06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Implementierung eines Verfahrens höherer Ordnung zur numerischen Simulation reaktiver Strömungen auf unstrukturierten Rechengittern(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2024) Setzwein, Florian; Gerlinger, Peter (apl. Prof. Dr.-Ing.)Diskretisierungsverfahren hoher Ordnung, die sich auf unstrukturierten Rechengittern einsetzen lassen, bieten ein großes Potential zur Reduzierung der Rechenzeiten von detaillierten Grobstruktursimulationen. Gleichzeitig lässt sich gegenüber strukturierten Diskretisierungsansätzen eine hohe geometrische Flexibilität für die Generierung der Rechengitter realisieren. Viele Verfahren, die eine höhere Rekonstruktionsordnung auf unstrukturierten Gittern ermöglichen, beruhen auf der Einführung von zusätzlichen Freiheitsgraden innerhalb der Berechnungselemente. Ihre Implementierung in etablierte Finite-Volumen Strömungslöser ist jedoch aufgrund großer Unterschiede in den Datenstrukturen mit einem hohen Aufwand verbunden. Doch auch unstrukturierte Finite-Volumen Verfahren, welche eine höhere räumliche Fehlerordnung durch eine nicht-kompakte Rekonstruktion ermöglichen, verlangen einen hohen Implementierungsaufwand, um eine parallele Skalierbarkeit zu realisieren. Ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der räumlichen Genauigkeit von etablierten unstrukturierten Finite-Volumen-Lösern stellt das k-exakte Multi-Korrekturverfahren dar. Der Schlüssel der Methode ist eine sukzessive Korrektur von approximativen Green-Gauss-Ableitungen, die eine Rekonstruktion hoher Ordnung mit guten Parallelisierungseigenschaften und einem moderatem Implementierungsaufwand ermöglicht. In dieser Arbeit wird der k-exakte Multi-Korrekturansatz, welcher ursprünglich für kompressible Strömungsprobleme und für zellzentrierte Rechengitter entwickelt wurde, für die Anwendung auf einer knotenzentrierten Gitterrepräsentation erweitert und für die Exaktheiten k = 1 und k = 2 in den DLR Strömungslöser ThetaCOM implementiert. Des Weiteren wird die Methode mit einem Druckkorrektur-Verfahren für die zeitgenaue Diskretisierung der Erhaltungsgleichungen reaktiver Fluide bei niedrigen Mach-Zahlen kombiniert. Hierfür werden entsprechende Korrekturterme hergeleitet. Des Weiteren wird die in ThetaCOM implementierte Approximation der konvektiven und diffusiven Flüsse mit dem k-exakten Rekonstruktionsansatz vereint. Für die Berechnung der konvektiven Flüsse wird außerdem ein Ansatz vorgestellt, mit dem sich die Bestimmung der numerischen Dissipation zur Stabilisierung des Verfahrens auf ein Minimum reduzieren lässt. Dieser beruht auf der Herleitung einer Stabilitätsgleichung, welche aus einer Von-Neumann-Stabilitätsanalyse für eine lineare Advektions-Diffusion-Gleichung hervorgeht und deren Lösung zur Beschleunigung des Verfahrens indirekt in einem Verbund aus kompakten neuronalen Netzwerk-Modellen tabelliert wird. Dieser Ansatz wird mit einem Verfahren zur Gradientenlimitierung gekoppelt, um mit dem Diskretisierungsverfahren eine akkurate Auflösung von steilen Lösungsgradienten zu ermöglichen, welche in Verbrennungssimulationen in unmittelbarer Nähe zur Flammenfront auftreten. Für das implementierte Multi-Korrekturverfahren wird die räumliche Genauigkeit der verschiedenen numerischen Operatoren durch zahlreiche kanonische Testfälle verifiziert. Es wird gezeigt, dass sich die räumlichen Gradienten der Feldgrößen infolge der k-exakten Korrekturen mit einer wesentlich höheren Genauigkeit approximieren lassen. Des Weiteren lässt sich der diffusive Transport durch beide Schemata mit einer zweiten räumlichen Fehlerordnung und der konvektive Transport für k = 1 und k = 2 mit jeweils einer zweiten beziehungsweise dritten Fehlerordnung approximieren. Durch die Simulation zahlreicher laminarer und turbulenter Strömungsprobleme werden die beiden k-exakten Diskretisierungsverfahren mit experimentellen und numerischen Referenzdaten aus der Literatur validiert. Dabei wird der Einfluss der höheren Ordnung auf die räumliche Genauigkeit im Vergleich zu einem konventionellen Diskretisierungsverfahren beleuchtet. Hierbei wird insbesondere das Potential der beiden k-exakten Verfahren hinsichtlich der Einsparung von Rechenzeit und Freiheitsgraden dargestellt, sowie deren Fähigkeit zur Erhaltung der parallelen Skalierungseigenschaften von ThetaCOM. Ein weiterer Fokus liegt auf dem neuen Ansatz zur adaptiven Bestimmung der numerischen Dissipation und dessen Kopplung mit der implementierten Methode zur Gradientenlimitierung. Im Vergleich zur Rekonstruktion hoher Ordnung mit einer konstanten numerischen Dissipation liefert die vorgestellte adaptive Methode konsistente und genaue Ergebnisse, unabhängig vom Strömungsproblem und ohne eine Feinjustierung von empirischen Parametern. Abschließend wird für den Testfall einer turbulenten Wasserstoff-Luft-Diffusionsflamme demonstriert, dass sich beide Verfahren zur Simulation von turbulenten, reaktiven Strömungen auf vollständig unstrukturierten Rechengittern einsetzen lassen und eine deutliche Verbesserung des Simulationsergebnisses im Vergleich zu einem konventionellen Diskretisierungsansatzes bewirken.Item Open Access Thin-disk multipass amplifier for power scaling of ultrafast lasers(2024) Dominik, John; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr.)Item Open Access Large-Eddy Simulation und Analyse turbulenter, rußender Flammen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2023) Grader, Martin; Gerlinger, Peter (apl. Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit untersucht die Rußevolution in drei turbulenten, rußenden, halb-technischen Ethylenflammen, die mit Hilfe von Grobstruktursimulation (LES, „large-eddy simulation“) und einem Finite-Raten Chemie (FRC) Verbrennungsmodell simuliert werden. Bei den Flammen handelt es sich um eine abgehobene Freistrahlflamme (AFF), eine flammenhalterstabilisierte Strahlflamme (FSF) und eine Modellbrennkammer (MBK) für Fluggasturbinen. Für die MBK werden drei Betriebspunkte betrachtet. Die Ziele dieser Arbeit sind die Durchführung der komplexen Simulationen und die ausführliche Analyse der Ergebnisse. Dadurch sollen Weiterentwicklungsmöglichkeiten für Rußmodelle für halb-technischen Flammen identifiziert und das generelle Verständnis der Rußevolution in solchen Flammen verbessert werden. Ruß entsteht bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit lokalem Brennstoffüberschuss. Gelangt Ruß in die Umwelt, hat dies direkte, negative Folgen nicht zuletzt für den Menschen und das Klima. Die Rußemissionen des Luftverkehrs fördern beispielsweise die Kondensstreifenbildung und damit die Erderwärmung. Außerdem ist Ruß krebserregend. Die Vielzahl an negativen Folgen von Rußemissionen macht deren Reduktion unumgänglich. Auch aus technischer Sicht ist Ruß oft unerwünscht, da seine Präsenz zu Wärmeverlusten führt und ein Zeichen unvollständiger Verbrennung ist. Daher besteht ein hoher Bedarf an genauen Modellen zur Rußvorhersage in Flugtriebwerksbrennkammern. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Rußevolution besser verstehen, was wiederum die Entwicklung schadstoffarmer Triebwerke erleichtert. Aus chemischer Sicht ist die Rußevolution sehr komplex, da eine Vielzahl an Reaktionen, die in nichtlinearer Weise von Temperatur und Mischung abhängen, zur Rußbildung, -wachstum und -oxidation beitragen. Zudem ist die Rußbildung nicht vollständig verstanden. Daher ist die Rußmodellierung immer noch Gegenstand der Forschung. Das in dieser Arbeit genutzte Rußmodell wurde zuletzt von Eberle [70] weiterentwickelt und wird im Folgenden als „DLR-Rußmodell“ bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein Sektionalmodell für die Rußvorhersage in Ethylenflammen, welches sehr detailliert und dadurch beim Einsatz in LES relativ teuer ist. Um sinnvolle Weiterentwicklungsmöglichkeiten aufzuzeigen, führt diese Arbeit die Modellvalidierung des DLR-Rußmodells in turbulenten Flammen fort und vergleicht sie mit der bereits erfolgten Validierung in laminaren Flammen. Erstmals wird auch ein Vergleich der Partikelgrößenverteilung (PSD, „particle size distribution“) zwischen verschiedenen laminaren und turbulenten Flammen gezeigt. Zum besseren Verständnis der Rußevolution werden die sehr umfangreichen, zeitaufgelösten Ergebnisdatensätzen der fünf LES, je nach Qualität der Rußvorhersage, ausführlich analysiert. Die Rußvorhersage in der AFF ist exzellent, was eine Untersuchung zum Einfluss der Vormischung auf die Rußevolution ermöglicht. In der MBK werden Rußbildung und -wachstum vom DLR-Rußmodell sehr gut wiedergegeben, was eine Analyse der Rußdynamik unter Berücksichtigung des Einflusses verschiedener Betriebsbedingungen erlaubt. Die Form der Rußverteilung in der FSF wird vom DLR-Rußmodell zwar gut vorhergesagt, die Rußkonzentration aber deutlich überschätzt. Daher ergänzt die FSF vor allem den Vergleich zwischen laminaren und turbulenten Flammen, während eine Analyse lediglich die PSD betrachtet. Diese Arbeit verdeutlicht, dass die Rußevolution in turbulenten Flammen, insbesondere in der MBK, bei höheren Temperaturen und über einen breiteren Mischungsbereich stattfindet, als in den laminaren Flammen, die typischerweise zur Validierung von Rußmodellen genutzt werden. Daraus folgt, dass alle Rußmodelle die in turbulenten Flammen eingesetzt werden sollen, auch unter solchen Bedingungen validiert werden müssen. Dies kann beispielsweise durch das vermehrte Einbeziehen von Stoßrohrexperimenten geschehen. Außerdem unterstreichen die durchgeführten Auswertungen den Bedarf an geeigneten Experimenten zur Validierung der Rußoxidation durch das OH-Radikal. Des Weiteren zeigt die Analyse die Vorteile auf, die eine Modellvalidierung an verlässlichen korrelierten Messungen und an Messungen der PSD bieten würden. Eindeutiges Verbesserungspotenzial besteht in der Modellierung der nicht-aufgelösten Turbulenz-Ruß-Interaktion. Auch für das DLR-Rußmodell beleuchtet diese Arbeit Möglichkeiten zur Optimierung. Allerdings wird das Hinzufügen neuer Teilmodelle, wie einem Rußalterungsmodell, nicht empfohlen, da der Nutzen den gesteigerten Rechenzeitbedarf nicht rechtfertigt. Die Analyse der AFF zeigt, dass das Abheben der Flamme zu einer Vormischung von Brennstoff und Oxidator führt und Rußbildung und -wachstum dadurch hauptsächlich im vorgemischten Verbrennungsregime stattfinden. Der Vergleich der PSDs offenbart große Unterschiede zwischen den untersuchten Flammen. Effiziente Rußmodelle, die zukünftig zur Anwendung in technischen Flammen entwickelt werden, sollten daher in der Lage sein, den Einfluss der PSD-Form und der Vormischung auf die Rußevolution abzubilden. Die erstmalige, quantitative Analyse von Rußdynamiken mittels „multiresolution proper orthogonal decomposition“ (MRPOD) ermöglicht es, die intermittente Rußevolution in der MBK zu verstehen. Sie wird in allen untersuchten Betriebspunkten von einer symmetrischen, niederfrequenten Dynamik im Mischungsbruchfeld nahe des Injektors verursacht, die wiederum durch Dynamiken im Strömungsfeld beeinflusst wird. Die Sekundärlufteinblasung der MBK erhöht die Intensität der Intermittenz, während eine erhöhte Brennstoffzufuhr die Amplitude der Intermittenz verringert. Zwar lässt diese Analyse wegen des speziellen Designs der MBK nur wenig Rückschlüsse auf die Rußevolution in realen Flugtriebwerksbrennkammern zu, allerdings kann die entwickelte Vorgehensweise ohne weitere Anpassungen auf Simulationen solcher Brennkammern übertragen werden.Item Open Access Icy ocean worlds - astrobiology research in Germany(2024) Klenner, Fabian; Baqué, Mickael; Beblo-Vranesevic, Kristina; Bönigk, Janine; Boxberg, Marc S.; Dachwald, Bernd; Digel, Ilya; Elsaesser, Andreas; Espe, Clemens; Funke, Oliver; Hauber, Ernst; Heinen, Dirk; Hofmann, Florence; Hortal Sánchez, Lucía; Khawaja, Nozair; Napoleoni, Maryse; Plesa, Ana-Catalina; Postberg, Frank; Purser, Autun; Rückriemen-Bez, Tina; Schröder, Susanne; Schulze-Makuch, Dirk; Ulamec, Stephan; de Vera, Jean-Pierre PaulIcy bodies with subsurface oceans are a prime target for astrobiology investigations, with an increasing number of scientists participating in the planning, development, and realization of space missions to these worlds. Within Germany, the Ocean Worlds and Icy Moons working group of the German Astrobiology Society provides an invaluable platform for scientists and engineers from universities and other organizations with a passion for icy ocean worlds to share knowledge and start collaborations. We here present an overview about astrobiology research activities related to icy ocean worlds conducted either in Germany or in strong collaboration with scientists in Germany. With recent developments, Germany offers itself as a partner to contribute to icy ocean world missions.Item Open Access Data-based methods for the screening and design of jet fuels(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2024) Hall, Clemens Alexander; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)To achieve climate neutrality in the aviation sector, research on new sustainable aviation fuels (SAF) is needed as the growing demand will exceed the production potential of established sustainable pathways. The focus is thereby not only on the exploration of sustainable feedstocks and the development of new production processes but also on the facilitation and acceleration of the whole fuel development process, from its conceptualization to its approval. The critical evaluation of a new production pathway guarantees the safe application and performance of a new fuel. The approval poses a major challenge for fuel producers, requiring a tremendous commitment of time, fuel volume and cost. Concepts that allow a fast-iterative, low-cost screening and design of new candidate fuels, to assess and optimize their chances for approval are thereby seen as key enablers. Established fuel screening concepts rely on model-based prediction, which, together with state- of-the-art compositional analytics, allow the fast assessment of SAF candidates from volumes as low as 5 mL. The design of new fuels, on the other hand, requires a comprehensive understanding of the composition of a jet fuel and properties considered critical for the fuel approval. This work describes the research and development of tools for the screening and design of jet fuels. Focusing on data-based methods, the tools are built from a database composed of both jet fuels and fuel components. It is thereby investigated whether and how data-based tools are able to support the screening and design of new SAF candidates and what their limitations are. For the jet fuel screening, three different modeling methods to predict physicochemical properties from compositional measurements are adapted and investigated: Direct correlation (DC), Mean Quantitative Structure-Property Relationship Modeling (M-QSPR) and Quantitative Structure-Property Relationship Modeling (QSPR) with sampling. All developed models are probabilistic, since the safety-relevant use case of jet fuel screening makes the consideration of uncertainties necessary. Rather than estimating one deterministic property value, probabilistic models estimate a distribution of values and with it the associated uncertainty. The predictive capabilities of the developed models are assessed using specially developed metrics and compared on the prediction of conventional and synthetic jet fuels. To put the developed models into reference, they are compared to established deterministic models from the literature. Identifying strengths and limitations of the different approaches, the models are applied to jet fuel screening to test theiradequacy for the assessment of new SAF candidates. To support the design of new SAF candidates, the relationships between the fuel composition and critical physicochemical properties are investigated. The relationships are investigated on the basis of fuel components and the influence of their chemical families as well as the structural aspects size and the branching. Trends and relations are characterized with graphs and quantitative metrics that illustrate correlation and state the average value for a change in composition. Both the developed models and design tools are applied to the use case of screening and then optimizing a real SAF candidate to maximize its chances for successful fuel approval. The SAF candidate and three optimized fuel variants with reformulated compositions are thereby screened to assess the most suitable production route. Afterwards, a blending analysis of the SAF candidate and the variants is conducted to estimate their maximum volume fraction in the mixture with representative conventional jet fuels, considering both the safety requirements as well as the potential reduction of CO2 and soot emissions. As potential next steps, this work identifies the need for advancements in the analytics of the fuel composition as well as the extension of the existing fuel property databases. The former would reduce the uncertainty in the property modeling, while the latter would increase both the predictive capability of the models and the understanding of the fuel property relations.Item Open Access Modelling and design of laser rangefinding systems using advanced algorithms and low noise electronics(2024) Kufner, Michael; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Heutzutage finden Laserentfernungsmesser in einer Vielzahl an militärischen, wissenschaftlichen und zivilen Anwendungen Einsatz. Diese werden in alltäglichen Anwendungen, wie etwa beim Sport im Bereich des Golfen und Schießsports um die Entfernung zu bestimmen, welche hierbei für die sportliche Leistung maßgeblich ist, oder einfach nur um die Entfernung zwischen zwei Objekten im Bauwesen oder in der Innenarchitektur zu messen, eingesetzt. Zu den anspruchsvolleren Anwendungen gehören die LiDAR-Kartierung aus der Luft, die Messung der Geschwindigkeit von ankommenden oder ausgehenden Objekten, die Laserentfernungsmessung zu Satelliten, oder sogar die Messung der aktuellen Entfernung zwischen Mond und Erde, die Referenzierung im Bauwesen, die Analyse von Wolkenformationen, die Ermittlung von Zielkoordinaten mit Unterstützung durch GPSund Kompasssystemen, und viele weitere. Diese Anwendungen unterscheiden sich stark hinsichtlich ihrer Anforderungen an die zugrundeliegenden Laserentfernungssysteme, sei es im Bezug auf ihre Mobilität, ihre Messgenauigkeit, ihre maximale Messreichweite, ihre Zuverlässigkeit, oder anderen Aspekten. Diese Dissertation fokusiert sich dabei auf die Weiterentwicklung von handgehaltenen Full-Waveform Laserentfernungsmesssystemen, die in der Lage sind, 10 km und weiter auf nicht-kooperative Ziele mittels Laufzeitprinzip zu messen. Im zweiten Kapitel wird ein Arbeitssystem vorgestellt, das aus einem optischen System in Form eines Fernglases (Empfangsapertur 30 mm), einem augensicheren Laserklasse 1 Er:Glass-Laser, einer Detektorplatine mit Lawinenphotodiode (APD) und einem digitalen Verarbeitungssystem (Analog-Digital-Wandler und digitaler Signalprozessor) besteht. Laserstrahlparameter wie die optische Leistung, Laser-Wellenlänge, Pulsbreite und der komplexeste Parameter, die Divergenz, werden durch Messungen verifiziert. Um die Detektoren vermessen und untereinander nachvollziehbar vergleichen zu können wurde eine Detektormesseinrichtung konzipiert. Um noch einen Schritt weiter zu gehen und die Detektoren auch in realen Umgebungen zu testen, wurde ein automatisches Detektorjustagesystem eingesetzt. Nachdem die Systemparameter bestimmt wurden, zeigte ein erster Simulationslauf des Modells eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den tatsächlichen Messungen, mit einem Fehler im Signal-Rausch-Abstand von 16.5 %. Das darauffolgende Kapitel befasst sich mit dem für Laserentfernungsmesser notwendigen analogen, rauscharmen elektronischen Photodetektoren. Üblicherweise werden Photodetektoren mit Hilfe einer Transimpedanzverstärker-Topologie aufgebaut. In dieser Arbeit wird jedoch gezeigt, dass für Lawinenphotodioden mit einer geringen Eingangskapazität ein Spannungsverstärker in Kombination mit einer Entzerrerstufe einen höheren Signal-Rausch-Abstand erzielen kann. In den verwendeten Schaltungen, ist dies ab einer Eingangskapazität der APD von kleiner 7 pF, der Fall. Um den Verstärker noch weiterzuentwickeln, wurden zwei Hybriddetektoren entwickelt. Dabei wird die erste Verstärkerstufe, in dieser Topologie ein Transistor mit seinen passiven Komponenten, mit dem eigentlichen Lawinenphotodioden-Chip in einem Gehäuse kombiniert. Dies reduzierte in dieser Arbeit die Eingangskapazität der Lawinenphotodiode von 1.7 pF auf 1.0 pF. Die Hybriddetektoren waren ihren entsprechenden diskreten Versionen in jeder Hinsicht überlegen. Die Ergebnisse dieser Hybridisierung wurden vom Autor veröffentlicht. Die zusätzliche Verstärkungsregelung des Detektors bietet einen ausgezeichneten dynamischen Signalbereich (120 dB), welcher es ermöglicht sowohl sehr nahe als auch sehr weit entfernte Ziele anzumessen. Im vierten Kapitel werden die digitalen Aspekte vorgestellt. Die digitale Signalverarbeitung bietet dabei mehrere Vorteile. Die wichtigste Technik ist die kohärente Mittelwertbildung aus mehreren Laserpulsen. Dadurch kann das System sein Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu Einzelpulssystemen erheblich verbessern. Die Technik wird dabei in Form einer realen Implementierung vorgestellt. Bei dieser Implementierung wurde eine Mittelwertbildung mit einem Sub-Sample-Jitter erreicht. Weiterhin ermöglicht es die automatische Verstärkungsregelung, während einer Messung die Detektorverstärkung während einer Messreihe anzupassen. Ein weiterer Vorteil solcher digitalen Systeme ist, dass das Signal nachverarbeitet werden kann, um die Gesamtleistung des Systems weiter zu verbessern. Dies geschieht durch die Kombination von Techniken wie der Anwendung von Statistikmethoden, digitalen Filtern oder komplexen Peak-Suchstrategien in einer Pipeline zur Entfernungsbestimmung. Was die digitale Signalverarbeitung betrifft, wurde im Rahmen dieser Dissertation ein Paper, welches verstärkt auf die digitalen Filter für die Entfernungsbestimmung eingeht, in [2] veröffentlicht. Als letzter Teil des Kapitels werden komplette Pipelines, die aus dem digitalen Eingangssignal die Entfernung bestimmen, vorgestellt und bewertet. Dabei konnte eine signifikante Verbesserung gegenüber vorher verwendeten Algorithmen festgestellt werden. Das abschließende Kapitel der Dissertation enthält einen weiteren Vergleich zwischen realem System und Modell. Zu diesem Zweck wurden Messungen mit dem System, jedoch diesmal mit einem anderen Hybriddetektor, mit Simulationsergebnissen verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigten eine sehr gute Übereinstimmung (weniger als 10 % Fehler) auf Zielen mit planaren Oberflächen. Bei unregelmäßigeren Oberflächen, wie einem Wald oder einer schneebedeckten Wiese, zeigte das Modell relative Fehler von 16.6 % und -66.8 % im Signal-Rausch-Verhältnis. Diese Zahlen bestätigen, dass das Modell in der Lage ist, die maximale Entfernung von Laserentfernungsmesssystemen im Entwicklungsstudium vorherzusagen. Außerdem wird zu dem aktuellen System ein bildhaftes Produktdatenblatt dargestellt. Dabei wurde das Simulationsmodell verwendet, um die maximale Messentfernung des Systems anzugeben. Dieses Produktdatenblatt kann vom Leser dazu verwendet werden um einen Vergleich zu am Markt erhältlichen Systemen selbständig vorzunehmen. Die herausragenden Leistungen und Fähigkeiten des Systems im Vergleich werden dabei ersichtlich.Item Open Access Hydroxyl-conductive 2D hexagonal boron nitrides for anion exchange membrane water electrolysis and sustainable hydrogen production(2025) Kaur, Jasneet; Schweinbenz, Matthew; Ho, Kane; Malekkhouyan, Adel; Ghotia, Kamal; Egert, Franz; Razmjooei, Fatemeh; Ansar, Syed Asif; Zarrin, HadisIn response to the urgent global call to transition from polluting fossil fuels to sustainable energy alternatives, hydrogen emerges as a promising and widely accessible energy source if it can be efficiently produced through water splitting and electrolysis. Anion exchange membrane (AEM) water electrolyzers (AEMWEs) have potential for large scale H2 production at a low cost. However, the development of alkaline membranes with high hydroxide conductivity, improved stability and better performance is a significant challenge for the commercial application of advanced AEMWEs. In this work, a novel structure for hydroxide-ion conductive membranes based on surface-engineered two-dimensional (2D) hexagonal boron nitrides (h-BN) is designed and validated in a highly active and durable AEMWE cell with non-precious metal Ni-based electrodes. Among two samples, the high-loaded 2D hBN nanocomposite membrane (M2) showed significantly high hydroxide-ion conductivity (190 mS cm-1) with improved electrochemical and mechanical stability. The AEMWE cell assembled with the M2 membrane exhibited superior cell performance, achieving 1.78 V at 0.5 A cm-2 compared to the cell utilizing the lower loading hBN nanocomposite membrane (M1). Additionally, its performance closely approached that of the cell employing a commercial membrane. During a long-term stability test conducted at a constant load of 0.5 A cm-2 for 250 hours, the M2 membrane maintained satisfactory electrolysis voltage without any notable failure. These findings demonstrate that 2D hBN nanocomposite membranes hold great promise for use in advanced AEMWEs.Item Open Access Investigating 3-D effects on flashing cryogenic jets with highly resolved LES(2023) Gärtner, Jan Wilhelm; Kronenburg, Andreas; Rees, Andreas; Oschwald, MichaelFor the development of upper stage rocket engines with laser ignition, the transition of oxidizer and fuel from the pure cryogenic liquid streams to an ignitable mixture needs to be better understood. Due to the near vacuum conditions that are present at high altitudes and in space, the injected fuel rapidly atomizes in a so-called flash boiling process. To investigate the behavior of flashing cryogenic jets under the relevant conditions, experiments of liquid nitrogen have been performed at the DLR Lampoldshausen. The experiments are accompanied by a series of computer simulations and here we use a highly resolved LES to identify 3D effects and to better interpret results from the experiments and existing 2D RANS. It is observed that the vapor generation inside the injector and the evolution of the spray in the combustion chamber differ significantly between the two simulation types due to missing 3D effects and the difference in resolution of turbulent structures. Still, the observed 3D spray dynamics suggest a suitable location for laser ignition that could be found in regions of relative low velocity and therefore expected low strain rates. Further, measured droplet velocities are compared to the velocities of notional Lagrangian particles with similar inertia as the measured droplets. Good agreement between experiments and simulations exists and strong correlation between droplet size and velocity can be demonstrated.