Um die Gründe der Entstehung der Gefügeanisotropie beim Foliengießen dünner, keramischer Schichten besser zu verstehen und die dabei relevanten Material- und Prozessparameter identifizieren zu können, wurde in dieser Arbeit ein Simulationsmodell auf Basis der Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH) entwickelt und validiert, das in der Lage ist den Prozess, und somit technische Suspensionen, auf Ebene der Mikrostruktur abzubilden.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Eine wichtige Zielstellung bei der Entwicklung moderner Flugtriebwerke ist die weitere Steigerung der Effizienz bei gleichzeitiger Reduktion von Schadstoffemissionen und Lärm. Hierfür müssen neue und innovative Brennkammerkonzepte entwickelt und validiert werden, da die Art der Verbrennungsführung und die Positionierung der Flamme in der Brennkammer die Emissionscharakteristiken entscheidend bestimmt. Die Verbrennungsführung wiederum wird maßgeblich durch die Zerstäubung des flüssigen Kraftstoffs beeinflusst. Bisher war jedoch der Vorgang der Primärzerstäubung des Brennstoffes einer vollständigen numerischen Beschreibung nicht zugänglich. Die große Spanne unterschiedlicher Längenskalen der Gas- und Flüssigphase während des Zerfallsprozesses bedingt einen immensen numerischen Aufwand, der durch die Notwendigkeit der physikalisch exakten Beschreibung der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen und den dort vorherrschenden Phänomenen und Prozessen noch zusätzlich erhöht wird.
Im vorliegenden Forschungsbericht wendet der Autor die relativ junge numerische Methode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) erstmals für die Berechnung des Primärzerfalls von Brennstoff in luftgestützten Zerstäuberdüsen an. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Steigerung der numerischen Leistungsfähigkeit der SPH Methode im Vergleich zu klassischen gitterbasierten Verfahren. Weiterhin wird auf Aspekte der Implementierung eingegangen, welche den erfolgreichen Einsatz der Methode auf modernen Hochleistungsrechnern ermöglichen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Validierung des Verfahrens mit Hilfe von am Institut für Thermische Strömungsmaschinen vorhandenen detaillierten Messergebnissen einer generischen planaren Zerstäuberdüse. Sowohl die Validierungsergebnisse als auch die numerische Leistungsfähigkeit unterstreichen das hohe Potential von SPH zur numerischen Berechnung komplexer Mehrphasenströmungen mit starker Phasenwechselwirkung
Aktualisiert: 2023-05-15
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Für die effektive numerische Berechnung von Strömungsphänomenen im frühen Entwicklungsprozess wurde methodisch das Zusammenwirken verschiedener Berechnungstools hinsichtlich der Berechnungsdauer und Güte auf handelsüblichen Desktoprechnern untersucht. Dabei ist die Skalierbarkeit der Berechnungsmodelle auf unterschiedliche geometrische Skalen sowie die Umsetzungsmöglichkeit der Berechnung kombinierter Fluidphasen essenziell.
Für die Umsetzung wurden erste Grundlagenuntersuchungen an einfachen Geometrien experimentell und virtuell durchgeführt sowie die Ergebnisse gegenübergestellt. Daraus konnten Anforderungen abgeleitet und bereits im Ausschlussverfahren für das Projekt ungeeignete Software detektiert werden.
Weiterhin wurden die Simulationsparameter, aufbauend auf den Grundlagenuntersuchungen, an die komplexen Geometrien von Bauteilen/Baugruppen bis hin zum Viertelfahrzeug angepasst. Somit konnten für die jeweiligen Berechnungstools die Stärken hinsichtlich der Anforderungen an die Geometrie und die physikalischen Randbedingungen abgeleitet werden.
Anschließend wurde eine Software entwickelt, welche automatisiert Ergebnisse unterschiedlicher Softwarelösungen und geometrischer Skalen verarbeitet, interpoliert und anschließend auf gewählten Schnittstellen bereitstellt. Somit lassen sich die effektivsten Berechnungsmethoden miteinander verknüpfen.
Zudem konnte im Laufe der Bearbeitungszeit eine Software (PreonLab) zum Einsatz kommen, welche hinreichend genau und dennoch zeitlich effektiv komplexe Strömungsphänomene berechnen kann.
Im Zuge der Projektbearbeitung konnten somit Anforderungen als auch Randbedingungen für die numerische Berechnung komplexer Strömungsphänomene am Gesamtfahrzeug beschrieben werden.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Im Rahmen steigender Qualitätsanforderungen der Kunden und kürzerer verfügbarer Entwicklungszeiträume sind virtuelle Methoden ein elementarer Bestandteil für die erfolgreiche Produktentwicklung. Aber nicht überall stehen Simulationsmethoden zur Verfügung. Die Auslegung des Wassermanagements und des Korrosionsschutzes ist bis heute eine erfahrungs- und versuchsbasierte Auslegung, welche erst in der Hardwarephase überprüft werden kann. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Simulationsmethodik zur Bestimmung der Fließwege korrosiver Medien und der daraus resultierenden Belastung am virtuellen Prototypen. Neben der Benetzung von Oberflächen ist auch die Benetzungsdauer zu bestimmen. In der Umsetzung kommt ein im technischen Bereich noch junger Ansatz der gitterfreien Strömungssimulation, vertreten durch die Smoothed-Particle-Hydronamics-Methodik (SPH), zum Einsatz. Mit dieser ist es möglich, die Beregnung eines Gesamtfahrzeugs über einen langen Zeitraum mit einem hohen Detailumfang und einem akzeptablen Zeitbedarf zu realisieren. Die am stationären Fahrzeug generierten Ergebnisse ermöglichen dabei eine detaillierte Auswertung der Fließwege und besitzen eine sowohl qualitative als auch quantitative hohe Übereinstimmung mit Prüfstandsdaten. Für die Bestimmung der Benetzungsdauer ist die Simulation des Phasenwechsels vorgesehen. Auch hier bildet die Basis der Einsatz der SPH-Methodik mit einer künstlichen Luftphase. Die notwendigen Randbedingungen sind durch die Kombination mit der konventionellen Strömungssimulation zu generieren. Eine Abschätzung der Effektivität von Gegenmaßnahmen wird somit virtuell möglich.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Entwicklung und Implementation einer Methode zur Anwendung der Flachwassergleichungen (Shallow-Water-Equations, SWE) auf der Oberfläche beliebiger dreidimensionalen Geometrien.
Die Arbeit beinhaltet die Herleitung der theoretischen Grundlagen und deren numerische Diskretisierug mit der Smoothed-Particle-Hydrodynamics (SPH) Methode. Die Implementation wird validiert mit verschiedenen Resultaten aus der Literatur und mit selbst durchgeführten Messungen.
Aktualisiert: 2020-07-02
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Eine wichtige Zielstellung bei der Entwicklung moderner Flugtriebwerke ist die weitere Steigerung der Effizienz bei gleichzeitiger Reduktion von Schadstoffemissionen und Lärm. Hierfür müssen neue und innovative Brennkammerkonzepte entwickelt und validiert werden, da die Art der Verbrennungsführung und die Positionierung der Flamme in der Brennkammer die Emissionscharakteristiken entscheidend bestimmt. Die Verbrennungsführung wiederum wird maßgeblich durch die Zerstäubung des flüssigen Kraftstoffs beeinflusst. Bisher war jedoch der Vorgang der Primärzerstäubung des Brennstoffes einer vollständigen numerischen Beschreibung nicht zugänglich. Die große Spanne unterschiedlicher Längenskalen der Gas- und Flüssigphase während des Zerfallsprozesses bedingt einen immensen numerischen Aufwand, der durch die Notwendigkeit der physikalisch exakten Beschreibung der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen und den dort vorherrschenden Phänomenen und Prozessen noch zusätzlich erhöht wird.
Im vorliegenden Forschungsbericht wendet der Autor die relativ junge numerische Methode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) erstmals für die Berechnung des Primärzerfalls von Brennstoff in luftgestützten Zerstäuberdüsen an. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Steigerung der numerischen Leistungsfähigkeit der SPH Methode im Vergleich zu klassischen gitterbasierten Verfahren. Weiterhin wird auf Aspekte der Implementierung eingegangen, welche den erfolgreichen Einsatz der Methode auf modernen Hochleistungsrechnern ermöglichen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Validierung des Verfahrens mit Hilfe von am Institut für Thermische Strömungsmaschinen vorhandenen detaillierten Messergebnissen einer generischen planaren Zerstäuberdüse. Sowohl die Validierungsergebnisse als auch die numerische Leistungsfähigkeit unterstreichen das hohe Potential von SPH zur numerischen Berechnung komplexer Mehrphasenströmungen mit starker Phasenwechselwirkung
Aktualisiert: 2023-04-17
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Aktualisiert: 2017-11-02
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Um die Gründe der Entstehung der Gefügeanisotropie beim Foliengießen dünner, keramischer Schichten besser zu verstehen und die dabei relevanten Material- und Prozessparameter identifizieren zu können, wurde in dieser Arbeit ein Simulationsmodell auf Basis der Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH) entwickelt und validiert, das in der Lage ist den Prozess, und somit technische Suspensionen, auf Ebene der Mikrostruktur abzubilden.
Aktualisiert: 2023-03-31
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