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Digitalisierung und interdisziplinäre Auslegungstechnologien von Turbomaschinen für die Energiewende, Teilvorhaben: 2.3b

Bei der Expansion von Dämpfen in Turbinen wird häufig in das Zwei-Phasen-Gebiet hinein expandiert, um hohe Prozesswirkungsgrade zu erreichen, so dass Kondensation einsetzt. Dieser Vorgang ist bereits von Dampfturbinen in fossil gefeuerten Kraftwerken bekannt, tritt aber auch genauso in Anlagen mit alternativen Fluiden wie CO2 oder Methan auf. Die Kondensation und die daraus resultierende tropfenbeladene Strömung führen zu zusätzlichen Verlusten bei der Expansion. Des Weiteren lagern sich Tropfen auf Oberflächen ab und bilden dort Kondensatfilme, aus denen durch Wiedereintrag und Zerstäubung größere Tropfen entstehen, welche die nachfolgenden Laufschaufeln durch Tropfenschlagerosion schädigen. Alle diese Prozesse können bislang nur unzureichend mit numerischen Strömungssimulationen abgebildet werden, da nach wie vor keine experimentellen Daten zur Validierung vorhanden sind. Im Rahmen des Vorhabens wird hierfür ein Dampfturbinenversuchsstand umfangreich mit Sensorik zur Detektion des Einsetzens der Kondensation, der Messung des dabei entstehenden Tropfenspektrums und der Untersuchung des Filmverhaltens auf Oberflächen ausgestattet. Da Druck und Temperatur im Zwei-Phasen-Gebiet gekoppelt sind, ist die Bestimmung des thermodynamischen Zustands am Austritt von Turbinen und damit die Wirkungsgradberechnung nur möglich, wenn zusätzlich der Nässeanteil im Dampf gemessen wird. Aktuell ist kein Messverfahren verfügbar, das eine solche Messung ohne Aufwand und mit hoher Genauigkeit erlaubt, so dass eine Zustandsüberwachung und Wirkungsgradbestimmung bei nass durchströmten Turbinen schwierig ist. Daher werden verschiedene Ansätze auf ihre Eignung zur stationären Messung des Nässeanteils hin untersucht. Die entwickelten Messverfahren werden anschließend für Wirkungsgradmessungen an einer optimierten Beschaufelung eingesetzt. Mit den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen sollen die verwendeten numerischen Verfahren zur Modellierung der Kondensation validiert werden.

Data used for the dissertation of Martin Utz [2025]

This dataset provides a set of input data for each test case, as well as for the river engineering application used in Martin Utz's dissertation. The corresponding simulation results are also provided. Together with the settings described in the thesis and the software (https://git.iws.uni-stuttgart.de/dumux-pub/Utz2025b), this allows the simulations discussed in the dissertation to be reproduced.

Data used for the paper "Implicit time discretisation as a potential avenue to achieve full coupling between shallow water flow and bedload transport" [Utz, 2025]

This dataset contains all data, which have been used to write the linked paper. In addition, it contains all Python scripts used for the evaluation of the data.

WarmWorld - Modul 1 Better, Teilprojekt 6: Kopplung und Entwicklung ICON-Land

Dynamic Self Monitoring Cables, Teilprojekt B

Dynamic Self Monitoring Cables, Teilprojekt A

Vergleichende analytische und numerische Berechnungen der Deckwerk-Versagensmechanismen gegen oberflächennahes Abgleiten

Die Standsicherheit einer Böschung ist gegen oberflächennahes Abgleiten zu untersuchen. Ergebnisse analytischer Ansätze sollen mit denen numerischer Berechnungen verglichen werden, um evtl. Verbesserungspotenziale der Ansätze zu identifizieren. Dazu werden die Programme Plaxis und OpenFOAM genutzt. Aufgabenstellung und Ziel Untersuchungen zur Deckwerksstabilität sind bereits seit mehreren Jahrzehnten Gegenstand der Forschung. Die experimentellen und theoretischen Ergebnisse wurden in empirische bzw. analytische Ansätze zur Bemessung von Deckwerken überführt. Diese wurden für die Wasserstraßen in Deutschland in das BAW-Merkblatt „Grundlagen zur Bemessung von Böschungs- und Sohlsicherungen an Binnenwasserstraßen (GBB)“ (BAW 2011) aufgenommen. Als geotechnische Versagensmechanismen sind neben dem globalen Böschungsversagen auch die lokale Standsicherheit der Böschung gegen oberflächennahes Abgleiten und die hydrodynamische Bodenverlagerung zu untersuchen. DerNachweis gegen oberflächennahes Abgleiten basiert auf der Betrachtung des Kräftegleichgewichts an einer böschungsparallelen Gleitfuge. Diese analytische Betrachtung soll mit numerischen Berechnungen verglichen werden, um mögliche Verbesserungspotenziale der Ansätze zu identifizieren. Das Titelbild zeigt ein typisches Versagen durch böschungsparalleles Abgleiten. Parallel zu den Untersuchungen mit dem Programm Plaxis 2D soll eine vergleichende Berechnung mit OpenFOAM durchgeführt werden. Das Ziel der Untersuchungen ist es, die Ergebnisse der analytischen Berechnungen mit denen der numerischen zu vergleichen. Folgende Parameter sollen untersucht werden: - Höhe und Verteilung der Porenwasserüberdrücke im Boden - Form und Tiefenlage der in Plaxis 2D und OpenFOAM ermittelten Bruchkörper - Ermittlung der erforderlichen Deckschichtdicke - Parameterstudie für verschiedene Bodenarten nach MAR (BAW 2008) - Auswirkung der Variation des Sättigungsgrades auf die Ergebnisse Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Die WSV ist für den Schutz der Ufer an den Bundeswasserstraßen verantwortlich. Dies geschieht in der Regel durch Schüttsteindeckwerke. Die Mächtigkeit der Wasserbausteinschicht ergibt sich aus den Berechnungen nach GBB (BAW 2011). Diese beruhen auf bewährten und in der Praxis etablierten Methoden. Die Untersuchungen sollen zeigen, ob eine weitere Verbesserung der Berechnungsansätze möglich ist, um im Idealfall eine Optimierung der Deckschichtdicke zu erreichen. Das hätte sowohl wirtschaftliche Vorteile als auch einen positiven Einfluss im Sinne der Nachhaltigkeit. Untersuchungsmethoden Für die Untersuchung werden numerische Programme bzw. Methoden verwendet. Die Berechnungen sollen mit den Programmen Plaxis 2D und Open FOAM durchgeführt werden. Die Ergebnisse werden untereinander und mit den bereits bekannten analytischen Methoden aus dem GBB verglichen.

Export von organischem Kohlenstoff aus Islands Gletschern: Quantifizierung, Herkunft und Kohlenstoffflüsse in Gletscherbächen

Gletscher sind bedeutende Speicher organischen Kohlenstoffs (OC) und tragen zum Kohlenstofffluss vom Festland zum Meer bei. Aufgrund des Klimawandels wird eine Intensivierung dieser Flüsse erwartet. Der Export von OC aus Gletschern wurde weltweit in verschiedenen Regionen quantifiziert, trotzdem liegen keine vergleichbaren Daten für Island vor, obwohl sich dort die größte europäische außerpolare Eiskappe befindet. Um die globalen Prognosen der glazialen Kohlenstofffreisetzung zu verbessern, ist es das Ziel dieses Pilotprojektes, den Export von gelöstem und partikulärem organischen Kohlenstoff (DOC, POC) aus Islands Gletschern erstmalig zu quantifizieren und neue Kooperationen mit isländischen Wissenschaftler/innen für gemeinsame zukünftige Forschungsprojekte aufzubauen. Hierzu werden 4 Feldkampagnen zu unterschiedlichen Jahreszeiten sowie Treffen mit isländischen Kollegen/innen durchgeführt. In jeder Feldkampagne werden von 23 Gletschern der Eiskappen Vatnajökull, Langjökull, Hofsjökull, Myrdalsjökull und Snaeellsjökull Eisproben entnommen, um die biogeochemische Diversität des glazialen OC zu charakterisieren sowie dessen Export in Verbindung mit Massenbilanzen zu quantifizieren. In Gletscherbächen werden Wasserproben entnommen, um den Austrag von OC direkt am Gletschertor zu bestimmen sowie die Kohlenstoffflüsse entlang von 6 Gletscherbächen mit unterschiedlicher Länge (2 km bis 130 km) beginnend am Gletschertor bis zur Mündung zu untersuchen. Wie sich der Gletscherrückgang langfristig auf ein Gletscherbachökosystem auswirkt, wird durch die taxonomische Bestimmung von Makroinvertebraten im Vergleich zur Bestimmung von Prof. Gíslason aus dem Jahre 1997 beurteilt. Gleichzeitig werden in diesem Gletscherbach Wasserproben zum eDNA-Barcoding entnommen, um eine rasche und gering invasive Methode zur laufenden Beobachtung des zukünftigen Einflusses der Gletscherrückgang zu entwickeln. Vor Ort werden Wassertemperatur, elektr. Leitfähigkeit, pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Trübung und Chlorophyll alpha gemessen. Innovative Labormethoden (HPLC, DNA-Barcoding, Picarro, GC, TOC) werden zur Analyse des OC im Eis und Wasser (DOC, DIC, POC, Fluoreszenz, Absorption), der Nährstoffe (P-PO4, N-NO3, N-NO2, N-NH4), stabiler Isotope (18O, 2H), Chlorophyll alpha, CO2 und aquatischen Organismen eingesetzt. Die Anwendung statistischer Methoden (Faktorenanalyse, Hauptkomponentenanalyse) basierend auf Anregungs- und Emissionsmatrizen erlauben die Quellen des OC im Gletschereis sowie -schmelzwasser zu bestimmen und die räumliche Vielfalt des OC zu erklären. Das gewonnene Wissen wird zur Verbesserung globaler Prognosen glazialer Kohlenstofffreisetzung beitragen sowie einen intensiven Einblick in das glaziale Ökosystem geben. Für die antragstellenden Nachwuchswissenschaftler/innen entstehen vielversprechende Kooperationen mit isländischen Wissenschaftlern/innen, fokussierend auf die zeitlichen sowie räuml. Aspekte der glazialen Kohlenstoffflüsse sowie das Ökosystem Gletscher

Studien zur freien Lueftung des Plenarsaals im Deutschen Bundestag zu Berlin

Im Rahmen der Mitarbeit in der Planungsgemeinschaft Technik wurden folgende Arbeiten durchgefuehrt: 1) Untersuchung von Effekten der freien Lueftung an Waenden und Fenstern 2) Probleme der natuerlichen Lueftung des Plenarsaals bei unterschiedlichen Fortluftfuehrungen und Wetterbedingungen 3) Numerische Berechnungen zu verschiedenen Lueftungsproblemen

Windschutzstreifen zur Leistungssteigerung von Windenergieanlagen im komplexen Terrain, Teilvorhaben: Entwicklung und Einsatz drohnengestützter Messtechnik für die Vermessung der Windcharakteristiken von Windenergieanlagen und Windschutzstreifen

Der Ausbau der Windenergie im Binnenland ist entscheidend, um die Herausforderungen der Energiewende zu bewältigen. Die Windgeschwindigkeiten sind im Vergleich zu Standorten auf See geringer und die Anströmung komplexer. Das Forschungsvorhaben WINDbreaks soll dabei helfen die Volllaststunden der Windenergieanlagen im komplexen Terrain zu erhöhen. Hierfür sind messtechnische und numerische Untersuchungen an Windenergieanlagen (WEA) und an Baumreihen, die als Windschutzstreifen (WSS) dienen, geplant. Die Überströmung der WSS führt zu einer Beschleunigung der Windgeschwindigkeit und diese geht pro-portional zur dritten Potenz in den Leistungsertrag von WEA ein. Ein zusätzlich positiver Nebeneffekt ist das flachere Geschwindigkeitsprofil in Höhe der Rotorblätter, welches eine gleichmäßigere Verteilung der angreifenden Kräfte zur Folge hat. Im Teilprojekt erfolgen die Entwicklung der Drohnen-Windmesstechnik und deren umfangreicher Einsatz zur Generierung von Messdaten für die CFD-Analysen des Projektpartners Hochschule Ansbach (HSA). Der assoziierte Projektpartner N-ERGIE stellt die Messorte zur Verfügung. Es wird eine synchrone Steuerung von einer optimierten Windmess-Drohne und einer neu aufgebauten Windmess-Drohne entwickelt und für Messflüge eingesetzt. Zur markanten Verlängerung der Flugzeiten der Drohnen erfolgt die Entwicklung einer drahtgestützten Energieversorgung der Drohnen. Das mit zwei Referenz-Bodenstationen ergänzte Messsystem wird an WEA und WSS bei verschiedensten lokalen und meteorologischen Randbedingungen eingesetzt.

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