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Numerische Untersuchung eines neuen Konzepts zur Lastenkontrolle von Windenergieanlagen in atmosphärischer turbulenter Zuströmung

Um die Energieausbeute zu erhöhen wurden in den vergangenen Jahren Windenergieanlagen mit zunehmend größerem Rotordurchmesser entwickelt. Eine weitere signifikante Vergrößerung der Rotoren erfordert die Entwicklung neuer Konzepte und Technologien, um einen überproportionalen Anstieg von Gewicht und Herstellungskosten zu vermeiden und die Energie-Erzeugungskosten zu senken. Das gemeinsame Ziel des Forschungsschwerpunktes besteht in der Entwicklung und Bewertung innovativer Konzepte zur Lastenkontrolle. Im beantragten Teilvorhaben soll eine hochgenaue CFD-basierte Berechnungskette weiterentwickelt und zur Berechnung der instationären Lasten einer Windenergieanlage mit bzw. ohne aktivierter Lastenkontrolle angewendet werden. Dabei soll eine realitätsnahe atmosphärische Zuströmung mit zeitlich aufgelöster Turbulenz betrachtet werden. Die Komplexität der betrachteten Konfiguration sowie der Zuströmung wird dabei sukzessive erhöht, um spezifische Einflüsse gezielt untersuchen zu können, Vergleiche mit Windkanalversuchen der Univ. Oldenburg und der TU Darmstadt zu ermöglichen und schließlich Daten zur Verbesserung vereinfachter Berechnungsverfahren der TU Berlin und der TU Darmstadt zu liefern. Da sich die Windkanalversuche nur im Modellmaßstab durchführen lassen wird das entwickelte numerische Verfahren zur Bewertung der Wirksamkeit des Lastenkontrollkonzepts für eine generische Anlage im Original-Maßstab unter atmosphärischen Bedingungen genutzt.

Einbindung verzögerter Neutronen in das Monte-Carlo-Programm SERPENT zur Simulation von Transienten mit gekoppelter Neutronik und Thermohydraulik

Das in der deutschen Reaktorsicherheitsforschung vornehmlich genutzte CFD-Programm zur Simulation der Thermohydraulik, ANSYS CFX, ist heute in der Lage, umfangreiche, transiente Vorgänge zu simulieren. Auf dem Gebiet der Monte Carlo Codes ist dies für die Neutronik in diesem Umfang noch nicht möglich. Bei der Auslegung eines Reaktors spielt der Einfluss der verzögerten Neutronen eine große Rolle, ohne sie wäre eine Regelung undenkbar. Auch für die Nachrechnung zeitabhängiger Abläufe, wie z.B. ein Reaktivitätsstörfall, ist die Einbeziehung dieses Einflusses unumgänglich. In den typischen Neutronik-Codes wie MCNP, SERPENT oder TRIPOLI sind die verzögerten Neutronen allerdings noch nicht implementiert bzw. nur Transienten ohne ihren Einfluss simulierbar. Daher soll im Rahmen dieses Vorhabens die Einbindung von verzögerten Neutronen im Monte Carlo Programm SERPENT vorgenommen werden, um die Berechnung von Leistungstransienten wie beispielsweise bei Reactivity Initiated Accidents zu ermöglichen, und mit der Anpassung einer bereits bestehenden exemplarischen Kopplung zwischen ANSYS CFX und SERPENT dabei auch die Rückkopplung zwischen Neutronik und Thermohydraulik einzubeziehen. Das Arbeitsprogramm ist in folgende Arbeitspakete unterteilt: AP1: Aufbereitung und Bereitstellung der Datenbasis AP2: Untersuchung verschiedener Implementierungsstrategien AP3: Umsetzung einer ausgewählten Strategie im gekoppelten CFX-SERPENT-Prototyp AP4: Plausibilitätsanalyse des transienten Verhaltens im Prototyp AP5: Umsetzung in SERPENT AP6: Verifikation und Validierung AP7: Dokumentation Die Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit dem IEK-6 des Forschungszentrums Jülich durchgeführt, wobei neben dem dort vorhandenen Know-How vor allem die Infrastruktur der institutseigenen Rechnerkapazitäten genutzt werden. Das zentrale Thema der Einbindung in den Quellcode SERPENT wird in engem Kontakt, auch vor Ort, mit dem Entwicklerteam des Programms SERPENT am VTT in Finnland erfolgen.

OptiTBC - Wärmedämmschichten mit optimierten Haftungseigenschaften für energieeffiziente Kraftwerksturbinen, Koordination und grundlegende Forschung

Es wird eine Methode entwickelt, die mit thermischer Anregung eine flächige Bestimmung der Schichthaftung ermöglicht. An vom Projektpartner Rauschert gefertigten Schichten wird durch instationäre Untersuchungsmethoden der Zusammenhang zwischen Haftung und Temperatur bzw. Reflexionsgradänderung untersucht. Dazu kommt ein Messverfahren zum Einsatz, das auf kurzer An-regung beruht. Eine ähnliche Methode zur Untersuchung von Kontaktwiderständen ist vom Antragsteller bereits beschrieben und an Modellproben eingesetzt worden. Diese, für punktförmig messende Systeme etablierte Methode soll jetzt auf zweidimensional messende Kamerasysteme übertragen werden, um die Untersuchung flächiger Proben zu ermöglichen. Schwerpunkt wird die qualitative Quantifizierung der Effekte auf einer großen Fläche sein und erst in zweiter Linie soll eine Korrelation der Ergebnisse mit einem physikalischen Modell erfolgen. Die Methode soll für Kamerasysteme vom visuellen bis mittleren IR-Bereich einsetzbar und daher für unterschiedliche Schichtsysteme anwendbar sein. Die Arbeiten der FHWS umfassen die Charakterisierung der Kamerasysteme und deren Einsatz zur Schichtcharakterisierung, die Entwicklung geeigneter Heizverfahren, die Analyse des Zusammenhangs zwischen den Temperatur- und Reflexionsgradänderungen und den Haftungseigenschaften der TBCs sowie die Charakterisierung von Schichtsystemen mit dem entwickelten Verfahren. Die Arbeiten der FHWS ergänzen die des ZAE Bayern synergetisch. Während der Schwerpunkt des ZAE Bayern auf punktuellen, spektralen Verfahren liegt, beschäftigt sich die FHWS mit zweidimensional messenden Kamerasystemen zur bildgebenden Analyse der Haftungseigenschaften. Daneben werden an der FHWS Messungen zur Erfassung der Delamination von Schichten an den präparierten Proben und mit den optimierten Kamerasystemen durchgeführt. Die Ergebnisse fließen schließlich in eine Optimierung der Schichten ein. Durch die FHWS erfolgt die Koordination des Gesamtprojektes.

HoLeGaMo: Erforschung und Entwicklung eines effizienten Hochleistungs-Gasmotors für den industriellen Einsatz in stationären und instationären Anwendungen

Ziel des Vorhabens ist es, bei Projektende einen monovalenten Erdgasmotor unter Verwendung des ottomotorischen Brennverfahrens als Antriebsmaschine für schwere industrielle Einsätze dargestellt zu haben. Es soll ein energieeffizientes und sehr schadstoffarmes Brennverfahren (besser als EU Stufe IV und Stufe V) mit hoher Leistungsdichte (ca. 30 kW/dm3) entwickelt werden. Im Vergleich zu Dieselmotoren weisen Ottomotoren, insbesondere in der Motorteillast, einen deutlich höheren Kraftstoffverbrauch auf. Durch die Verwendung einer intelligenten Ventilsteuerung soll dieser Verbrauchsnachteil minimiert werden. Die neuartigen Ventile der Firma NONOX ermöglichen eine nahezu drosselfreie Laststeuerung und damit eine deutliche Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades. Im Rahmen des Projektes ist es geplant, einen Demonstrator aufzubauen und diesen anhand von Motorprüfstandversuchen zur Validierung des Lastenhefts zu vermessen.

Mikrostrukturmodellierung zur Optimierung holzfaserbasierter Wärmedämmstoffe, Teilvorhaben 1: Physikalische Charakterisierung und Validierung

Transienten-Untersuchungen in der PKL-Versuchsanlage - PKL IIIi Systematische Untersuchungen zu T/H Phänomenen und Experimentelle Absicherung von Abfahrprozeduren

Carbon2Chem-L1: DynHySyn, Instationärer Betrieb eines Wasserelektrolyseurs zur Bereitstellung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff: Hierüber wird die Verknüpfung zwischen den Industriezweigen der Energie-, Stahl- und Chemie-Branche ermöglicht

Modellierung des Post-Dryout-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung an Brennstäben unter SWR- und DWR- relevanten Bedingungen

Für die Sicherheitsanalyse eines Leichtwasserreaktors spielt der Wärmeübergang vom Brennstab auf das Kühlmedium nach der Siedekrise (Post-Dryout, PDO) eine wichtige Rolle. Der Post-Dryout-Wärmeübergang bestimmt u.a. das Versagen des Hüllrohres. Eine Vielzahl von empirischen Modellen zur Beschreibung des PDO-Wärmeübergangs, die in Sicherheitsanalyseprogrammen verwendet werden, weichen jedoch teils erheblich voneinander ab. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Verbesserung und/oder die Entwicklung der Modellierung des PDO-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung. Dafür muss eine grundlegende experimentelle Datenbasis für die Weiterentwicklung und Validierung vorhandener und/oder neuer Modelle erweitert werden. Neue Temperaturmesstechnik und Visualisierungstechnik ermöglichen die Erfassung des thermischen Ungleichgewichts sowie die Visualisierung des Strömungsmusters und somit ein verbessertes Verständnis der physikalischen Vorgänge des PDO-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung. Die Aufgaben innerhalb des Vorhabens sind: Experimentelle Ermittlung des thermischen Ungleichgewichts, des Strömungsmusters und des Wärmeübergangskoeffizienten im PDO-Bereich und der Wiederbenetzung im stationären Zustand und mit Transienten. Durch optische Visualisierungstechnik werden physikalische und für PDO-Wärmeübergang und Wiederbenetzung relevante Vorgänge erkannt. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für die Entwicklung neuer Modelle. Im theoretischen Teil werden Modelle zur Beschreibung des PDO-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung erstellt sowie Skalierungsmodelle entwickelt, mit deren Hilfe die Ergebnisse von Freon R-134a auf Wasser übertragen werden können. Zusammenfassend ergeben sich folgende Zielsetzungen: 1) Experimentelle Untersuchungen zum PDO-Wärmeübergang und der Wiederbenetzung unter stationären und transienten Bedingungen mit Schwerpunkt auf Phasenverteilung, Flüssigkeitstropfentransport und Dampftemperatur 2) Modellentwicklung für den PDO Wärmeübergang, die Wiederbenetzung und der Fluid-zu-Fluid Umrechnung unter Beachtung des thermischen Ungleichgewichts und des Strömungsmusters mit anschließender Validierung 3) Entwicklung eines Wiederbenetzungsmodells für prototypische Brennstäbe.

MEmBran: Modellierung von Emissionen und Brennstoffverbrauch beim Manövrieren von Schiffen, Vorhaben: Modellierung des instationären Motor- und Schiffsverhaltens

OptiTBC - Wärmedämmschichten mit optimierten Haftungseigenschaften für energieeffiziente Kraftwerksturbinen, Forschung und Entwicklung spektroskopischer und berührungsloser Messverfahren

Das Ziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung einer instationären Methode, welche mit Hilfe bildgebender Systeme die Ermittlung der Haftungseigenschaften keramischer Wärmedämmschichten (englisch: Thermal Barrier Coatings, TBCs) für den Einsatz in Kraftwerksturbinen ermöglicht. Dazu werden am ZAE Bayern die Zusammenhänge zwischen der Haftung bzw. Delamination von Schichten und der Temperatur- bzw. Reflexionsgradänderung untersucht und qualitativ erfasst. Die zu entwickelnde Methode kann sowohl bei der Schichtherstellung als auch während des Betriebs der Turbinen eingesetzt werden. Durch eine Verbesserung der Schichteigenschaften können höhere Betriebstemperaturen gefahren werden, was den Wirkungsgrad der Turbine und damit deren Energieeffizienz erhöht. Die zerstörungsfreie Überwachung der Schichten reduziert außerdem die Anzahl der Wartungsintervalle in denen die Turbine stillsteht und die Schaufeln evtl. ausgetauscht werden müssen, wodurch auch die Ressourcen- und Kosteneffizienz erhöht wird. Die Arbeiten des ZAE Bayern umfassen im Wesentlichen die spektrale Charakterisierung der optischen und infrarot-optischen Eigenschaften von TBCs, um die Kamerasysteme auf die verschiedenen Spektralbereiche anzupassen, die experimentelle Bestimmung von Heizparametern zur Induzierung einer Temperaturvariation, die theoretische Modellierung des Zusammenhangs von Haftungs-, Temperatur- und Reflexionsgradänderungen, sowie die Charakterisierung von Schichtsystemen mit dem im Vorhaben entwickelten Messverfahren. Die Aktivitäten des ZAE Bayern ergänzen dabei die der FHWS synergetisch. Während der Schwerpunkt der FHWS auf zweidimensional messenden Kamerasystemen liegt, wird das ZAE Bayern punktuelle, spektral-auflösende Verfahren zur umfassenden Charakterisierung der keramischen Wärmedämmschichten einsetzen. Darüber hinaus werden am ZAE Bayern Messungen zur Erfassung der Delamination von Schichten an den von Rauschert präparierten Proben durchgeführt.

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