Das Projekt "Strömungsformen bei Vermischung in der Umgebung eines Rohrleitungs T-Stücks (KEK)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Kernenergetik und Energiesysteme durchgeführt. Die Strömungsturbulenz in Rohrleitungssystem von Kernkraftwerken ist für Ermüdungs- und Korrosionsphänomene verantwortlich und kann somit nach langen Laufzeiten Fehlfunktionen oder Schädigungen in den Komponenten von Kühlkreisläufen auslösen. Stellvertretend sollen im PVC-Versuchsstand des IKE Strömungen ohne und mit Dichteschichtung nahe einer generischen Einspeisestelle (horizontales T-Stück) untersucht werden, unter welchen Bedingungen sich unterschiedliche Strömungsformen mit Dichteschichtung ausbilden und welche Stabilitätseigenschaften diese Strömungsform gegenüber einer Veränderung der Bedingungen (Impulsverhältnis, Schichtungsparameter) in den Zuflüssen besitzt. Die Strömung und ihre Stabilität soll begleitend mit dem Simulationsprogramm OpenFoam, berechnet werden. Diese Methode kann eingesetzt werden, um die Strömungs-Struktur Wechselwirkung im Rohrleitungsversuchsstand sowie Strömungen in Rohrleitungssystemen von Kernkraftwerken zu simulieren. Zunächst soll der PVC-Versuchsstand für die durchzuführenden Experimente angepasst werden. Die Dichteschichtung wird durch Verwendung von Glykollösung im Seitenstrang hergestellt. Als Messtechnik werden Kameras sowie die Particle-Image Velocimetrie (PIV) eingesetzt. Für ausgewählte Parameterwerte der Strömungsformenkarte sollen detaillierte Experimente sowie der mittleren Geschwindigkeit und der turbulenten Fluktuationen durchgeführt werden. In Wandnähe sollen die Turbulenzstrukturen (Längsstreifen, Längswirbel) visualisiert werden. Das Programm OpenFoam sollen umfangreiche Large-Eddy Simulationen mehrerer ausgewählter Fälle durchführen. Die gemessenen Daten dienen zum Vergleich, damit die Anwendbarkeit der numerischen Methode überprüft werden kann.
Das Projekt "Energetische Optimierung eines Streckfeldes zur Herstellung von Filamentgarnen aus High-Tech-Werkstoffen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Institut für Textiltechnik, Lehrstuhl für Textilmaschinenbau durchgeführt. Hochwertige technische Garne wie sie in Airbags und Reifen Verwendung finden durchlau-fen einen komplexen Fertigungsprozess. Die Garne werden auf Streckfeldern verstreckt wo-durch sich ihre endgültigen Eigenschaften einstellen. Thermische Gesamtwirkungsgrade von unter 1 Prozent stellen den Stand der Technik dar. Ziel des Forschungsvorhabens ist es ein neues Streckfeld zu entwickeln, dass im Vergleich zu bestehenden Steckfeldern mindestens gleichwertige Garne produziert und sich dabei durch eine deutlich verbesserte Energieeffizienz auszeichnet. Die Bestandteile des Streckfeldes, Galetten und Heatbox, werden nicht losgelöst voneinan-der betrachtet, sondern als Einheit. Mit Hilfe der Strömungssimulation (CFD) und einer Infra-rotkamera werden die Energieverluste eines vorhandenen Streckfeldes beurteilt, wodurch Energiesparpotentiale sichtbar werden. Die Strömungssimulation wird mit der Particle Image Velocimetry (PIV) Methode verifiziert. Die Galetten und die Heatbox sollen so modifiziert werden, dass der thermische Wirkungs-grad um mindestens 50 Prozent verbessert wird. An einem Prototyp werden sowohl Garnkennwer-te als auch der Energieverbrauch gemessen und bewertet.
Das Projekt "Nr. 1.1.3 Präzise Pneumatische Messtechnik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen durchgeführt. Ziel des Projekts ist die präzise Messung von Strömungen mithilfe der klassischen pneumatischen Sondenmesstechnik. Hierfür soll die Rückwirkung von Sonden auf die Strömungsmessung festgestellt werden, um mit dieser Kenntnis den systematischen Einfluss zu korrigieren. Dies soll ein genaues Verständnis der komplexen Strömungsfelder, wie sie in modernen Verdichtern herrschen, liefern. Zunächst ist eine Optimierung der Messtechnik und Traversiermechanismen am Freistrahl-Kalibrierkanal vorgesehen, damit für die zu untersuchenden Sonden hochwertige Messergebnisse sichergestellt werden können. Im Rahmen dieser Arbeiten wird ein mehrachsiger Roboter zum Traversieren der Sonden installiert und in Betrieb genommen. Dieser eignet sich zur Traversierung von Sonden konventioneller Bauart sowie skalierten Sonden. Gleichzeitig wird das laseroptische Messsystem PIV in Betrieb genommen, um eine flächige Vermessung der Sondenkopfumströmung im Freistrahl zu ermöglichen sowie um eine Referenzmessung der Strömung ohne Sondeneinfluss zu liefern. Anschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse auf die turbomaschinenähnliche Strömung im ebenen Gitterwindkanal übertragen. Durch eine systematische Variation von Parametern sollen zwischen den identifizierten charakteristischen Einflussgrößen Abhängigkeiten erkannt werden und die Definition der Einsatzgrenzen der Sondenmesstechnik erfolgen. Dafür müssen konstruktive Änderungen am ebenen Gitterwindkanal vorgenommen werden, die eine für die Lasermesstechnik geeignete mehrachsige Traversierung ermöglichen. Die begleitenden laseroptischen Messungen dienen zur Visualisierung der Umströmung des Sondenkopfes. Der Schwerpunkt aller Untersuchungen liegt auf dem Einfluss der unterschiedlichen Betriebspunkte auf die geänderte Nachlaufströmung des ebenen Gitters und damit auf der Rückwirkung der Sonde auf die zu messenden Strömungsgrößen.
Das Projekt "FLUKZ - Durchflussmessung im Bereich gestörter Strömungsprofile im Kanalnetz" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fachhochschule Münster, Fachbereich Bauingenieurwesen, Labor für Wasserbau und Wasserwirtschaft durchgeführt. In der Siedlungswasserwirtschaft stellen Durchfluss-Daten aus Kanalnetzen wesentliche Grundlagen für Planung und Betrieb dar und dienen dem Gewässer- sowie dem Hochwasserschutz. Planerisch und wirtschaftlich von besonderer Bedeutung sind Daten zum Schmutzwasser-, Fremdwasser- und Niederschlagsabfluss. Von diesen Planungsgrundlagen sind Investitionen in Milliardenhöhe in den Infrastrukturbereichen Kanalisation und Kläranlagen abhängig. Messtechnik für die Durchflussmessung ist zwar technisch hoch entwickelt. Ihre Anwendung setzt jedoch störungsfreie Mess-Stationen mit voll entwickelten Strömungsprofilen voraus, um aus den gemessenen lokalen Fließgeschwindigkeiten und Wassertiefen einen Gesamtdurchfluss zu berechnen. Diese idealen Verhältnisse liegen in der Praxis nur sehr selten vor. Bedingt durch die vielfältigen Zwangspunkte, Zuleitungen und Einbauten sind die Strömungsprofile in Kanalisationsanlagen oftmals erheblich gestört. In diesem Vorhaben sollen Störungseinflüsse identifiziert, eingegrenzt und hinsichtlich der Genauigkeit der Durchflussmessung beurteilt werden. Ziel des Vorhabens ist die Formulierung von Anwendungsregeln und Korrekturverfahren für Messungen an Querschnitten in der Kanalisation mit ausgewählten Störeinflüssen. Weiterhin sollen die Ergebnisse der sehr aufwändigen Strömungssimulationen den Projektpartnern in einer Datenbank mit Visualisierungstool für eigenständige Weiterentwicklungen zur Verfügung gestellt werden. Durch Anwendung der Projektergebnisse kann eine zeitnahe Verbesserung des Standes der Technik bei der Durchflussmessung und deren Genauigkeit erwartet werden.
Das Projekt "Synoptische Messung von Druck- und Geschwindigkeitsfeldern zur Analyse der Interstitialbelastung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe (TH), Institut für Hydromechanik durchgeführt. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sollen die instationären hydrodynamischen Vorgänge über und innerhalb rauer, poröser Gerinnesohlen experimentell erfasst werden. Ziel ist die zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Beschreibung der physikalischen Belastungen bis hin zur Destabilisierung einer Kiesdeckschicht. Zur Prozessvisualisierung vorgesehen ist der simultane Einsatz von bis zu 16 miniaturisierten hochsensiblen Drucksensoren an und innerhalb der Gerinnesohle sowie eines 2-D PIV (Particle Image Velocimetry) Systems. Ergänzt werden die Messungen durch den Einsatz einer künstlichen Kiespore mit 3-D PIV (Particle Tracking Velocimetry) und eines 1-D ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler). Durch eine Identifikation der maßgeblichen Interaktionsmechanismen können zukünftig verbesserte Ansätze zu Sedimentstabilitäts- und Transportfunktionen entwickelt werden. Des Weiteren sollen die gesammelten Messdaten zur Validierung numerischer Modelle in 3-D, insbesondere von LES (Large-Eddy-Simulationen), sowie in 2-D und 1-D genutzt werden. Eine erweiterte Übertragung der Ergebnisse auf Aussagen zum Stoffhaushalt im Ökosystem des Sohlsubstrates, dem hyporheischen Interstitial, ist möglich. Im Fernziel stehen verlässlichere Prognosemodelle zum Management von Flusssedimenten: An der Staustufe lffezheim z.B. erfordert der Ausgleich des Geschiebedefizites die Verklappung von jährlich 170.000 m3 Kies, lediglich bemessen nach Peilaufmaß. Eine wissenschaftlich fundiertere, optimierte Lösung des Problems birgt hier ein hohes Potenzial zu Umweltschutz und nachhaltiger Ressourcenschonung.
Das Projekt "Energieverbrauch Luftweben" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Institut für Textiltechnik, Lehrstuhl für Textilmaschinenbau durchgeführt. Problemstellung: Ein vermehrter Einsatz von Luftwebmaschinen ist der Wunsch der Webereien. Dies hat seine Ursache in der hohen Produktionsleistung dieser Webmaschinen. Auch nimmt die Flexibilität der Luftdüsentechnologie sowohl bezüglich der Verarbeitung unterschiedlichster Garne (z.B. glatte Garne für technische Gewebe) als auch der Arbeitsbreiten zu. Dem gegenüber stehen allerdings der hohe Energieverbrauch bei der Erzeugung von Druckluft und hohe Energiekosten. Zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit deutscher Webereien sind also Maßnahmen notwendig, den Energieverbrauch beim Luftweben zu senken. Bisher werden nur punktuelle Maßnahmen, wie kürzere Leitungen zwischen Ventilen und Stafettendüsen und die Modifizierung der Düsengeometrien, gegen den hohen Druckluftverbrauch ergriffen. Selbstregelnde Systeme, die anhand des Zeitpunkts der Schussfadenankunft die Blaszeiten/-drücke der Hauptdüse anpassen, sind im Einsatz. Diese Maßnahmen sind anhand von Erfahrungswissen und empirischen Untersuchungen entstanden. Weiterhin existieren Ansätze zur Simulation der Luftströmungen lediglich an den Düsen. Eine weitere, deutliche Reduktion des Luftverbrauchs ist durch die bestehenden Ansätze kaum mehr möglich. Es fehlt eine systematische Untersuchung des gesamten Strömungsfeldes und die Betrachtung der Wechselwirkung mit dem Schusseintrag. Ziel: Das Ziel ist eine signifikante Reduzierung des Energieverbrauchs beim Luftweben (mind. 10 Prozent). Lösungsweg: Der Forschungsansatz ist eine methodische Simulation des Strömungsfeldes mit dem Ziel der Entwicklung eines Feldes mit guten Schusseintragseigenschaften bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch. Dabei wird die Strömungssimulation mit dem Know-how des ITA in den Bereichen der Messtechnik, des Maschinenbaus und der textilen Prozesstechnik verknüpft. Zur Simulation der Luftströme von Haupt- und Stafettendüsen wird eine Computational Fluid Dynamic (CFD)-Software eingesetzt. Für die Simulation wird ein Modell entsprechend den Randbedingungen der Webmaschine, wie z.B. Düsengeometrien, Rietkanal und Blaszeiten/-drücke, entwickelt. Die Validierung der Simulation erfolgt anhand einer empirischen Erfassung der Luftströmung durch konventionelle Strömungsmesstechnik und laserbasierte Particle Image Velocimetry (PIV). Auf der Basis dieses Strömungsfeldes einer gut eingestellten Webmaschine wird die entsprechende Luftströmung numerisch simuliert. Die Einstellparameter werden variiert. Schließlich werden die durch die Simulation erhaltenen Größen, wie z.B. Blaszeit/-druck, im Technikum des ITA experimentell überprüft. Es werden entsprechend den Leitthemen Sicherheit und Mobilität verschiedene Garntypen ausgewählt (z.B. Hochleistungsgarne wie Aramid). Eintragszeiten und Fadenzugkräfte werden gemessen und statistisch untersucht, um die Güte der durch die Simulation abgeleiteten Maßnahmen zu bestimmen. usw.
Das Projekt "Weiterentwicklung des Particle Image Velocimetry Analyseverfahrens zur Charakterisierung von Mikrogasströmungen als neuartige Entwicklungsmethode für Brennstoffzellen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH durchgeführt. Anlass des Forschungsvorhabens war das vermehrte Interesse in der Brennstoffzellenforschung, die komplizierten strömungsmechanischen Zusammenhänge in den kleinen Kanälen der Bipolarplatten zu verstehen. Die verschiedenen Oberflächen und Benetzungseigenschaften (Kanalwände und Gasdiffusionslage) im Zusammenspiel mit den aus den elektrochemischen Prozessen entstehenden Mehrphasenströmungen bilden ein strömungsmechanisches System, welches noch nicht in Gänze verstanden ist. Es ist jedoch allgmeiner Stand der Erkenntnis, dass hier bei dem Design der Flow-Fields in den Bipolarplatten Optimierungsbedarf besteht. Bisher stand keine Messtechnik zur Verfügung, dies es erlaubt, die strömungsmechanischen Prozesse in den Mikrokanälen unter Realbedingungen in situ zu vermessen und mit der instantanen Zellleistung zu korrelieren, Ziel des Projektes war es daher, die Methode der Mikro-Partikel-Image-Velocimetry (Mikro-PIV) in der Art weiterzuentwickeln, dass eine Analyse der lokalen Geschwindigkeitsverteilung einer Gasströmung in einem Mikrokanal ermöglicht wird. Darüber hinaus sollte als zweites Ziel des Projekts eine solche Messung unter den erschwerten Bedingungen einer betriebenen Brennstoffzelle in Mikrokanälen einer Zelle durchgeführt werden. Um diese Ziele zu erreichen, wurden verschiedenen Verfahren und Materialien systematisch getestet, um die für eine Mikro-PIV-Messung notwendigen fluoreszierenden Partikel in ausreichender Größe, Anzahl und Fluoreszenzintensität zu erzeugen und für eine Messung in Mikrokanälen bereitzustellen. Die notwendigen Maßnahmen zur Kopplung des Partikelerzeugungssystems an die Messzellen wurden erarbeitet und die Prozeduren für eine erfolgreiche Mikro-PIV-Messung in einer Mikrogasströmung ermittelt. Es wurden Demonstrationsmessungen in Mikrokanalströmungen unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt und validiert. Darüber hinaus wurde die Mikro-PIV-Technik erfolgreich an Brennstoffzellenmodellen und betriebenen Brennstoffzellen unter Realbedingungen eingesetzt. Die Ergebnisse wurden zur Validierung numerischer Strömungssimulationen und zur Optimierung des Bipolarplattendesigns genutzt. Darüber hinaus offenbarten die in in-situ Mikro-PIV-Messungen bei gleichzeitiger Leistungsmessung neue, unbekannte Phänomene bei der Ausbildung von Mehrphasenströmungen, die weiteren Forschungsbedarf offenbarten. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
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