cornelia ; Delgado, Antonio:
    Optimierung der Fermentation von Bierwürze in den Phasen der Gärung und Reifung durch adaptive Strömungsgestaltung.
    In: Thess, A., Resagk, C., Ruck, B., Leder, A., Dopheide, D. (Hrsg.) : GALA (Veranst.):
    Proceedings der 19. GALA-Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik"
    (Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, Ilmenau, 06.09.-08.09.2011).
    2011. - ISBN 978-3-9805613-7-2
  2. Batchuluun, Enkhtsetseg ; Mansberger, Irene ; Rauh, Cornelia ; Delgado, Antonio:
    Optimization of the fermentation and maturation phases in beer production by adaptive flow design.
    Vortrag: 10th International Trends in Brewing: International Symposium on Beer Quality - Cost-Effective Processing,
    Ghent, Belgien, 01.04.-05.04.2012

Optimierungsverfahren und ihre Anwendung in der Trocknungstechnik

Projektleitung:Prof. Dr. Hans Raszillier
Beteiligte:Dr. Norbert Alleborn
Förderer:
Bayerische Forschungsstiftung
Laufzeit:1.10.2003 - 30.9.2004
Inhalt und Ziele:Bei der Herstellung beschichteter Produkte, wie z.B. veredeltem Papier oder photographischer Filme, ist der Trocknungsabschnitt entscheidend für die Qualität des Produkts und die Wirtschaftlichkeit seiner Herstellung, da die bei der Trocknung ablaufenden Wärme- und Stofftransportvorgänge einen entsprechenden Zeit- und Energieaufwand benötigen, der die Trocknung zum „Flaschenhals“ im gesamten Produktionsablauf macht. Aus diesem Grund besteht ein dringender Bedarf, geeignete Trocknerbetriebszustände durch Anwendung systematischer Optimierungsverfahren zu ermitteln. Eine modular aufgebaute Trocknungsanlage besteht aus einer Reihe von Einzelmodulen, die beispielsweise als Schwebedüsentrocknermodule ausgeführt sein können. Die aufgeheizte Trocknungsluft strömt über Schlitzdüsenfelder auf die Filmoberfläche und auf die Bahnunterseite. Die Trocknungsluft transportiert Wärme in den Nassfilm und nimmt das verdunstete Lösungsmittel auf. Ein Teil der Haubenabluft kann rezirkuliert werden, um Heizleistung einzusparen, der Rest verlässt die Anlage über die Abluftleitung. Ziel des Projekts ist Entwicklung eines leistungsfähigen numerischen Lösungsverfahrens für die Optimierungsaufgabe, eine vorgegebene Zielfunktion, wie z.B. den Energieverbrauch der Anlage, unter Einhaltung von Nebenbedingungen, wie z.B. maximal zulässiger Restlösungsmittelgehalt, Explosionsschutzgrenzen, zu minimieren.

Prinzipexperiment FLUSTRUC zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung

Projektleitung:Dipl.-Ing. Hermann Lienhart
Beteiligte:Dipl.-Ing. Hermann Lienhart,
Förderer:
DFG
Mitwirkende
Institutionen:
Universität Braunschweig
Universität Darmstadt
Universität Heidelberg
Universität Dortmund
Universität München
Universität Stuttgart
Stichwörter:Fluiddynamik, Strukturdynamik
Laufzeit:1.1.2003 - 31.12.2005
Inhalt und Ziele:Die primäre Zielsetzung der Forschergruppe ist die systematische und koordinierte Entwicklung bzw. Untersuchung numerischer Methoden zur robusten und effizienten Simulation der Fluid-Struktur-Wechselwirkung. Beispiele für derartige Problemstellungen finden sich in großer Zahl in den unterschiedlichsten Disziplinen. Im Ingenieurbereich sind hier etwa zu nennen das Bauingenieurwesen (Brücken, Hochhäuser, Zeltdachkonstruktionen, Masten und Schornsteine, Bohrplattformen,...), der Maschinenbau (Ventile, Pumpen, Tragflügel, Schiffsschrauben,..), die Verfahrenstechnik (Rührer, Extruder, Einspritzsysteme, Rohrleitungen,...) oder die Medizintechnik (künstliche Herzklappen, künstliche Blutgefäße,...). Die realistische transiente Simulation solcher Vorgänge stellt sehr hohe Anforderungen an die numerischen Methoden und die Rechnerkapazitäten. Über den aus der Verknüpfung struktur- und fluidmechanischer Berechnungen resultierenden Aufwand hinaus wirft die Interaktion dabei in den meisten Anwendungsszenarien eine Fülle komplizierter numerischer, informatischer sowie strömungs- bzw. strukturmechanischer Fragen auf. Das Ziel des vorliegenden Teilprojektes ist die Durchführung des Prinzipexperiments FLUSTRUC zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung, da für die Validierung und Bewertung der Berechnungsverfahren geeignete experimentelle Untersuchungen fehlen. Im Gegensatz zu vielen bisherigen Untersuchungen, bei denen ausgehend von konkreten technischen Fragestellungen Messungen an verkleinerten Modellen unter Einhaltung möglichst aller Ähnlichkeitsparameter durchgeführt wurden, ist das Prinzipexperiment ohne diese Beschränkungen speziell als Validierungsbasis für die numerischen Arbeiten im Rahmen der Forschergruppe ausgelegt. Als Basiskonfiguration wurde dazu nach Vorversuchen eine drehbar gelagerte Platte gewählt, an deren Rückseite eine dünne flexible Membranstruktur angebracht ist und die von der (laminaren/turbulenten) Strömung zu zweidimensionalen Schwingungen angeregt wird. Bei der Auslegung des Experiments wurde darauf geachtet, klar definierte Randbedingungen für die Numerik sicherzustellen. FLUSTRUC soll für die netzgestützte Forschergruppe als Validierungs- und Evaluierungs-Testfall im Bezug auf Modellierungsaspekte dienen.
Kontakt:Lienhart, Hermann
Telefon 09131/85 28272, Fax 09131/85 29503, E-Mail: hermann.lienhart@fau.de

Räumlich und zeitlich hochaufgelösteMessungen um Wasserdampfgehalt nahe Phasengrenzflächen

Projektleitung:PD Dr. Günter Brenn
Beteiligte:Dr. Adrian Melling, Bernd Schirmer
Laufzeit:1.5.2000 - 30.4.2002
Inhalt und Ziele:Ein kompaktes Diodenlaser-Absorptionsspektrometer wurde für räumlich aufgelöste Wasserdampf Konzentrationsmessungen entwickelt. Durch die erreichte räumliche Auflösung von 0,2 mm konnten die eindimensionalen Konzentrationsprofile über einer ebenen Wasseroberfläche mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Daraus ergab sich eine neuartige Methode für die Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit von Membranen und Folien. Weitere Messungen in der Umgebung eines in einem Ultraschallfeld suspendierten Wassertropfens durften die Bestimmung des achsensymmetrischen Konzentrationsfelds ermöglichen. Wegen der Faltung der Konzentrationsverteilungen mit der Geometrie des Messvolumens müsste die Konzentration durch eine Transformation rekonstruiert werden;infolge der Unsicherheit der erforderlichen Transformation war die Genauigkeit prinzipiell beschränkt. Trotzdem sind dies die ersten quantitativen Konzentrationsmessungen in der Nähe von Tropfen überhaupt und zeigen das große Potential der Methode auf.

Sauerstoffstrahlungsbrenner auf der Basis der Porenbrennertechnologie

Projektleitung:Dr. Dimos Trimis
Beteiligte:Denis Kossolapov
Förderer:
L' Air Liquide, Paris, Frankreich
Stichwörter:Sauerstoffbrenner, Porenbrenner, Strahlungsbrenner
Laufzeit:1.1.2001 - 30.9.2002
Inhalt und Ziele:Bei der chemischen Reaktion von Methan mit reinem Sauerstoff ist die erreichte Verbrennungstemperatur zu hoch um mit den verfügbaren Materialien einen Strahlungsbrenner aufzubauen. Um die Maximaltemperatur im Brenner abzusenken, wird eine Sauerstoff-Stufung angestrebt, die die Wärmefreisetzung derart steuert, dass auf einem niedrigeren Temeparturniveau die Wärmeauskopplung durch Strahlung genau der Freisetzung durch die Verbrennung entspricht. Dadurch läßt sich das Temperaturniveau absenken, so dass moderne Hochtemperaturkeramiken eingesetzt werden können. Ziel und Aufgabe dieses Projektes sind die Auslegung und die weitere Optimierung eines gestuften Strahlungsbrenners, der mit reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel arbeitet.

Schadensdetektion Mehrweggüter

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Hinzmann, E.; Dr.
Beteiligte:Dipl.-Ing. Judith Forstner
Förderer:
Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI), Bonn
Mitwirkende
Institutionen:
Lehrstuhl für Strömungsmechanik, FAU Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik, WZW, TU München
Verband Deutscher Mineralbrunnen e.V. (VDM), Bonn
Wissenschaftsförderung der Dt. Brauwirtschaft e.V., Berlin
Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM), Frankfurt
Stichwörter:Schadenserkennungssystem für Flaschen und Flaschenkästen
Laufzeit:1.1.2007 - 31.5.2009
Inhalt und Ziele:Ein zuverlässiges, robustes und automatisierbares Schadenserkennungssystem für Flaschen und Flaschenkästen ist in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie unverzichtbar, um nicht nur die Produkt- und Betriebssicherheit, sondern auch einen reibungslosen Ablauf in der Logistikkette zu gewährleisten. Ziel dieses Vorhabens war die Weiterentwicklung des bestehenden Identifikations- und Selektionssystems zur Prüfung im Umlauf befindlicher Flaschen-Transportkästen auf Beschädigungen, welche deren Maschinengängigkeit und/oder Gebrauchstauglichkeit beeinträchtigen können. Dabei sollte der Fokus, anders als im Vorläuferprojekt, auf eine flächenbezogene Erfassung der Schwingungsantworten mittels eines CCD-Kamerasystems (spatiotemporale Schwingungsvisualisierung) und eine Verarbeitung der Bildsignale mittels spezieller Software gelegt werden. Zweck dieser Maßnahmen war es, einerseits die Systemkosten zu verringern und andererseits die Detektionsrate unter Praxisbedingungen zu erhöhen.
Kontakt:Delgado, Antonio
Telefon 09131/85 29500, Fax 09131/85 29503, E-Mail: antonio.delgado@fau.de
Publikationen:
  1. Benning, Rainer ; Forstner, Judith ; Hu, Miao ; Groß, Frauke ; Mauermann, Marc ; Majschak, Jens-Peter ; Franke, Sven ; Vogelpohl, Heinrich ; Delgado, Antonio:
    Vibrationsanalyse zur Zustandserkennung von Gütern in der Lebensmittelindustrie.
    In: TU Dresden, Professur für Verarbeitungsmaschinen/Verarbeitungstechnik ; Fraunhofer-Anwendungszentrum für Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik (Veranst.):
    VVD 2009 Tagung Verarbeitung und Verpackungstechnik "Zukunft gestalten"
    (VVD 2009 Tagung Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik, Dresden, 19.03.-20.03.2009).
    Dresden : Selbstverlag der TU Dresden, 2009, S. 141-153. - ISBN 978-3-86780-110-2
  2. Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V.:
    Technisch-wirtschaftliche Potenzialausschöpfung bei der neuro-numerischen Schadensdetektion an Mehrweggütern mittels spatio-temporaler Vibrationsanalyse am Beispiel von Getränkekästen.
    In: Kurzfassung des Schlussberichtes.
    Bonn : FEI, 2009, S. AIF231ZN.

Simulation von hochbeladenen Gas-Feststoff-Strömungen mit dem Lattice-Boltzmann Verfahren

Projektleitung:Dr. Thomas Zeiser
Beteiligte:Dr. Thomas Zeiser
Förderer:
DFG
Mitwirkende
Institutionen:
Forschergruppe “Reaktionslenkung durch Strömungsführung” (For-262)
Lehrstuhl für MechanischeVerfahrenstechnik (Prof.Wirth), Uni-Erlangen
Lehrstuhl Informatik X, Systemsimulation (Prof. Rüde), Uni-Erlangen
Stichwörter:Gas-Feststoff-Strömungen, Lattice-Boltzmann Verfahren
Laufzeit:1.1.2000 - 31.12.2002
Inhalt und Ziele:Hochbeladene Gas-Feststoff Systeme treten in einer Vielzahl verfahrenstechnischer Prozesse auf. Eine Simulation und Modellierung der ablaufenden Transportprozesse ist jedoch aufgrund der Komplexität der Wechselwirkungen bis heute sehr schwierig. Die mathematische Modellierung der Str¨omung und des Partikeltransports in Bewegtbettreaktoren nach dem Riser Prinzip basiert daher vielfach noch immer nur auf einer eindimensionalen “plug-flow” Annahme oder auf coreannulus Modellen. Bisherige CFD-Ans¨atze versuchen meist eine detailliertere Berechnung der zwei-phasigen Strömung mittels eines Euler-Euler Ansatzes, bei dem beide Phasen als Kontinuum modelliert werden. Die gesamten komplexen Wechselwikungen (Partikel–Partikel, Partikel–Fluid, Partikel– Wand) müssen durch empirische oder semi-empirische Annahmen modelliert werden. Euler-Lagrange Verfahren ermöglichen prinzipiell eine exaktere Simulation dieser Wechselwirkungen, da sie auf einer Simulation der Bewegung der kontinuierlichen Fluidphase und der Berechnung der dispersen Phase durch Simulation der Bewegung einer Vielzahl von einzelnen Partikeln im zuvor berechneten Strömungsfeld beruhen. Problematisch ist hier aber, dass diese Verfahren nur für Strömungen mit relativ kleinem Volumenanteil der diskreten Phase effi- zient eingesetzt werden können. Ziel dieses Projektes ist es, durch einen neuartigen numerischen Ansatz lokale Inhomogenitäten (Agglomeration und Clusterbildung des Feststoffes im Riser/ Downer) in der Reaktorsimulation zu berücksichtigen. Dies ist nur durch simultane Lösung der Stoff-, Energie- und Impulsbilanzen m¨oglich. Hierzu wird im vorliegende Projekt kein Kontiuumsansatz angewendet, sondern eine Beschreibung der Teilchendynamik auf Mikroebene mittels eines Lattice- Boltzmann Verfahrens entwickelt. Mit der Simulation des Riser/Downer soll eine verbesserte Vorhersage des Reaktorverhaltens, eine Optimierung der Betriebszustände und das Auffinden kritischer Betriebszustände möglich werden. Durch entsprechende experimentelle Untersuchungen an einer Riser/Downer-Technikumsanlage im Teilprojekt des Lehrstuhls für Mechanische Verfahrenstechnik können diese Vorhersagen überprüft und damit die Modellierung validiert werden. Zum anderen soll auch ein Vergleich mit einfacherern Modellen erfolgen.
Kontakt:Zeiser, Thomas
Telefon 09131 85-28737, Fax 09131 302941, E-Mail: thomas.zeiser@fau.de

Stationäre und instationäre Untersuchungen an Torsion -und Kegel-Platte. Strömungen speziell im Hinblick auf rheologische Messungen

Projektleitung:Prof. Dr. Peter Brunn
Beteiligte:Hesham Asoud
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Stichwörter:Nicht-Newton'sche Fluide, Normalspannungen, Rheologie, Strömungsmechanik Nicht-Newton'scher Fluide
Laufzeit:8.11.1999 - 7.11.2002
Inhalt und Ziele:In dem hier vorgeschlagenen Forschungsvorhaben sollen Torsionsströmungen als auch Kegel-Platte Strömungen im Hinblick auf rheologischen Studien untersucht werden. Von theoretischer Seite her ist bekannt, dass die Idealform beider Strömungstypen äußerst instabil ist. Deswegen erhebt sich die Frage ob nicht viele, rheometrisch als Anomalien dargestellter Ergebnisse, auf solche Instabilitäten zurückzuführen sind. Es wird erwartet, dass sich dies in lokalen Größen wesentlich deutlicher niederschlagen sollte als in einem globalen Zusammenhang zwischen Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit. Deswegen soll eine neue auf dem Markt angebotene Druckmessfolie verwendet werden, die es gestattet, gleichzeitig an 16 Druckmesspunkten die Wandverteilung zu bestimmen. Idealerweise liefert diese Messung Aussagen über die Normalspannungen. Ergänzt werden soll das ganze durch ein Laserlichtschnittverfahren, das über einer geeigneten PIV-(Particle Image Velocimetry) Auswertesoftware Einblick in die lokalen Geschwindigkeitsverteilungen liefert. In Kombination sollten beide Verfahren gestatten, Kriterien zu entwickeln, ab denen rein rheologische Untersuchungen nicht mehr sinnvoll sind und aufzuzeigen, was eigentlich passiert. Einige theoretische Untersuchungen sollen das ganze abrunden.

Steuerung des Zerfalls von Flüssigkeitsfilmen zur Sprayerzeugung (Projekt Br 1046/10-1 und -2 im DFG-Schwerpunktprogramm 1061 "Fluidzerstäubung und Sprühvorgänge")

Projektleitung:PD Dr. Günter Brenn
Beteiligte:Zeljko Prebeg
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende
Institutionen:
Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, TU Darmstadt
Stichwörter:Filmbildende Zerstäuber, vibratorische Filmanregung, Zweiphasenströmung, Phasen-Doppler-Anemometrie, Tropfendurchmesserspektrum
Laufzeit:1.2.1999 - 1.1.2004
Inhalt und Ziele:Sprays aus filmbildenden Zerstäubern entstehen durch die Kelvin-Helmholtz-Instabilität der Flüssigkeitsfilme im Kontakt mit der gasförmigen Umgebung. Diese Sprays enthalten Tropfen sehr verschiedenen Durchmessers, die nicht alle gleichermassen für eine gewünschte Anwendung geeignet sind. Durch das vorliegende Projekt wird eine Technik entwickelt, die die gezielte Beeinflussung des Tropfendurchmesserspektrums durch vibratorische Anregung der Flüssigkeitsfilme ermöglicht. Die Anregung geschieht durch axiale periodische Bewegung einer konventionellen Düse. Sie erzeugt Wellenfronten auf den Flüssigkeitsfilmen, die zum regelmäßigen Zerfall der Filme in Ligamente führen. Diese Ligamente zerfallen schließlich nach dem Rayleighschen Mechanismus in Tropfen, deren Durchmesserspektrum - für diesen Mechanismus typisch - sehr schmal ist. Die ersten Abschnitte der Projektarbeit waren der Entwicklung einer mechanischen Einrichtung zur periodischen Bewegung der Düse gewidmet. Inzwischen liegen die wesentlichen Mechanismen der Ligament- und Tropfenbildung bei Anwendung dieser Technik fest. Die Betriebsfenster im Volumenstrom der Flüssigkeit und der Anregungsfrequenz, innerhalb derer die Technik angewandt werden kann, sind für fächerförmige Filme ermittelt.Zukünftige Arbeiten in dem Projekt werden auf die Behandlung von konischen Filmen aus konventionellen Drall-Druck-Zerstäubern und aus einem speziell hierfür entwickelten Gerät konzentriert sein.
Kontakt:Telefon 09131/85 29501

Störung von Filmströmungen durch Substrat- und Druckprofile

Projektleitung:Prof. Dr. Hans Raszillier
Beteiligte:Dr. Norbert Alleborn
Förderer:
DFG
Stichwörter:Filmströmungen
Laufzeit:1.1.2001 - 31.12.2002
Inhalt und Ziele:Strömungen dünner Flüssigkeitsfilme auf geneigten ebenen Substraten sind von großem Interesse. Diese Strömungen sind stabil, solange eine (vom Neigungswinkel abhängige) kritische Reynoldszahl nicht überschritten wird. Für kleine Reynoldszahlen gibt die Schmierungs-Approximation eine gute Beschreibung der Strömung. Für technische Zwecke ist die Empfindlichkeit der (stabilen) Filmströmungen gegenüber Störungen von großer Bedeutung. Solche Störungen können durch (lokale) äußere Druckeinwirkung oder (unerwünschte) lokale Substratprofile verursacht werden. Die Empfindlichkeit hängt von den Filmparametern ab: Dichte, Viskositäi und Oberflächenspannung, dazu von der Filmdicke und dem Neigungswinkel des Substrats. Ziel der Projektarbeiten ist es, nach Erhalten einer Dünnfilm-Gleichung für Substrate mit Profil, diese zur Untersuchung der Einwirkung beabsichtigter oder störender Substratprofile auf das Strömungsverhalten von Filmen darüber einzusetzen.

Störungsverhalten dünner Flüssigkeitsvorhänge

Projektleitung:Prof. Dr. Hans Raszillier
Beteiligte:Dr. Norbert Alleborn
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Stichwörter:Signal-Antwort-Analyse,Flüssigkeitsvorhänge, Störwellen, Verfahrenstechnik
Laufzeit:1.6.2000 - 31.5.2001
Inhalt und Ziele:Das Projekt hat als Gegenstand die fluiddynamische Untersuchung, mit Hilfe der linearen Signal-Antwort-Analyse, der Ausbreitung kleiner Störungen in einem zähen dünnen Flüssigkeitsvorhang, deren Quellen etwa in aeusseren Druckeinwirkungen liegen, die sich über den Vorhang hinwegbewegen. Das Antwortsignal des Vorhangs, etwa die von der Störung verursachte Auslenkung der Vorhangoberfläche aus der ungestörten Lage, liefert wichtige Informationen über die Ausbreitungseigenschaften de Störungen, wie ihre Geschwindigkeiten und Dämpfungsraten, in Abhängigkeit von der Natur der Störung und der des Fluids. Das Verhalten der Vorhangstörungen liefert die Grundlagen zur Beantwortung wichtiger verfahrenstechnischer Fragen, etwa zur Einschätzung der Qualitätsbeeintraechtigung eines mit einem Beschichtungsvorhang auf ein Substrat aufgetragenen Films infolge von Störungen des Vorhangs.

Strömungsphysikalische Modellbildung abgelöster turbulenter Strömungen mittels Large-Eddy Simulation

Beteiligte:Dipl.-Ing. Nikola Jovicic
Förderer:
DFG
Mitwirkende
Institutionen:
DLR
TU München
Stichwörter:LES, Tragflügel
Laufzeit:1.1.2000 - 31.12.2004
Inhalt und Ziele:Komplexe Vorgänge in turbulenten Strömungen können mit den in der heutigen Industriepraxis üblicherweise eingesetzten statistischen Turbulenzmodellen auf der Basis der Reynolds gemittelten Navier–Stokes–Gleichungen (RANS) nur ungenügend vorhergesagt werden. Dies gilt insbesondere bei Strömungsproblemen, bei denen Strömungsphänomene wie Ablösung, Transition oder großskalige Wirbelstrukturen auftreten. Dagegen ist man heutzutage durch die Entwicklung moderner numerischer Verfahren, die Formulierung geeigneter Feinstrukturmodelle sowie nicht zuletzt durch die effiziente Implementierung der Algorithmen auf Höchstleistungsrechnern in der Lage, mit Hilfe der Large–Eddy Simulation (LES) solche komplexen turbulenten Strömungen detailliert zu berechnen. Derartige Simulationen stellen somit einen hervorragenden Ausgangspunkt dar, strömungsphysikalische Vorgänge zu untersuchen und auf diese Weise zu einem besseren Verständnis turbulenter Strömungsphänomene beizutragen. Das Hauptinteresse dieses Projektes liegt in der Untersuchung abgelöster, turbulenter Strömungen. Hierfür ist die Umströmung von Tragflügeln jenseits des Hochauftriebs ein klassisches Beispiel aus der Aerodynamik. Da diese Problemstellung mit Hinblick auf dynamisch ablaufende Strömungsvorgänge noch weitgehend unerforscht ist, wurde sie einer eingehenden Untersuchung mittels LES unterzogen. Die Aktivitäten orientierten sich dabei stark an dem so genannten Prinzipexperiment ”COSTWING“ des DLR Göttingen. Gegenstand dieses Experiments ist die Umströmung eines auf einem NACA–4415 Profil basierenden ungepfeilten Tragflügels, der in einem Wind– bzw. Wasserkanal montiert ist. Verschiedene Reynolds–Zahlen und Anstellwinkel können dabei berücksichtigt werden.

Strömungsphysikalische Modellbildung abgelöster turbulenter Strömungen mittels Large-Eddy Simulation

Beteiligte:Dipl.-Ing. Nikola Jovicic
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende
Institutionen:
Verbundschwerpunktprogamm TRANSITION, Themengruppe V (Strömungsphysikalische Modellbildung: Transition-Turbulenz-Ablösung)
Stichwörter:Ingenieurwesen, numerische Strömungsmechanik, Simulation komplexer turbulenter Strömungen, Turbulenzforschung, Transition, Large-Eddy Simulation
Laufzeit:1.1.2000 - 31.12.2002
Inhalt und Ziele:Durch die Entwicklung moderner numerischer Verfahren, die Formulierung geeigneter Modelle sowie nicht zuletzt durch die effiziente Implementierung der Algorithmen auf Höchstleistungsrechnern ist man heute in der Lage, mit Hilfe der Large-Eddy Simulation (LES) komplexe turbulente Strömungen von ingenieurwissenschaftlichem Interesse zu berechnen. Derartige Simulationen bilden ein hervorragendes Werkzeug, um die komplexen Vorgänge in turbulenten Strömungen besser zu verstehen und somit zur strömungsphysikalischen Modellbildung beizutragen. Dies ist genau das Ziel des vorliegenden Forschungsantrags. Mit dem bereits vielfältig validierten LES-Programm LESOCC werden inkompressible turbulente Außenströmungen mit großen Ablösegebieten untersucht, die nicht durch die Geometrie bedingt sind. Als Vorstudie wurde zunächst die Strömung über eine angestellte, ebene Platte berechnet. Das Hauptinteresse liegt jedoch auf der Simulation und Analyse der turbulenten Strömung um einen hoch angestellten, ungepfeilten Tragflügel mit großräumiger Ablösung der Grenzschicht (COSTWING-Exp.). Besonders für derartige Strömungen mit großskalig instationärem Charakter ist die LES-Technik sehr gut geeignet. Durch die detaillierte Analyse der Dynamik der instationären Strömung, der Auswertung einzelner Strömungsgrößen und Korrelationen sowie der Detektierung von Strukturen im Strömungsfeld soll das physikalische Verständnis für komplexe, abgelöste Strömungen verbessert werden. Für niedrige Reynoldszahlen (Re = O(104)) wurden im 1. Projektjahr bereits erfolgreich Simulationen durchgeführt, die nun im 2. Jahr weitergeführt und ausgewertet werden. Gegenstand der Arbeiten des Verlängerungsantrags (3. Jahr) ist die Erweiterung der Untersuchungen auf höhere, experimentell innerhalb des COSTWING-Experiments untersuchte Reynoldszahlen (Re = O(105)), inklusive des direkten Vergleichs mit den Meßergebnissen.

System zur Fremdkörpererkennung

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Hinzmann, E.; Dr.
Beteiligte:Dipl.-Ing. Judith Forstner
Förderer:
Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI), Bonn
Mitwirkende
Institutionen:
Lehrstuhl für Strömungsmechanik, FAU Erlangen-Nürnberg
Fraunhofer Anwendungszentrum für Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik (Franhofer AVV)
Wissenschaftsförderung der Dt. Brauwirtschaft e.V., Berlin
Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM), Frankfurt
VDMA Fachverband Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen, Frankfurt
Stichwörter:System zur Fremdkörpererkennung
Laufzeit:1.11.2007 - 31.10.2009
Inhalt und Ziele:Inhalt und Ziele: Die Anwesenheit von Fremdkörpern in mit Lebensmitteln gefüllten Behältnissen stellt für Hersteller und Abfüller sowie Zulieferer und Handel in der einschlägigen Wirtschaft ein überaus großes Problem dar. Außer Imageschäden müssen die durch die Produkthaftung entstehenden Risiken - insbesondere Personenschäden - und daraus folgende Regressforderungen und mögliche Auslistungen in Betracht gezogen werden. Angesichts der Vielzahl an möglichen Fremdkörpern und Behältnissen konzentrierte sich das Vorhaben auf solche feste, partikuläre Festkörper und solche Lebensmittelmatrizes, welche sich für die weit verbreiteten optischen Detektionsysteme schlichtweg als nicht zugänglich erweisen. Hierunter zählen insbesondere die mit hohem Risiko für den Endkunden verbundenen Fälle der Glasscherbe im Glasbehälter oder im opaken Lebensmittel. Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Grundlage für ein automatisierbares Erkennungssystem für partikuläre feste Fremdkörper mit einer charakteristischen Abmessung > 1 mm in mit flüssigen Lebensmitteln gefüllten Behältern zu schaffen, wobei der Fokus auf Glasscherben in Glasbehältnissen lag. Die Diagnose basiert auf der automatischen Aufnahme und Analyse von Multikontakt-Schwingungssignalen nach mechanischer Anregung und Auswertung mittels hybridem Algorithmus. Zudem soll sich das entwickelte System möglichst einfach in bestehende Anlagen integrieren lassen.
Kontakt:Delgado, Antonio
Telefon 09131/85 29500, Fax 09131/85 29503, E-Mail: antonio.delgado@fau.de
Publikationen:
  1. Delgado, Antonio ; Benning, Rainer ; Forstner, Judith:
    Neuartige Multikontakt-Detektion als Basis eines innovativen hybriden Systems zur automatischen Erkennung von partikulären, festen Fremdkörpern in abgefüllten, fließfähigen, nicht-stückigen Lebensmitteln am Beispiel von Produkten ausgewählter rheologischer Konstitution.
    Erlangen : FAU Erlangen-Nürnberg. 2009
    (AIF264ZBG). - Abschlußbericht
  2. Kasprzyk, Andreas ; Forstner, Judith ; Benning, Rainer ; Mauermann, Marc ; Majschak, Jens-Peter ; Delgado, Antonio:
    Neuartige Multikontakt-Detektion zur automatischen Erkennung von partikulären, festen Fremdkörpern in abgefüllten Lebensmitteln.
    In: Der Lebensmittelbrief - Ernährung aktuell (2009), S. 18-19
    Stichwörter: Fremdkörpererkennung Multikontakt-Detektion

Systematische Untersuchungen zur Einsatzqualifizierung einer innovativen Backofentechnik mit volumetrischem keramischem Brenner (VKB) einstellbaren Wellenlängenspektrums sowie hoher Regeldynamik und Energieeffizienz

Projektleitung:Dipl.-Ing. Vojislav Jovicic
Beteiligte:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Prof. Dr.-Ing. Thomas Becker
Förderer:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungseinrichtungen
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Mitwirkende
Institutionen:
FAU Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Strömungsmechanik
TU München, Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie
Stichwörter:Gasbackofen; Energieeffizienz
Laufzeit:1.5.2014 - 30.4.2017
Inhalt und Ziele:Das Hauptziel des Vorhabens besteht darin, die Einsatzqualifikation für ein innovatives Gasbackofenkonzept auf der Grundlage eines VKB systematisch zu erarbeiten. Diese Einsatzqualifikation erfordert eine kritische Bewertung des Betriebsfensters in der Wechselwirkung zu Produkteigenschaften und Prozessparametern. So muss eine Auswahl an produkt- bzw. prozessbezogenen Anforderungen an die Qualität erreicht werden, z.B. Farbe, Krustendicke, spezifisches Brotvolumen, usw. Des Weiteren muss der Energiebedarf mit dem ausgewählten Referenzofensystem vergleichbar sein (±10%). Ein zusätzliches Ziel besteht somit darin, auszuloten, welche Prozesszustände sich im neuartigen Gasofen durch die spezifische Nutzung von dessen innovationstragenden Merkmalen, nämlich Wellenlängenbeeinflussung, Regel- und Schaltdynamik und Energieeffizienz realisieren lassen.

Thermisch beaufschlagte Porenkörper und deren Durchströmungs- und Wärmeuebertragungseigenschaften.

Projektleitung:Dr. Dimos Trimis
Beteiligte:Dr.-Ing. Stevan Nemoda, Veselin Stamatov
Mitwirkende
Institutionen:
DLR-Instutut für technische Thermodynamik Koeln-Stuttgart
Fraunhofer Institut IKTS Dresden
Stichwörter:Porenkörper, Schaumstrukturen, Wärmetransport, Druckverlust
Laufzeit:1.4.1999 - 31.12.2002
Inhalt und Ziele:Die Durchströmung von Porenkörper ist bereits eingehend untersucht worden und hat sich in der Forcheimer-Erweiterung vom Darcy´schen Gesetz niedergeschlagen, welche die Grundlage fuer Druckverlust-Strömungsberechnungen bei durchströmten Porenkörpern darstellt. Gegenwärtig konzentrieren sich die Erweiterungen der Untersuchungen auf numerische Berechnungen mit Hilfe von Finite-Volumen-Lösern und Lattice-Boltmann-Automaten, um Details der Strömung im Inneren von Porenkörpern zu erfassen. Ergänzende Untersuchungen werden auch experimentell angestellt, um die fuer Kugelschüttungen abgeleiteten Beziehungen auf durchströmte Schäume zu erweitern, deren Herstellung durch moderne Keramikmaterialien möglich ist und die Porositäten aufweisen, die bei über 80% liegen. Für solche Materialien ist es nicht möglich, die in der Forchheimer-Erweiterung vom Darcy´schen Gesetz eingeführten charakteristischen Durchmesser von Feststoffkugeln heranzuziehen, ergänzt durch Angaben über die Porosität einer Kugelschüttung. Die aus Keramikmaterialien hergestellten Hochtemperaturschäume weisen Strukturen auf, die nicht als Kugelschüttungen theoretisch behandeln werden können. Betrachtet man die heute für Impuls- und Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden experimentellen Erkenntnisse, so stellt man fest, dass nur für Kugelschüttungen validierte Modelle existieren. Um Auslegerechnungen für hochporöse schaumartige Porenkörper durchfuehren zu können, sind experimentelle und numerische Modellierungsarbeiten notwendig, die in dem vorliegenden Vorhaben durchgeführt werden.

Turbulent Drag Reduciton by Dilute Addition of High Polymers

Projektleitung:apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Jovan Jovanovic
Beteiligte:Mira Pashtrapanska, Dipl.-Ing. Bettina Frohnapfel
Förderer:
FORTUM Neste Engineering Porvoo, Finland
Fortum Power and Heat Finland
Stichwörter:Drag Reduction
Laufzeit:1.1.2002 - 1.12.2004
Inhalt und Ziele:Turbulent drag reduction by dilute addition of high polymers is studied by considering local stretching of the molecular structure of a polymer by small-scale turbulent motions in the region very close to the wall. The stretching process is assumed to re-structure turbulence at small scales by forcing these to satisfy local axisymmetry with invariance under rotation about the axis alingned with the main flow. It is shown analytically that kinematic constraints imposed by local axisymmetry force turbulence near the wall to tend towards the one-component state and when turbulence reaches this limiting state it must be enirely across the viscous sublayer. For the limiting state of wall turbulence, the statistical dynamics of the turbulent stresses constructed by combining the two-point correlation technique and invariant theory, suggest that turbulent drag reduction by high polymers, cast into the functional space which emphasizes the anisotropy of turbulence, resemble the process of reverse transition from the turbulent state towards the laminar flow state. These findings are supported by results of direct numerical simulations of wall-bounded turbulent flows of Newtonian and non-Newtonian fluids and by experiments carried out, under well controlled laboratory conditions, in a refractive index-matched pipe flow facility using state-of the art laser-Doppler anemomentry. Theroretical considerations based on the elastic behaviour of a polymer and spatial intermittency of turbulence at small scales enabled quantitative estimates to be made for the relaxation time of a polymer and its concentration that ensure maximum drag reduction in turbulent pipe flows, and it is shown that predictions based on these are in very good agreement wigh available experimental data.
Kontakt:Jovanovic, Jovan
Telefon 09131/85 29507, Fax 09131/85 29503, E-Mail: jovan.jovanovic@fau.de

Untersuchung der numerisch bedingten Abweichungen bei direkten numerischen Simulationen entwickelter turbulenter Kanalströmungen

Projektleitung:Dr. Thomas Zeiser
Beteiligte:Dr. Kamen Beronov
Förderer:
DFG
KONWIHR
Industrie
Stichwörter:DNS, turbulente Kanalströmung
Laufzeit:1.1.2001 - 31.12.2004
Inhalt und Ziele:Turbulente Kanalströmungen sind mehrfach berechnet worden. Es ist jedoch unklar geblieben, welchen genauen Einfluss numerische Parameter, wie z.B. Gebietslänge, Auflösung, oder Anfangsbedingungen, auf die meisten wichtigen Turbulenzstatistiken haben. Ergebnisse direkter numerischer Simulationen (DNS) werden oft als Referenzwerte verwendet. Bei sorgfältigen Vergleichen ergeben sich jedoch wesentliche Abweichungen, auch zu Labormessungen. Technische Voraussetzungen: Eine auf Vektorparallelrechner optimierte Version des Lattice Boltzmann Lösers BEST stand zur Verfügung, einschließend Möglichkeiten zum Aufbau geeigneter Anfangsbedingungen und zur Berechnung der wichtigsten Statistiken. Die Abhängigkeit berechneter Turbulenzstatistiken von physikalischen Parametern soll von den numerischen Effekten aufgelöster DNS getrennt werden. Die Entstehung und der Einfluss numerischer Faktoren wie Gebietslänge, Auflösung, und Anfangsbedingungen sollen geklärt werden. Entsprechende Empfehlungen zur Vermeidung von numerisch bedingten Abweichungen, die bisher bei berechneten Turbulenzeigenschaften aufkommen, sollen formuliert werden.

Untersuchungen zur Flüssigkeits-Gastrennung und Diffusion unter Anwendung poröser Medien bei kompensierter Gravitation

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. habil. Michael E. Dreyer
Beteiligte:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Dr.-Ing. Manuel Münsch
Förderer:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Mitwirkende
Institutionen:
Universität Bremen, Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)
FAU Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Strömungsmechanik
Stichwörter:Phasentrennung;Parabelflug
Laufzeit:1.1.2017 - 31.12.2019
Inhalt und Ziele:Die Eigenschaften von porösen Medien sollen genutzt werden, um schwerkraftunabhängig die Trennung von flüssigen und gasförmigen Phasen zu ermöglichen.Im Rahmen von fünf erfolgreichen Experimentkampagnen mit dem Experiment „Capillary Channel Flow“ (CCF) auf der internationalen Raumstation wurden Erfahrungen mit der qualitativen Nutzung von Phasentrennungstechnologien gemacht, die in diesem Vorhaben auf eine quantitative Basis gestellt werden sollen. In der Zwischenzeit wurden die Möglichkeiten der numerischen Simulation dergestalt verbessert, dass auf Porenebene Berechnungen durchgeführt werden können und nicht mehr auf empirische Methoden zurückgegriffen werden muss. Phasentrennungstechnologien können auch zur gezielten Einbringung einer gasförmigen Komponente in eine andere Flüssigkeit genutzt werden. Auch hier gibt es qualitative Erfahrungen, die in diesem Vorhaben genauer untersucht und quantitativ dargestellt werden sollen.

Verbesserte Beschichtung von Mikrostrukturen mit Ultraschall

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado
Förderer:
Atotech Deutschland GmbH
Stichwörter:Akustische Kavitation, Beschichten, Microstreaming, Ultra-Hochgeschwindigkeits-Strömung Visualisierung
Laufzeit:1.6.2010 - 31.5.2013
Inhalt und Ziele:Die Verwendung von Ultraschall stellt einen innovativen Schritt im Bereich der Beschichtung von Leiterplatten mit Mikrostrukturen dar. Das beantragte Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die fehlenden Grundlagen zum industriellen Einsatz der Ultraschalltechnik bei der Beschichtung von extrem dünnen Schaltkreisen zu erarbeiten. Dies geschieht durch detailliere Untersuchung der gekoppelten Effekte zwischen den vom Ultraschallfeld induzierten Strömungseffekten und dem Schichtbildungsprozess.
Kontakt:

Verbesserte Schwingungsisolation für Fahrersitze von Nutzfahrzeugen mit auf neuartigen Materialien basierenden verstellbaren Dämpfern und darauf abgestimmten Regelalgorithmen

Projektleitung:Prof. Dr. Peter Brunn
Beteiligte:Emad Al-Khateeb, Florian Zschunke
Förderer:
Bayerische Forschungsstiftung
Mitwirkende
Institutionen:
Suspa Holding, Grammer AG, Lehrstuhl für Regelungstechnik der FAU
Stichwörter:aktiver regelbarer Dämpfer, ER Fluide, MR Fluide
Laufzeit:1.6.2001 - 31.5.2002
Inhalt und Ziele:Elektrorheologische Fluide (ERF) und magnetorheologische Fluide (MRF) sind "geistreiche Materialien (smart materials) deren rheologische Eigenschaften sich reversibel innerhalb von Millisekunden stufenlos verändern lassen durch Anlegen externer elektrischer bzw. magnetischer Felder. Die steuerbaren Strömungseigenschaften dieser Teilchensuspension eröffnen dadurch insbesondere bei Schwingungsdämpfern zahlreiche potentielle Anwendungsmöglichkeiten im Hinblick auf die geforderte Schwingungsisolation. Einen, für Fahrersitze von Nutzfahrzeugen (Lkw, Traktoren,...) gedachten aktiven Dämpfer, der stufenlos regelbar ist, zu konzipieren, zu bauen und schließlich unter realen Bedingungen zu testen ist Ziel des Vorhabens.

Verkettetes Stoff- und Energiemanagement in Wassersystemen der Brauereien mittels informationstechnologischer Hybride auf der Grundlage von Referenz-Petri-Netzen

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Prof. Dr.-Ing. habil. Norbert Räbiger
Beteiligte:Dr.-Ing. Frauke Groß, Stefan Hubert, M. Sc., Thorben Helmers, M. Sc., Dipl.-Ing. Ulrich Mießner, Dr. Holger Wessolowski
Förderer:
Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI), Bonn
Mitwirkende
Institutionen:
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Department Chemie- und Bioingenieurwesen, Lehrstuhl für Strömungsmechanik
Universität Bremen, Institut für Umweltverfahrenstechnik
Krones AG / Brauerei Friedrich Gutmann / Wissenschaftsförderung der Deutschen Brauwirtschaft e.V. / JUMO GmbH & Co. KG / Einbecker Brauhaus AG / Kitzmann-Bräu GmbH & Co. KG / Edelweiss GmbH & Co. KG / AWITE Bioenergie GbR / ATRES engineering biogas / Licher Privatbrauerei Jhring-Melchior GmbH / SYSTEC GmbH / Nestlé Deutschland AG
Stichwörter:Lebensmittelproduktion; Prozessoptimierung; Modellierung und Simulation; Referenznetze; Energie- und Stoffstrommanagement; Getränkeproduktion; Bier
Laufzeit:1.4.2013 - 30.6.2015
Inhalt und Ziele:Das Management der Wasser- und Abwasserströme in der sekundären Lebensmittelproduktion ist überaus anspruchsvoll. Die Festlegung von Benchmarks (Global-Reporting-Initiative (GRI), EU-Regularien, Kyoto-Protokoll, Umweltmanagementsysteme (EMS) und Audit-Schemata (EMAS)) zeigt deutlich die Notwendigkeit, weltweit umwelt- und ressourcenschonende Konzepte zu entwickeln. Dies gilt insbesondere für die Exportnation Deutschland, die zugleich zu den Ländern mit einer der höchsten Wasser- und Abwasserpreisstrukturen gehört (regional bis zu 3,50 - 4,50 €/m³ Frischwasser (FW) und Abwasser (AW)), die einen hohen Kostendruck bei der wasserintensiven Produktion von Lebensmitteln bzw. Getränken beinhalten.

Zusätzlich zu einem minimierenden FW-Einsatz einzelner Prozessschritte (z.B. durch optimierte Phasentrennung in Spülvorgängen) werden deshalb Frischwasser- und Abwasser-Aufbereitungssysteme (FW/AW) eingesetzt und weiterentwickelt. Im produzierenden Sektor setzen sich zudem zunehmend Verfahren wie eine interne Wasserrückführung durch, welche die Abwasserproduktion minimieren und damit anfallende Kosten der End-of-pipe-Systeme reduzieren.

Darüber hinaus zeichnen sich erhebliche Fortschritte hinsichtlich der Bereitstellung geeigneter Sensoren und Wasserbehandlungstechnologien ab. Auch gibt es neuartige Ansätze im FW/AW-Management hinsichtlich der Identifizierung und Trennung von Wassersystemen entsprechend der organischen Beladung (Fracht, Belastung). Die bisherigen Ansätze tragen aber überwiegend den Charakter von Insellösungen (z.B. Aufbereitung des Wasserstroms der Flaschenwaschmaschine von Brauereien). Verkettete, dynamische Wasser- und Energiemanagementkonzepte mit einer potentiellen Verankerung auf der Prozessleitebene fehlen bislang völlig.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es deshalb, ein validiertes hybrides, informationstechnologisches Tool zum dynamischen Management der Stoffströme in den FW/AW-Systemen von Brauereien zu entwickeln. Dabei betrifft das angestrebte Management nicht nur die FW/AW-Systeme, sondern auch die mit ihnen unmittelbar verbundenen Prozesse des Transports, der Transformation und der Akkumulation von Energie.

Publikationen:
  1. Hubert, Stefan ; Groß, Frauke ; Delgado, Antonio ; Helmers, Thorben ; Mießner, Ulrich ; Räbiger, Norbert:
    Verkettetes Stoff- und Energiemanagement in Wassersystemen der Brauereien mittels informationstechnologischer Hybride.
    Vortrag: ProcessNet Jahrestreffen der Fachgruppen Lebensmittelverfahrenstechnik (LVT) und Phytoextrakte (PHYTO), TU München, Freising/Weihenstephan,
    München, 2014
  2. Hubert, Stefan ; Pettigrew, Liam ; Groß, Frauke ; Delgado, Antonio ; Helmers, Thorben ; Mießner, Ulrich ; Räbiger, Norbert:
    Simulation-based optimisation of wastewater flow and composition for on-site treatment in the food and beverage industry utilising reference nets in combination with genetic algorithms.
    Vortrag: 85th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg,
    Erlangen, 2014

Virtual Engineering in der Entwicklung und Optimierung von statischen Zerstäubungsdüsen für die Niederdruckreinigung filmischer Verschmutzungen

Projektleitung:Dr.-Ing. Manuel Münsch, Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado
Beteiligte:Fraunhofer Gesellschaft e. V.
Förderer:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungseinrichtungen
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Stichwörter:Spritzreinigung; Düsen
Laufzeit:1.6.2016 - 31.5.2018
Inhalt und Ziele:Die Spritzreinigung von Oberflächen mit filmischen Verschmutzungen ist eine Standardaufgabe in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Verbesserungen am Reinigungssystem führen zur Einsparung an Reinigungskosten durch verkürzte Stillstandszeiten und verringerte Aufwendungen für die Reinigungsmittelaufbereitung sowie -entsorgung. Einen Beitrag dazu soll das Projekt leisten, indem durch Virtual Engineering ein grundlegend neuartiger Ansatz für die konstruktive Auslegung effizienzoptimierter Spritzreinigungsdüsen entwickelt wird. Die geplante virtuelle Düsenauslegung und Düsenoptimierung ermöglicht es künftig, Reinigungsdüsen zweckspezifisch und systematisch auszulegen, sodass schon vorab eine fast unbegrenzte Zahl an Veränderungen der Düsengeometrie virtuell und mit überschaubarem Aufwand getestet werden kann. Das hat signifikant positiven Einfluss auf die Qualität der Optimierung und folglich auf die Reinigungseffizienz der Düsen. Aufgrund der komplexen Wirkzusammenhänge beschränkt sich das Vorhaben auf das System Düse-Freistrahl-Oberfläche. In diesem abgeschlossenen System prallt der über die Düse ausgebrachte Spritzstrahl auf die zu reinigende Oberfläche. Dabei kommt es zu fluiddynamischen Effekten infolge des Impulsaustauschs des Freistrahls mit der Oberfläche bzw. Verschmutzung. Dieser Prozess induziert Kräfte, welche in der Verschmutzungsschicht Spannungen erzeugen. Erreichen diese eine anwendungsspezifische Größe, erfolgt eine nachhaltige Schädigung mit daraus resultierendem Abtrag der Verschmutzung. Um den bei dieser Betrachtungsweise aufgeworfenen wissenschaftlich-technischen Herausforderungen in geeigneter Weise zu begegnen, soll die grundsätzliche Idee des aus der Mechanik bekannten Mohrschen Spannungskreises auf das Reinigungsverhalten von Verschmutzungsfilmen übertragen werden. Zusammen mit wohlfundierten strömungsmechanischen Bilanzgleichungen bildet dies eine tragfähige Grundlage für das geplante Virtual Engineering wirkungsoptimierter Niederdruckspritzdüsen.

Wall Models for Large-Eddy Simulation

Beteiligte:D. Stojkovic
Förderer:
DFG
Stichwörter:Feinstruktr- und Wandmodelle, LES
Laufzeit:1.11.2000 - 1.3.2006
Inhalt und Ziele:For turbulent flows at high Reynolds numbers Re the concept of large-eddy simulation (LES) offers a suitable method for resolving accurately the dynamics of the large-scale eddies while modeling the small sub grid-scale motion. Despite the fact that it is possible to model the small scales, LES remains a computationally intensive technique especially when a solid wall is present in the fluid domain. In this case, the number of computational points required for a wall resolved LES to get a fully resolved inner layer scales with Re2.4 and hence exceeds present computational capabilities already at moderate Re. One possibility to avoid extremely high resolutions close to walls in LES calculations of an engineering problem is to use approximate wall boundary conditions bridging the inner wall layer. The purpose of the work is to develop an efficient wall function based on Schumann’s and Piomelli’s approach with the help of statistical tools. This wall function should be tested on the plane channel flow and later extended and used for flows with separation which are of great importance in engineering practice
Kontakt:

Wissensbasierte Reduzierung des Energie- und Wasserbedarfs bei der Weinerzeugung mittels informationstechnologischer Hybride auf der Grundlage von Referenz-Petri-Netzen

Projektleitung:Dr.-Ing. Frauke Groß, Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado
Beteiligte:Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum (DLR) Rheinpfalz Abt. Weinbau und Önologie
Förderer:
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungseinrichtungen
Mitwirkende
Institutionen:
Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V.
Stichwörter:Energieeffizienz; Wasserbedarf; Petri-Netze; Prozessautomatisierung
Laufzeit:1.5.2015 - 31.10.2017
Inhalt und Ziele:Ziel des Forschungsvorhabens ist die Reduzierung der Energie- und Wasserbedarfs bei der Weinerzeugung. Dazu soll ein hybrides, informationstechnologisches Werkzeug basierend auf Referenz-Petri-Netzen entwickelt werden, das in die Prozessleitebene der Betriebe integrierbar ist und auf im Prozess erfassten Daten eine Echtzeit-Abbildung und Visualisierung des Gesamtprozesses realisieren kann.