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 Top‐down approach to study chemical and electronic properties of perovskite solar cells : sputtered depth profiling versus tapered cross‐sectional photoelectron spectroscopies(2021) Das, Chittaranjan; Zia, Waqas; Mortan, Claudiu; Hussain, Navid; Saliba, Michael; Ingo Flege, Jan; Kot, MałgorzataA study of the chemical and electronic properties of various layers across perovskite solar cell (PSC) stacks is challenging. Depth‐profiling photoemission spectroscopy can be used to study the surface, interface, and bulk properties of different layers in PSCs, which influence the overall performance of these devices. Herein, sputter depth profiling (SDP) and tapered cross‐sectional (TCS) photoelectron spectroscopies (PESs) are used to study highly efficient mixed halide PSCs. It is found that the most used SDP‐PES technique degrades the organic and deforms the inorganic materials during sputtering of the PSCs while the TCS‐PES method is less destructive and can determine the chemical and electronic properties of all layers precisely. The SDP‐PES dissociates the chemical bonding in the spiro‐MeOTAD and perovskite layer and reduces the TiO2, which causes the chemical analysis to be unreliable. The TCS‐PES revealed a band bending only at the spiro‐MeOTAD/perovskite interface of about 0.7 eV. Both the TCS and SDP‐PES show that the perovskite layer is inhomogeneous and has a higher amount of bromine at the perovskite/TiO2 interface.Item Open Access Determination of the thermally induced focal shift of processing optics for ultrafast lasers with average powers of up to 525 W(2018) Faas, Sebastian; Förster, Daniel J.; Weber, Rudolf; Graf, ThomasThe continuous increase of the average laser power of ultrafast lasers is a challenge with respect to the thermal load of the processing optics. The power which is absorbed in an optical element leads to a temperature increase, temperature gradients, changing refractive index and shape, and finally causes distortions of the transmitted beam. In a first-order approximation this results in a change of the focal position, which may lead to an uncontrolled change of the laser machining process. The present study reports on investigations on the focal shift induced in thin plano-convex lenses by a high-power ultra-short pulsed laser with an average laser power of up to 525 W. The focal shift was determined for lenses made of different materials (N-BK7, fused silica) and with different coatings (un-coated, broadband coating, specific wavelength coating).Item Open Access Estimation of the depth limit for percussion drilling with picosecond laser pulses(2018) Förster, Daniel J.; Weber, Rudolf; Holder, Daniel; Graf, ThomasItem Open Access Correlating and predicting thermal conductivity and self-diffusion from entropy scaling using PCP-SAFT(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik, 2022) Hopp, Madlen; Groß, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)For a complete description and design of thermodynamic processes, knowledge of the properties of all substances involved is absolutely necessary. While the equilibrium properties are already well understood, there is still a lack of a handy description of the transport properties. Entropy scaling is an intriguingly simple approach for correlating and predicting transport properties of real substances and mixtures. As convincingly documented in the literature entropy scaling is indeed a firm concept for the shear viscosity of real substances, including hydrogen-bonding species and strongly non-spherical species and for mixtures. In this thesis, we investigate whether the entropy scaling approach is applicable for the thermal conductivity as well as the self-diffusion coefficients of pure substances. In accordance with the entropy scaling approach proposed by Y. Rosenfeld [Phys. Rev. A 1977, 15, 2545-2549], we observe that the thermal conductivity and the self-diffusion coefficient of real substances, once made dimensionless with an appropriate reference expression, only depend on residual entropy. We propose suitable reference expressions for both properties, to calculate the coefficients of pure substances from entropy scaling using the Perturbed-Chain Polar Statistical Associating Fluid Theory (PCP-SAFT) equation of state. Good entropy scaling behavior is found for the entire fluid region for water and more than 130 organic substances from various chemical families: linear and branched alkanes, alkenes, aldehydes, aromatics, ethers, esters, ketones, alcohols and acids. Models for both, thermal conductivity and self-diffusion coefficient, show satisfying robustness for extrapolating the coefficients to conditions rather distant from state points where experimental data is available. Additionally, a predictive group-contribution method for thermal conductivity based on entropy scaling is derived. The excess entropy for this approach is calculated using the group-contribution PCP-SAFT equation of state. The model is applicable for gaseous phases and for liquid-phase conditions covering wide ranges of temperature and pressure.Item Open Access Assessing fatigue life cycles of material X10CrMoVNb9-1 through a combination of experimental and finite element analysis(2023) Rahim, Mohammad Ridzwan Bin Abd; Schmauder, Siegfried; Manurung, Yupiter H. P.; Binkele, Peter; Dusza, Ján; Csanádi, Tamás; Ahmad, Meor Iqram Meor; Mat, Muhd Faiz; Dogahe, Kiarash JamaliThis paper uses a two-scale material modeling approach to investigate fatigue crack initiation and propagation of the material X10CrMoVNb9-1 (P91) under cyclic loading at room temperature. The Voronoi tessellation method was implemented to generate an artificial microstructure model at the microstructure level, and then, the finite element (FE) method was applied to identify different stress distributions. The stress distributions for multiple artificial microstructures was analyzed by using the physically based Tanaka-Mura model to estimate the number of cycles for crack initiation. Considering the prediction of macro-scale and long-term crack formation, the Paris law was utilized in this research. Experimental work on fatigue life with this material was performed, and good agreement was found with the results obtained in FE modeling. The number of cycles for fatigue crack propagation attains up to a maximum of 40% of the final fatigue lifetime with a typical value of 15% in many cases. This physically based two-scale technique significantly advances fatigue research, particularly in power plants, and paves the way for rapid and low-cost virtual material analysis and fatigue resistance analysis in the context of environmental fatigue applications.Item Open Access Smooth or with a snap! Biomechanics of trap reopening in the Venus flytrap (Dionaea muscipula)(2022) Durak, Grażyna M.; Thierer, Rebecca; Sachse, Renate; Bischoff, Manfred; Speck, Thomas; Poppinga, SimonFast snapping in the carnivorous Venus flytrap (Dionaea muscipula) involves trap lobe bending and abrupt curvature inversion (snap‐buckling), but how do these traps reopen? Here, the trap reopening mechanics in two different D. muscipula clones, producing normal‐sized (N traps, max. ≈3 cm in length) and large traps (L traps, max. ≈4.5 cm in length) are investigated. Time‐lapse experiments reveal that both N and L traps can reopen by smooth and continuous outward lobe bending, but only L traps can undergo smooth bending followed by a much faster snap‐through of the lobes. Additionally, L traps can reopen asynchronously, with one of the lobes moving before the other. This study challenges the current consensus on trap reopening, which describes it as a slow, smooth process driven by hydraulics and cell growth and/or expansion. Based on the results gained via three‐dimensional digital image correlation (3D‐DIC), morphological and mechanical investigations, the differences in trap reopening are proposed to stem from a combination of size and slenderness of individual traps. This study elucidates trap reopening processes in the (in)famous Dionaea snap traps - unique shape‐shifting structures of great interest for plant biomechanics, functional morphology, and applications in biomimetics, i.e., soft robotics.Item Open Access The effects of airfoil thickness on dynamic stall characteristics of high‐solidity vertical axis wind turbines(2021) Bangga, Galih; Hutani, Surya; Heramarwan, HenidyaThe flow physics of high solidity vertical axis wind turbines (VAWTs) is influenced by the dynamic stall effects. The present study is aimed at investigating the effects of airfoil thickness on the unsteady characteristics of high solidity VAWTs. Seven different national advisory committee for aeronautics (NACA) airfoils (0008, 0012, 0018, 0021, 0025, 0030, 0040) are investigated. A high fidelity computational fluid dynamics (CFD) approach is used to examine the load and flow characteristics in detail. Before the study is undertaken, the CFD simulation is validated with experimental data as well as large eddy simulation results with sound agreement. The investigation demonstrates that increasing the airfoil thickness is actually beneficial not only for suppressing the dynamic stall effects but also to improve the performance of high solidity turbines. Interestingly this is accompanied by a slight reduction in thrust component. The strength and radius of the dynamic stall vortex decrease with increasing airfoil thickness. The airfoil thickness strongly influences the pressure distributions during dynamic stall process, which is driven by the suction peak near the leading edge. The knowledge gained might be used by blade engineers for designing future turbines and for improving the accuracy of engineering models.Item Open Access Modeling and simulation of closed low-pressure adsorbers for thermal energy storage(2019) Schäfer, Micha; Thess, André (Prof. Dr. rer. nat.)Closed low-pressure adsorption systems can be applied for thermal energy storage. Their performance is determined by the mass and heat transport processes in the adsorber. Therefore, thorough knowledge of these transport processes is required for further storage development. The present thesis contributes to this by providing detailed models of closed low-pressure adsorbers and by conducting simulations over a broad range of parameters and configurations. The focus is on adsorbers of larger scale (length L = 0.1 . . . 1 m) and on the discharging process. As the adsorption pair, binderless zeolite 13X with water is examined. The models are developed in a stepwise manner from pore to storage scale. The Finite-Difference-Method is implemented to numerically solve the models. Simulations are conducted for defined reference cases as well as over a broad range of geometric and process parameters. The reference cases are analyzed in detail to gain a better understanding of the transport processes. Furthermore, the results are analyzed with respect to two particular modeling aspects: equilibrium assumptions and rarefaction effects (e. g. slip effect). With respect to the application, the discharging performance is analyzed in terms of thermal power and a defined discharging degree. Both the adsorber and the adsorbent configurations are varied. In addition, the effect of the discharging conditions is evaluated. Finally, one exemplary charging process is examined. The detailed analysis of the reference cases reveals that the mass and heat transport and the adsorption processes are strongly coupled and can only be understood in their interaction. For onedimensional adsorber configurations, that is the mass and heat transport are in the same direction, the discharging process is generally limited by the heat transport. This leads to insufficient thermal power and unsuitable discharging durations of up to one year. In contrast, for two-dimensional adsorber configurations, that is the mass and heat transport are in perpendicular directions, the discharging process can be limited either by the mass or heat transport or by the adsorption. The limitation depends on the configuration of the adsorber and adsorbent. Moreover, the twodimensional adsorber configurations can provide sufficient thermal power. With respect to the modeling, it is found that the assumption of a uniform pressure distribution is applicable for one-dimensional adsorber configurations. In contrast, for two-dimensional configurations, no equilibrium assumptions can be applied in general. However, for powder adsorbent it is always valid to assume local adsorption equilibrium. Regarding the rarefaction effects in twodimensional adsorber configurations with honeycombs and granules, the slip effect is relevant for small channel and particle diameters (d = 1 mm). For adsorbers with powder adsorbent, the reduction of the effective heat conductivity due to the rarefaction effect becomes relevant. With respect to the application, the variation of the adsorber configuration shows that the volumetric thermal power generally decreases with increasing adsorber length. Furthermore, the power decreases with increasing width between the parallel heat exchanger plates in the adsorber. Regarding the adsorbent configuration in two-dimensional adsorber configurations, it is found that the volumetric thermal power can be optimized by variation of the channel or particle diameter. Interestingly, the optima for peak and mean power do not coincide. In addition, the discharging degree is found to strongly depend on the discharging conditions in terms of discharging temperature and volume flow of the heat transfer fluid extracting the heat from the adsorber. In general, the discharging degree decreases with increasing discharging temperature. Similarly, the discharging degree decreases with increasing volume flow of the heat transfer fluid. Finally, the analysis of an exemplary charging process revealed that the pressure in the adsorber can increase significantly (> 50%) due to the desorption.Item Open Access Über die Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit Hilfe der Moore-Penrose-Inversen des Laplace-Operators im Vektorraum der Polynomkoeffizienten(2024) Große-Wöhrmann, Bärbel; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Die bekannten numerischen Standard-Verfahren zur Lösung partieller Differentialgleichungen basieren auf einer räumlichen Diskretisierung des Berechnungsgebiets. Ihre Performance und Skalierbarkeit auf modernen massiv-parallelen Höchstleistungsrechnern ist von der Verfügbarkeit effizienter numerischer Verfahren zur Lösung linearer Gleichungssysteme abhängig. Angesichts grundlegender Herausforderungen erscheint die Entwicklung neuer Lösungsansätze sinnvoll. Ich stelle in dieser Arbeit einen Polynomansatz zur Lösung partieller Differentialgleichungen vor, der nicht auf einer räumlichen Diskretisierung beruht und mit Hilfe der Moore-Penrose-Inversen des Laplace-Operators die Entkopplung der Navier-Stokes-Gleichungen ermöglicht. Dabei ist der Grad der Polynome nicht grundsätzlich beschränkt, so dass eine hohe räumliche Auflösung erreicht werden kann.