Universität Stuttgart
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Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Numerische Simulationen von bioinspirierten und natürlichen Materialien(2021) Schäfer, Immanuel; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)Die Arbeit befasst sich mit Finite-Elemente-Simulationen und Modellierungen von natürlichen und bioinspirierten Materialien. Die bioinspirierten Materialien sind künstliche Materialien, die ein oder mehrere Prinzipien der biologischen Vorbilder erfolgreich umgesetzt haben. Die natürlichen Materialien sind biologischen Ursprungs. Zu Beginn benötigt man immer eine funktionelle Analyse des Systems, um dann die notwendigen Reduzierungen für die Modellierungen herstellen zu können. Wenn das Modell steht, werden Eigenschaften wie zum Beispiel die Dämpfung oder der Widerstand gegen eine lineare Krafteinwirkung in Finite-Elemente-Simulationen analysiert. Die daraus gewonnenen Ergebnisse werden zur Beurteilung des Versagenverhaltens (z. B. des natürlichen Materials) oder zur Erklärung der Eigenschaften des bioinspirierten Materials genutzt. Die vorliegende Arbeit ist in die Analyse und die Diskussion der Ergebnisse verschiedener Materialien in neun Veröffentlichungen unterteilt. Zu Beginn werden die Ergebnisse des ersten bionischen Projektes präsentiert sowie die Lichtaufnahme, Lichtleitung- und Lichtverarbeitungsmöglichkeiten einer sukkulenten Art, der Fensterpflanze diskutiert. Die Perlmuttschale einer Schnecke bzw. ihr bioinspiriertes Produkt ist das Thema der anschließend vorgestellten Arbeiten. Daraus hervor ging auch die Veröffentlichung zu Enzymen und deren Bindungsaffinitäten zu Zinkoxid. Die Schale der Pomelo, die die kiloschwere Frucht beim Herunterfallen von den ca. 15 m hohen Bäumen vor Beschädigungen schützt, ist das Vorbild für einen Metallschaum im nächsten Beispiel. Als letztes werden die Vorbilder Kokosnuss und Seeigelstachel präsentiert, die im Rahmen eines Transregios (einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich, TRR 141) betrachtet wurden. Für den TRR 141 wurde auch eine Ausstellung im Naturkundemuseum Stuttgart organisiert. Im Kapitel 12 wird eine Präsentationsstation beschrieben, die mit NFC(Near-Field-Communication)-Chips gesteuert werden kann. Die Präsentationsstation wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und mit dem Museum zusammen gebaut. Mit ihr werden Filme und Präsentationen zu dem Thema des TRR mit Ausstellungsgegenständen (z. B. eine 3D gedruckte Struktur des Seeigelstachels in Vergrößerung) kombiniert. Auf diese Weise zeigt die vorliegende kumulative Dissertation einen Überblick über die gesamten bionischen Arbeiten, die am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre bei Herrn Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Siegfried Schmauder mit meiner Beteiligung entstanden sind.Item Open Access Developing and calibrating a numerical model for microbially enhanced coal-bed methane production(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2021) Emmert, Simon; Class, Holger (apl. Prof. Dr.-Ing.)Experimental investigations demonstrate the potential of microbially enhanced coal-bed methane (MECBM) production on the lab scale. However, no in-depth mathematical and conceptual model including all sub-processes is reported in literature so far. With this study, we develop and present a conceptual food-web, included into a numerical model, that is calibrated and validated using batch experiments. The model is extended to model flow and transport features, test hypotheses, and compare against column experiments. Additionally, a sensitivity analysis of the model parameters as well as a preliminary study regarding operator-splitting techniques for the MECBM model are presented.Item Open Access Behavior of concrete structures subjected to static and dynamic loading after fire exposure(2021) Lacković, Luka; Ožbolt, Joško (Prof. Dr.-Ing. habil.)The resistance of concrete structures exposed to extreme loading conditions such as explosion, impact, industrial accidents, tsunami, earthquake or their combination represents one of the major topics in research today. Such loading conditions are characterized with high loading rates often acting in conjunction with fire exposure. Especially vulnerable are the structures located in the seismically active areas with high level of urbanization and proximity to HAZMAT landfills, which additionally exacerbate fire conflagrations. The behavior of concrete changes significantly when exposed to elevated temperatures resulting in the decrease of its mechanical properties. Reinforced concrete (RC), when exposed to high temperature culminates in a simultaneous thermal behavior of its two constituents, steel and concrete, that should be considered in the analysis. It is also known that the resistance, crack pattern and failure mode in concrete are strongly influenced by the loading rate. The dynamic response of RC structures previously exposed to fire changes significantly when compared to initially undamaged RC structures. The main objective of the present work is to further improve the existing rate sensitive thermo-mechanical model for concrete through the following: (i) the implementation of the experimentally obtained thermal dependence of concrete fracture energy in the thermo-mechanical model, (ii) the calculation of concrete thermally dependent mechanical properties by means of nonlocal (average) temperature and (iii) to perform parametric study on fastening elements and RC frames in order to investigate the interaction between the thermally induced damage and mechanical behavior of structures. The experimental investigations in the present work indicated that the concrete fracture energy has a declining tendency with the temperature increase, measured on small and mid-sized concrete beams. This is implemented in the thermo-mechanical model and it is indicated that the decrease of fracture energy has a relatively mild influence on reaction values in terms of loading rate. However, its effect on the fracture patterns and reaction-time histories can be considered as more significant. The influence of the nonlocal temperature is validated against the experimental results carried out on RC frames which had been thermally pre-damaged and subsequently loaded with impact. Currently there are almost no models that can realistically predict the structural behavior at this level of complexity. Furthermore, a parametric study is carried out to show the influence of preloading of single-headed stud anchor and anchor group with two and four studs, on the residual concrete edge failure capacity after fire exposure. The anchors are exposed to fire and loaded in shear, perpendicular to the free edge of the concrete member up to failure, in both hot and cold state (after cooling). The influence of different geometry configurations and initial conditions such as the edge distance, embedment depth, anchor diameter and duration of fire on the load-bearing behavior of anchors is investigated. It is demonstrated that the preloading has a strong negative influence on the residual load-bearing capacity of the concrete. Finally, the numerical parametric study is performed to investigate the influence of fire duration and the loading rate on the resistance of RC frames. The response of the RC structures strongly depends on whether it was loaded in hot or residual (cold) state, i.e. after being naturally cooled down to ambient temperature. Furthermore, an extensive numerical investigation on the influence of post-earthquake fire on the residual capacity of RC frames with and without ductile detailing is conducted. The numerical investigation encompassed the validation of the thermo-mechanical model in terms of temperature distributions, thermal deflections and load-bearing capacity against the test data and subsequent parametric analysis with different levels of fire exposure ranging from 15 to 120 min.