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Bestimmung von Charakteristiken langsamer bis schneller H2-CO-Verbrennung und Ableitung von Risikokriterien (KEK)

Laserinduzierte Unterwasser Low-Order-Detonation zur effizienten Entschärfung von Kampfmittel im Meer, Vorhaben: Prozessentwicklung und -analyse zur laserinduzierten Low-Order-Detonation von Kampfmitteln unter Wasser

Numerische Untersuchungen von Impaktszenarios und extremen Bauteildeformationen mittels zuverlässiger Methoden

Heutzutage spielen Wissenschaft und Technologie eine entscheidende Rolle, um die kontinuierliche Entwicklung in der Industrie zu unterstützen und innovative, nachhaltige und umweltfreundliche Produkte anbieten zu können. Vielfältige anspruchsvolle technische Fragen sind zu klären. Dabei können nicht alle Fragestellungen allein durch experimentelle Untersuchungen gelöst werden, da die Testverfahren selbst nicht leicht zu instrumentieren und mitunter sehr kostenintensiv sind. Insbesondere sind Impaktbelastungen von Bauteilen durch Detonationen oder den Aufprall eines Projektils, wie sie derzeit in der Bauforschung intensiv untersucht werden, stellen für experimentelle Untersuchungen eine große Herausforderung dar. Alternativ oder unterstützend zur experimentellen Untersuchung, wurden Simulationsmethoden entwickelt, die eine detaillierte, zuverlässige numerische Analyse der Fragestellung in einem virtuellen Labor ermöglichen. Aufgrund der hohen Effizienz und Realitätsnähe sowie der geringen Kosten kommen diese virtuellen Untersuchungen immer stärker zum Einsatz. Um die Effizienz und die Vorhersagegenauigkeit dieser numerischen Analysen weiter zu erhöhen, ist es notwendig, die zugrundeliegenden Methoden weiterzuentwickeln. Dabei liegt das Hauptaugenmerk zum einen auf der Entwicklung geeigneter konstitutiver Materialbeschreibungen sowie der Entwicklung robuster numerischer Methoden, die das Strukturverhalten realitätsnah abbilden können. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung und Umsetzung eines zuverlässigen Simulationsansatzes, der die Interaktionen der multi-physikalischen Vorgänge, wie sie insbesondere bei Impaktvorgängen auftreten, erfassen und vorhersagen kann. Die in den vergangenen Jahrzehnten entwickelten Simulationswerkzeuge, wie die Finite-Elemente-Methode (FEM), das Finite-Volumen-Verfahren oder das Finite-Differenzen-Verfahren bauen auf einer netzbasierten Diskretisierung der zu untersuchenden Struktur auf. Diese Simulationswerkzeuge führt jedoch bei extrem großen Deformationen, wie sie bei Impakt- oder Umformvorgängen auftreten, zu stark verzerrten Elementen und somit zu einem schlechten Konvergenzverhalten, ungenauen Ergebnissen oder zum Abbruch der Berechnung. Seit Mitte der neunziger Jahre wird an der Entwicklung sogenannter netzfreier Diskretisierungsmethoden gearbeitet, um die Hürden der netzbasierten Methoden zu überwinden und neue Ansätze zu schaffen. Dieser Simulationsansatz bildet die Grundlage für die methodische Weiterentwicklung der netzfreien Berechnungsansätze sowie die Untersuchung von aktuellen industriellen Fragestellungen, um eine effiziente und nachhaltige Herstellung technologisch anspruchsvoller Produkte zu gewährleisten. Insbesondere bei der Bewertung von Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bauteilen sowie bei der effizienten und nachhaltigen Nutzung von Rohstoffen können diese Werkzeuge einen wesentlichen Beitrag leisten. (Text gekürzt)

Entwicklung von ddtHyCoCentralFoam als Analysewerkzeug reaktorsicherheitsrelevanter Verbrennungsphänomene (KEK)

Das KEK Vorhaben dient der Weiterqualifikation eines Doktoranden/Doktorandin in einem Promotionsprojekt, das mit der Untersuchung des Einflusses von CO auf die Verbrennung mit möglicher Detonation in Kernkraftwerken eine hochaktuelle technisch-wissenschaftliche Zielsetzung bietet. Die Analysekette von Reaktorstörfällen umfasst neben der Gasgemischbildung aus Wasserstoff-Dampf-Luft (In-Vessel) bzw. Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Dampf-Luft (Ex-Vessel mit MCCI) im mit passiven Rekombinatoren (PARs) bestückten Containment/Reaktorgebäude auch die Untersuchung einer möglichen Flammenausbreitung in den gebildeten brennfähigen Gasgemischen. In diesem Vorhaben soll ein CFD Verfahren entwickelt werden, das in diese Analysekette integriert wird. Durch die Vereinigung eines druck- und eines dichtebasierten Solvers, wird die akkurate Abbildung der Frühphase der Flammenausbreitung magerer Gemische sowie der schnellen Flamme und der möglichen Detonation realisierbar. Der Fokus liegt auf der Verbrennungsmodellierung für langsame Flammen für Wasserstoff-Kohlenmonoxid. Aufgrund der komplexen Struktur der Flammenausbreitung in mageren Gemischen ist die Modellierung anspruchsvoll und soll an die Erkenntnisse eines vorhergehenden KEK-Vorhabens angelehnt werden. Die Verbrennungsmodellierung des hybriden Solvers soll an klein- sowie großskaligen Experimenten validiert werden. Rekombinatoren zeigen neben der beabsichtigten brennstoffmindernden Wirkung ein Potential zur Selbstzündung der Brenngase, das genauer analysiert werden soll. Der Systemcode COCOSYS bietet unter Berücksichtigung von PARs eine effiziente Methode zur Bestimmung der Gemischverteilung im Containment/Reaktorgebäude für Störfälle. Durch eine räumlich-zeitliche Filterung auf dem Berechnungsgitter der CFD sollen der Verbrennungsrechnung die COCOSYS Daten zur Verfügung gestellt werden. Der grundlegend untersuchte 'Generic Containment Case' bietet die Möglichkeit, das hybride Verfahren aus Systemcode und CFD-Rechnung als Teil der Analysekette zu testen.

Graduiertenkolleg (GRK) 2250: Impaktsicher-heit von Baukonstruk-tionen durch mineralisch gebundene Komposite

Bestehende Konstruktionen aus Beton oder Stahlbeton weisen i. d. R. einen relativ geringen Widerstand gegen kurzzeitdynamische Belastungen wie z. B. Stoß, Detonation oder Erdbeben auf. Das zentrale Ziel des Graduiertenkollegs ist, bestehende Gebäude und Bauwerke durch Applikation von flächigen, dünnschichtigen Verstärkungen deutlich widerstandsfähiger zu machen. Durch die Verwendung neuartiger mineralisch gebundener Komposite soll die Sicherheit der Menschen und der für das Leben der Menschen wichtigen Infrastruktur signifikant erhöht werden. Die entwickelten Grundlagen werden außerdem das wirtschaftliche und ökologische Bauen von neuen, gegen Impaktbeanspruchungen höchstresistenten Strukturen ermöglichen. Die Vision des GRK setzt sich aus fünf Teilen zusammen, die den gesamten Skalenbereich vom Werkstoff bis zum Bauwerk betreffen. Diese umfassen die Entwicklung von: Neuen mineralisch gebundenen Kompositen mit unterschiedlichen Faserbewehrungen; Konstruktionskonzepten und Bemessungsgrundlagen für die Verstärkung bestehender Betonkonstruktionen; Mess- und Auswertungsmethoden zur Untersuchung der beim Impakt stattfindenden Prozesse; Methoden zur numerischen Simulation des Impactverhaltens neuer Betonstrukturen; Grundlagen für die Bewertung der Verstärkungsmaßnamen. Der Beitrag des ITM befindet sich hauptsächlich in der Erarbeitung der Material-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und der Entwicklung von Methoden und Modellen zur Auslegung von zellularen Bewehrungsstrukturen für impaktresistente mineralisch gebundene duktile Verstärkungsschichten sowie deren experimenteller Erprobung. Mittels Kennwertermittlung und Modellansätzen werden ein tiefgreifendes Verständnis zur Aufklärung der Mechanismen des Deformationsverhaltens und des Energieabsorptionsvermögens der 3D-Bewehrungsstrukturen erarbeitet und die auf die Textilkonstruktion abgestimmten Materialgesetzmäßigkeiten als Basis für die Auslegung impaktgeeigneter Matrixrezepturen und Verstärkungsschichten abgeleitet.

Experimentelle Untersuchung eines diskontinuierlichen Freistrahls in Folge einer Hohlladungseinwirkung bei der Beförderung von Kernbrennstoffen

Verformungs- und Versagensverhalten dünnwandiger Rohrleitungen unter Detonationsbeanspruchung

Derzeit bekannte Ansätze für die Auslegung von Rohrleitungen unter Detonationsbeanspruchung sind entweder auf rein elastische Rohrreaktionen beschränkt oder aber sie berücksichtigen die gasdynamischen Reaktionen nicht in ausreichendem Maße. Forschungsbedarf besteht daher in der Untersuchung der vielschichtigen Wechselwirkungen zwischen dem Gas und der Rohrstruktur und in der Entwicklung eines zuverlässigen Werkzeuges zur sicherheitstechnischen Bewertung von Rohren unter Detonationsbeanspruchung. Neben der genauen Kenntnis der vielfältigen komplexen Belastungsgrößen und deren Wechselwirkung mit der Struktur ist auch das Verständnis des Materialverhaltens und der Bruchmechanismen der Struktur unter den auftretenden Beanspruchungsgeschwindigkeiten- und -temperaturen erforderlich. Unter bestimmten Bedingungen kann es zur Ausbildung adiabatischer Scherbänder (ASB) kommen. Dieser Mechanismus ist seit einiger Zeit bekannt, jedoch konnten die Randbedingungen für das Auftreten dieses Phänomens mit Bezug auf Rohrleitungen in Kernkraftwerken in den vorangegangenen Vorhaben nicht abschließend isoliert werden. Forschungsbedarf besteht daher in der eingehenden Untersuchung zur Ausbildung von ASB und an der Weiterentwicklung und Validierung adäquater Material- und Versagensmodelle.

RoBEMM - Robotisches Unterwasser-Bergungs- und Entsorgungsverfahren inkl. Technik zur Delaboration von Munition im Meer, insb. im Küsten- und Flachwasserbereich, Vorhaben: Sicherheitstechnische Auslegung der Prozesskette vom Munitions- und Sprengstoffhandling zur Entsorgung

Ziel dieses Verbundvorhabens ist es, einen wirtschaftlich sinnvollen Verfahrensweg und eine dazugehörige Technik zu entwickeln, die für den Küsten- und Flachwasserbereich hervorragend geeignet ist und zukünftig die Freilegung und Identifizierung von detektierten Objekten sowie die Beseitigung des Kampfmittels vor Ort (Unterwasser) vollautomatisiert (ohne den Einsatz von Tauchteams) und ohne Detonation durchführen kann. Dazu soll eine zu entwickelnde Versorgungsplattform mit Low-Cost-WROV und Bearbeitungseinheit genutzt werden. An diesem Vorhaben sind die automatic Klein GmbH, das Fraunhofer ICT, die Heinrich Hirdes EOD Services GmbH (Koordination) sowie das Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement der Universität Leipzig beteiligt.

Entwicklung von Kriterien für Flammenbeschleunigung und Detonationsübergang - Phase II: Untersuchungen für reaktornahe Bedingungen mit verschiedenen H2-Anfangsverteilungen, Hindernisgeometrien und Zündorten

Ermittlung experimenteller Daten zur Ableitung von Kriterien für Flammenbeschleunigung (FB) und Detonationsübergang (DDT) in H2-Luft-Gemischen mit Konzentrationsgradienten und partiellem Einschluss unter besonderer Berücksichtigung geometrischer Parameter in der Ausbreitungsstrecke der Flamme. Zur genaueren Abschätzung eines möglichen H2-Risikos in laufenden KKWs sind verbesserte Kriterien für FB und DDT nötig, die den Effekt von Gemischgradienten, Abströmöffnungen und geometrischen Einflüssen der Ausbreitungsstrecke realitätsnäher beschreiben. Derzeitige Kriterien würden das Risiko überschätzen und nicht notwendige oder überzogene Schutzmaßnahmen erforderlich erscheinen lassen. Die Ergebnisse sind auch außerhalb der Reaktorsicherheitsforschung von grundlegender Bedeutung. Begleitet von Vorausberechnungen zu FB und DDT sollen im ersten Teil des Projekts die Einflüsse der geometrischen Eigenschaften von Hindernissen auf die Flammenausbreitung in einem großen, horizontalen Kanal untersucht werden. Im zweiten Teil soll dann im gleichen Kanal das Ausbreitungsverhalten von, in einer stark versperrten, kurzen Anfangsregion des Kanals erzeugten, schnellen Flammen oder Detonationen in unversperrten Kanälen untersucht werden. In diesen ersten beiden Projektteilen sollen homogene Mischungen und Mischungen mit vertikalen Konzentrationsgradienten untersucht werden. Der dritte Teil des Projekts, der in einem etwas kleineren, vertikalen Kanal durchgeführt werden soll, behandelt den Einfluss der Orientierung der Gasschichten auf die Flammenausbreitung. Dabei werden in diesem Kanal homogene Mischungen und Mischungen mit Konzentrationsgradienten in unterschiedlichen Richtungen an unterschiedlichen Positionen gezündet um durch einen Vergleich mit bisher gewonnenen Daten Unterschiede im Abbrandverhalten zu finden. Aufbauend auf die so gewonnen Datenmatrix sollen dann allgemeinere Kriterien für FB und DDT abgeleitet und in Simulationsrechnungen erprobt werden.

Experimentelle und numerische Grundlagenuntersuchungen zum Einfluss von Mischungsgradienten und Wassereinspritzung auf die Flammenausbreitung

Ziel des vorgeschlagenen Vorhabens ist die grundlegende Untersuchung der Einflüsse der mehrdimensionalen Verteilung von Wasserstoff und flüssigem Wasser auf die Verbrennungsvorgänge in Containments. Neben der Verallgemeinerung und Verbesserung bestehender Transitionskriterien soll auch eine Methode entwickelt werden, um die Wasserstoffverbrennung unter komplexen Anfangsbedingungen durch numerische Simulation zu berechnen. Das Arbeitsprogramm besteht aus einem experimentellen und einem numerischen Teil. Im experimentellen Teil sollen eine bestehende Versuchsanlage und die dazu gehörige Messtechnik so ergänzt werden, dass Versuche mit senkrechten Hindernissen und mit Wassereinspritzung durchgeführt werden können. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf Grundlagenversuchen mit optischen Messverfahren, die neue Erkenntnisse zu Flammenbeschleunigung und DDT sowie Validierungsdaten für die numerischen Untersuchungen erbringen sollen. Im numerischen Teil soll zunächst die Reaktionsratenberechnung verbessert werden, bevor untersucht wird, wie man durch Skalentrennung die deflagrative Flammenausbreitung, DDT und die Detonation in reaktortypischen Geometrien mit einem einzigen Code numerisch simulieren kann.

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