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Numerische Abbildung von Deckwerken mittel CFD-DEM

Ziel des Forschungsprojekts ist die Ermittlung optimierter Deckwerksausbildungen für charakteristische Randbedingungen an Seeschifffahrtsstraßen. Ein gekoppeltes CFD-DEM Model wird entwickelt zur Simulation der Interaktion der Deckwerkssteine mit schiffsinduzierten Wellen und Strömungen. Aufgabenstellung und Ziel Deckwerke aus losen Wasserbausteinen werden regelmäßig zum Schutz von Uferböschungen an Schifffahrtsstraßen vor Erosion durch hydraulische Belastungen aus schiffs- und windinduzierten Wellen und Strömungen verbaut. Die derzeitigen Berechnungsgrundlagen zur Deckwerksbemessung basieren hauptsächlich auf physikalischen Versuchen und Erfahrungen aus dem Betrieb von Binnenwasserstraßen oder Küstenschutzbauwerken. Für die komplexen und vielfältigen Randbedingungen an Seeschifffahrtsstraßen und im Tidegebiet sind die derzeitigen Berechnungsgrundlagen unzulänglich und die Bemessung daher mit wenig quantifizierbaren Unsicherheiten verbunden. Regelwerke, wie sie für Binnenwasserstraßen entwickelt wurden (GBB, BAW 2010; MAR, BAW 2008), existieren nicht. Für eine sichere und nachhaltige Bemessung der Deckwerke an Seeschifffahrtsstraßen werden numerische Simulationen zur Untersuchung der Stabilität von Deckwerken unter typischen hydraulischen Belastungen im Tidegebiet eingesetzt. Insbesondere ein gekoppeltes Computational Fluid Dynamics - Discrete Element Method (CFD-DEM) Modell wird weiterentwickelt, um die Interaktion zwischen Deckwerksteinen und schiffsinduzierten Wellen und Strömungen zu untersuchen. Ziel des Forschungsprojekts ist die Ermittlung optimierter Deckwerksausbildungen für charakteristische Randbedingungen an Seeschifffahrtsstraßen. Aufbauend auf diesem FuE-Projekt können Regelbauweisen hergeleitet werden und in ein Merkblatt münden. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Erweiterte Kenntnisse über die Interaktion zwischen Deckwerksteinen und hydraulischen Belastungen im Tidegebiet werden zu einer optimierten Deckwerksausbildung für charakteristische Randbedingungen an Seeschifffahrtsstraßen führen. Geringere Bau- und Unterhaltungskosten sind bei einem ausreichendem Sicherheitsniveau und höherer Nachhaltigkeit zu erwarten. Untersuchungsmethoden Im Rahmen des Vorgängerprojekts (B3952.06.04.70270) wurde bereits ein CFD-DEM-Modell zur Untersuchung der Stabilität von losen Deckwerken gegenüber Wellen- und Strömungsangriff entwickelt (Petzold 2018; Sorgatz 2023). Physikalische Modellversuche sowie Messungen in der Natur wurden durchgeführt und mit dem Modell numerisch simuliert. Das Modell hat jedoch einige Einschränkungen, die nunmehr behoben werden sollen. Insbesondere soll ein neues Modell erstellt werden, bei dem die Fluidzellen kleiner als die Steine sind, um Strömungseffekte und Turbulenzen zwischen Deckwerksteinen zu berücksichtigen. Außerdem sollen nicht-sphärische Geometrien zur Darstellung der Steine verwendet werden, um diese exakter zu simulieren. Zur Entwicklung dieses neuen Modells soll die Software CFDEM® (Goniva 2012) verwendet werden, die zudem den Vorteil besitzt, multi-core zu rechnen. Messungen von Schiffsbelastungen in der Natur sowie von Strömungsbelastungen in der hydraulischen Rinne dienen als Eingangswerte zur Erzeugung der numerischen Wellen und Strömungen. Weitere repräsentative Messungen der resultierenden Zustandsgrößen im Feld und/oder in physikalischen Modellversuchen bilden die Grundlage für die numerische Simulationen und für die Modellkalibrierung und Modellvalidierung. Die bereits vorhandenen Messdaten werden verwendet, aber auch neue Messkampagnen sind geplant. Vorhandenes sowie neues Messequipment soll dabei zum Einsatz kommen (instrumentierte Wasserbausteine, autarke Wasserdruck- und Strömungssonden, ggf. eine Porenwasserdrucksonde). Mit dem neuen numerischen Modell werden zunächst die bereits erfolgten physikalischen Versuche nachgerechnet und verglichen. (Text gekürzt)

Material- und Reparaturinnovationen für Offshore Leading Edge Protection Systeme, Teilvorhaben: Entwicklung eines dauerfesten metallischen Erosionsschutzsystem inklusive Integration in das Blitzschutzsystem von Rotorblättern von Windenergieanlagen

Eine der häufigsten Gründe für Ertragsverluste und hohen Instandhaltungskosten von Rotorblättern von Windenergieanlagen ist die Beschädigung von Oberflächenbeschichtungen der Rotorblätter. Nach aktuellem Kenntnisstand entstehen diese durch Bewitterung in Kombination mit Partikel- und Regenerosion. Zunächst kommt es zu leichten Aufrauhungen an der Blattvorderkante, die zu Ertragsverlusten der Anlagen führen. Mit fortschreitender Schädigung der Blattvorderkanten erreichen die Ertragsverluste einstellige Prozentwerte. Aufgrund des bereits hohen Bestands an Anlagen, dem politisch geplanten starken Ausbau der offshore Windenergie und der hohen wirtschaftlichen Relevanz einer stabilen Beschichtung ist es erforderlich, neue Vorderkantenschutzlösungen mit innovativen Ansätzen zu erarbeiten. Dieses Teilvorhaben des Verbundvorhabens MARiLEP wird sich mit der Entwicklung von metallischen Vorderkanten beschäftigen und eine Lösung für die Integration in das bestehende Blitzschutzkonzept von Rotorblätter sowie ein einfaches Applikationskonzept erarbeiten. Das Vorhaben wird damit einen Beitrag zur Sicherung des Ertrags der Bestandsanlagen und der Verbesserung der Leistungsfähigkeit zukünftiger Anlagen leisten.

Modellbasierte Systems-Engineering-Methode für die gleitgelagerte modulare WEA-Hauptlager-Entwicklung, Teilvorhaben: Modellbasierte Optimierung von Rotorhauptlagersystemen

Windenergie ist eine zentrale erneuerbare Energiequelle in Deutschland. Aktuelle Windenergieanlagen (WEA) nutzen Wälzlager als Hauptlager, was zu Produktionsausfällen und hohen Instandhaltungskosten führt. Zukünftig sollen segmentierte Gleitlager eingesetzt werden, die einen einfacheren Austausch ermöglichen und bereits in Forschungsprojekten erfolgreich getestet wurden. Bisherige Forschungen beschränkten sich jedoch auf eine Triebstrangkonfiguration und Lagergeometrie. Für eine technisch-wirtschaftliche Gesamtsystem-Auslegung und -Optimierung ist diese Einschränkung hinderlich. Um Gleitlager in verschiedenen Triebstrangkonzepten anzuwenden und eine breite Marktabdeckung zu erreichen, muss die Auslegung eines Hauptlagersystems auf Basis physikalischer Verhaltensmodelle erfolgen. Die Auslegung kann durch Methoden des Model Based Systems Engineering (MBSE) unterstützt werden und so effizient gestaltet werden. MBSE wird in Branchen wie der Luftfahrt und Automobilindustrie bereits erfolgreich eingesetzt. Das Ziel des Forschungsprojekt SEgmEnt ist eine validierte MBSE-Methode zur Auslegung von gleitgelagerten Hauptlagersystemen von WEA und ein Systemmodell, das mittels der Methode abgeleitet wird. Das Systemmodell ermöglicht die effiziente Auslegung eines optimalen Hauptlagersystemdesigns und die Definition von Testplänen zur Verifikation kritischer Komponenten. Im Projekt SEgmEnt wird ein durchgängiges Systemmodell für das Hauptlagersystem einer WEA entwickelt, implementiert und durch skalierte Prüfstandversuche validiert Die Erkenntnisse fließen in eine Verbesserung des Systemmodells und eine erneute Auslegung für ein optimiertes Lagerdesign ein.

Mehrwege-Kathodenventil, Teilprojekt ZBT: Simulation Systemdynamik und Materialqualifizierung Kathodenventil (M-Kav)

Mehrwege-Kathodenventil, Teilvorhaben: Simulation Systemdynamik und Materialqualifizierung Kathodenventil (M-Kav)

Wirtschaftliche Auswirkung von Umweltschutzmassnahmen auf Molkereibetriebskosten

a) Kalkulation der Auswirkung von Umweltschutzmassnahmen auf Molkereibetriebskosten. b) Modellkalkulationen zu jeweils bedeutsamen Umweltschutzmassnahmen. c) Die Kalkulation erfolgt fallweise nach Bedarf, z.Z. im Kontakt mit Arbeitsgruppen der Wirtschaft.

Drehbogen als Steuerungsglied fuer Abwassersysteme (Steuertechnik Drehbogen)

Innovatives Abwasserableitsystem und dessen Funktion. Unter Ausnutzung physikalischer Moeglichkeiten gelingt es, ein Abwassernetz unter Einfuegung eines Systembausteins (Drehbogen) als vermaschtes System kontinuierlich dynamisch zu betreiben. Im Ergebnis wurde festgestellt: - Die Kanalreinigungen entfallen. - Die Verweildauer der Abwasser im System verringert sich. - Korrosion wird eingedaemmt bzw. vermieden. - Die Automatisierung ist vereinfacht. - Stauraum wird gewonnen. - Die Betriebssicherheit ist groesser als beim herkoemmlichen System. Auch bei einem Ausfall des Systembausteins ist die Betriebssicherheit absolut gegeben. - Es entstehen keine schaedlichen Staustoesse mehr. - Spuelvorgaenge sind auch bei Trockenwetterabfluss moeglich. - Altablagerungen werden remobilisiert und ausgetragen. - Die Regelung des Abwasserabflusses wird feinfuehlig. - Der Systembaustein ist wartungsarm. - Der Funktionsraum der mechanischen Bauteile ist gas- und wasserdicht. - Sanierungskosten koennen reduziert werden. - Das System gewaehrt humanes Arbeiten. - Die Stadthygiene wird verbessert. - Das System wirkt umweltentlastend. - Das System ist wirschaftlich. Eine Minderung der Betriebs- und Wartungskosten ist um 50 Prozent moeglich. Betriebserfahrungen: Nach zweijaehrigem Betrieb sind keine Beanstandungen feststellbar.

Studie ueber den technologischen Stand von Pyrolyse- und Hochtemperaturverbrennungsverfahren in USA, Europa und Japan

Ziel der Arbeit ist es, bestehende Pyrolyseanlagen im Hinblick auf technische Aspekte, Kosten, Wert der Rohstoffrueckgewinnung (monetaer und nicht monetaer) und Umweltbelastung zu untersuchen. Die Anlagen werden auf 100-150 Tagestonnen-Anlagen umgerechnet und danach einer Kosten-Nutzen-Analyse unterzogen. Abhaengig von lokalen Gegebenheiten wird die Gewichtung der Kriterien im Analysemodell vorgenommen. Das Ergebnis ist die Benennung einer oder mehrerer Verfahren, die die gestellten Anforderungen erfuellen. Die ausgewaehlten Verfahren werden dann noch einmal kritisch untersucht, um Auskunft ueber verfahrenstechnische Probleme zu erhalten.

Energietransport durch transparente und nichttransparente Aussenwandkonstruktionen unterschiedlichen Aufbaus

Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit mit der Fa Josef Gartner in 8883 Gundelfingen unter der Projektverantwortlichkeit von Dr Schulz und Dr Wieland durchgefuehrt. Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, den Wissensstand und die Erfahrungen ueber die Gestaltung einer 'energieoptimalen' Fassade zu vervollstaendigen. In diesem Zusammenhang wurde unter Freilandbedingungen die energetische Qualitaet von insgesamt 11 verschiedenen ausgefuehrten Fassaden in Landzeittests untersucht. Waehrend der Versuchszeit wurden in zwei Messzyklen, die sich jeweils ueber ein gesamtes Kalenderjahr (1985 und 1988) erstreckten, je fuenf Fassadentypen mit dem energetischen Verhalten einer sogenannten Standard- oder Referenzfassadenausfuehrung verglichen. Aus den in Versuchen und durch Simulationsrechnungen gewonnenen Erkenntnissen, die als ein Mass fuer die Betriebskosten eines Gebaeudes angesehen werden koennen, laesst sich fuer den jeweils spezifischen Einzelfall eine Beurteilung der Fassade aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht durchfuehren.

Einrichtung und Betrieb einer Sauerstoffanreicherungsanlage in einem Wasserkraftwerk

Zweck und Ziel: Bei der Einfuehrung der Abflussregelung des Mains hat die WSV dafuer zu sorgen, dass der Mindestsauerstoffgehalt an der Stauhaltung der WSV-Wasserkraftwerke mindestens 5 g/m3 betraegt. Nach den kontinuierlich gemessenen Sauerstoffwerten der letzten 5 Jahre ist dies nicht immer gewaehrleistet und daher eine kuenstliche Sauerstoffanreicherung erforderlich. Nach den Erfahrungen und Untersuchungen der BfG soll ein Sauerstoffanreicherungssystem geschaffen werden, welches nachtraeglich in Wasserkraftwerke eingebaut werden kann. Dabei wird ein optimaler und moeglichst kostenguenstiger Betrieb der Anlage angestrebt. Ausfuehrung: 1. Datenerhebung von Sauerstoffmesswerten; 2. Ermittlung von Grundlagen (Modellversuche) fuer die Sauerstoffanreicherungsanlage; 3. Dimensionierung der Anlage aufgrund der Datenerhebung; 4. Aufstellen eines genehmigungsfaehigen Entwurfes und Beratung bei der Ausschreibung; 5. Durchfuehrung eines Messprogrammes zur Erprobung und Optimierung der Anlage, sowie Erstellung einer Betriebsanleitung. Ergebnisse: Fuer die Dimensionierung der Sauerstoffanreicherungsanlagen in den WSV-Wasserkraftwerken Eddersheim und Griesheim wurden die kontinuierlichen Sauerstoffmessungen der LfU von der BfG aufbereitet. Der nachtraegliche Einbau dieser Anlagen machte es erforderlich, ein voellig neues Eintragssystem zu entwickeln, was mit geringem Wartungsaufwand und guenstigen Betriebskosten betrieben werden kann. Hierfuer wurden von der BfG ausfuehrliche Grundsatzuntersuchungen im Modellmassstab durchgefuehrt. Nach den Untersuchungsergebnissen und Berechnungen ist die Anlage konzipiert worden und kann vollautomatisch betrieben werden. Dem

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