Fluidenergiemaschinen

Ausgewählte Forschungsprojekte

 

Optimierung der Savonius-Hydroturbine

Verantwortlich: M.Sc. Emeel Kerikous

Dieses Projekt zielt darauf ab, die Ausgangsleistung einer hydraulischen Savonius-Turbine zu maximieren, indem das Schaufelprofil für unterschiedliche konkave und konvexe Seiten frei modifiziert wird. Zwölf geometrische Parameter sind bei der Formoptimierung beteiligt. 636 transiente CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) werden mit dem industriellen Strömungssimulationscode Star-CCM + durchgeführt. Die optimierte Form erhöht die Leistung der Savonius Turbine um 15% im Vergleich zur Standardform. Das Bild zeigt die Druckverteilung um die optimierte Schaufelturbine bei zwei verschiedenen Drehwinkeln. Das Video zeigt die Geschwindigkeitsverteilung und Stromlinien um das optimierte Blatt für eine vollständige Neubewertung.

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Pitot-Pumpe: Hochdruckförderung und Adaption zur Reinigung von verschmutzten Gewässern

im Rahmen des BMWI geförderten ZIM-Projektes KF2473102VT1

Verantwortlich: M.Sc. Jessica Köpplin, Prof. Dr.-Ing. Dominique Thévenin

Die Pitot-Pumpe ist eine eher unbekannte Kreiselpumpe, die bei niedrigen Volumenströmen und hohen Drücken arbeitet. Sie wird auch heute noch im Reinigungssektor in der Papier-, Nahrungsmittel oder Bergbauindustrie verwendet. Ihr Design hat sich in den 100 Jahren seit ihrer Entwicklung nicht wirklich verändert. Durch den Fortschritt numerischer Methoden konnte das Optimierungspotential aufgezeigt werden und anschließend durch Experimente beim Industriepartner am Prüfstand validiert werden. Die Eigenschaften des charakterisierenden Pitot-Rohres werden genutzt, um in der Pitot-Pumpe Stoffe unterschiedlicher Dichte in einem kontinuierlichen Betrieb voneinander zu trennen. Durch das Laufrad bleibt die Pumpwirkung erhalten, so dass gleichzeitig gefördert und getrennt werden kann.
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Abbildung: (links) Aufbau einer Pitot-Pumpe zur reinen Förderung; Bauteile mit Index ‚r‘ rotieren und Index ‚f‘ sind fest (rechts) Adaption der Pitot-Pumpe zur kontinuierlichen Trennung zweier Stoffe unterschiedlicher Dichte durch Zentrifugalkräfte im Rotor

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Abbildung: (links) Numerische Simulationen und (rechts) Ergebnisse erster Experimente an einem Prototyp am LSS mit Wasser und Sonnenblumenöl (Δ ρ≈70 kg/m3)

Abbildung: Grundidee und Forschungsergebnisse auf dem Weg zur funktionierenden Trennpumpe

Numerische Untersuchungen und Optimierung von Blutpumpen

Verantwortlich: M.Sc. Sebastian Engel

Das Medium Blut setzt große Herausforderungen an den Entwurf von blutfördernden Maschinen, wie sie in OPs, Dialysen oder auch in künstlichen Herzen zu finden sind. Mittels Modellierung von Blutschädigung (mechanischer Hämolyse und Thrombozytenaktivierung) und der Zuhilfenahme der Methoden der numerischen Strömungssimulation werden Blutpumpen in diesem Prpojekt untersucht. Das Ziel ist, Methoden zu entwickeln und anzuwenden, um existierende Pumpentypen zu verbessern (mittels numerischer Optimierung) als auch ungewöhnliche Designs zu explorieren.
In diesem Bestreben wurden bereits Entwürfe axialer Pumpen untersucht und optimiert. Des Weiteren wurde an dem Projekt „Critical Path - Blood Damage“ -Projekt der US-Behörde FDA (Food and Drug Administration) teilgenommen.

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Abbildung: Stromlinien in FDA-Challenge „Critical Path“-Pumpe und Druckverteilung auf Rotor. Quelle: H. Yu, PhD „Flow design optimization of blood pumps considering hemolysis”.

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Abbildung: Simulation einer axialen Blutpumpe. Dargestellt sind Wandschubspannung sowie die Geschwindigkeitsverteilung entlang von Stromlinien.

Entwicklung moderner Wasserräder

im Rahmen des BMBF geförderten „Wachstumskern Fluss-Strom Plus“ (Projektnummer 1714)

Verantwortlich: M.Sc. Olivier Cleynen

Wasserkraftnutzung geschieht heutzutage hauptsächlich in Verbindung mit einer Versperrung der Gewässer. Das Betreiben kleinskaliger Maschinen, die ohne Stauung oder Versperrung funktionieren  — hier insbesondere Wasserräder— ist eine umweltschonende Alternative. Solche Maschinen würden unseren Energiesektor einen Schritt in Richtung eines nachhaltigen, dezentralisierten Stromnetzes bringen.

Die strömungsmechanische Betrachtung von Geräten mit niedriger Geschwindigkeit, freier Oberfläche ohne Dammsystem ist aber komplex. Die Dynamik zweier Phasen (Luft und Wasser) muss in einem instationären, turbulenten Umfeld berechnet werden. Dafür werden 2D- sowie 3D-CFD Modellen genutzt, um den Einfluss von Einzelschaufelgeometrie, Rotorabmaßen oder Schwimmkörper zu verstehen und zu charakterisieren. Die numerischen Simulationen werden parallel mit experimentellen Versuchen durchgeführt. PIV-Messungen (Particle Image Velocimetry) an einem verkleinerten  Modell werden in der neuen Wasserstrecke des Instituts durchgeführt, um die numerischen Simulation zu kalibrieren und zu validieren. Mit der Aufzeichnung von Parametern, wie der Erhöhung der Rotorleistungsdichte, dem Betrieb außerhalb des Auslegungspunktes, der Fremdkörpertoleranz, und der Stabilität der mechanischen Leistungsausgabe soll in dieser Arbeit eine quantitative Beschreibung der Leistung von modernen, an der freien Oberfläche operierenden hydraulischen Geräten führen.

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Abbildung: Geschwindigkeitsprofil und Wasseroberfläche eines rotierenden Wasserradprototyps

Fluid-Struktur-Interaktion an einer Wasserturbine mit deformierbaren Schaufeln

Verantwortlich: Dr.-Ing. Stefan Hörner

Siehe auch:
http://www.unternehmen-region.de/de/6023.php
http://www.grenoble-inp.fr/
http://www.rosaluxemburgstiftung.de/

Im Gegensatz zu konventionellen Konzepten zur Nutzung der Wasserkraft forscht der Wachstumskern „Flussstrom“ an neuen Technologien der nachhaltigen Nutzung dieser Ressource. Darrieus-Wasserturbinen können als schwimmende Kleinkraftwerke ohne Damm in Flüssen und Meeres- bzw. Gezeitenströmungen operieren. Die vertikale Bauweise bietet hier viele Vorteile, wie Einfachheit der Konstruktion oder eine Positionierung des Generators außerhalb des Wassers. Darüber hinaus hat dieser Turbinentyp eine hohe Effizienz, im Vergleich zu anderen ökologisch verträglichen hydraulischen Strömungsmaschinen.

Durch verformbar gestaltete Schaufeln soll die Turbine sich an die mit jeder Umdrehung stark variierenden Strömungsbedingungen anpassen. Dies soll zu einer Verbesserung der Performance aber auch der Lebensdauer führen, da stark alternierende Lasten vermindert werden. Die Vorgehensweise umfasst numerische Simulationen mit Kopplung von Fluid- und Strukturberechnungen zur Konzeption und zum Design der Schaufeln. Zusätzlich erfolgt eine Validierung der Ergebnisse im für den Wachstumskern errichteten Wasserkanal.

Das Projekt findet im Rahmen im Rahmen einer Deutsch-Französischen Promotion (Cotutelle de thèse) mit der Universität Grenoble-Alpes statt. Es wird von der Deutsch-Französischen Hochschule und über ein Promotionsstipendium durch die Rosa-Luxemburg-Stiftung gefördert.

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Abbildung: links: Struktur einer flexiblen Schaufel; rechts: 3D-Rechennetz einer Darrieus-Wasserturbine für eine CFD-Berechnung

Forschungsprojekt RETERO: Reduktion von Tierversuchen zum Schädigungsrisiko bei Turbinenpassagen durch Einsatz von Roboterfischen, Strömungssimulationen und Vorhersagemodellen" (Förderkennzeichen 031L0152A)

Verantwortlich: M.Sc. Dennis Powalla

Das Ziel des RETERO-Projekts ist es, Fischversuche zur Evaluierung von Turbinen und anderen Abstiegskorridoren in Bezug auf das Schädigungsrisiko der passierenden Individuen zu minimieren. Um dies gewährleisten zu können, soll eine Ersatzmethode entwickelt werden.Die Methode wird realisiert unter zuhilfenahme von Experimenten, die von teil-autonomen Robotersystemen ergänzt werden, sowie von numerischen Simulationen, die durch Verhaltensmodelle eine Risikoabschätzung liefern sollen. Dem Institut kommen in dem Projekt zwei Hauptaufgaben zu.

Das erste ist, die Entwicklung eines Vorhersagemodells, dass die Reduzierung der Schädigungs- und Sterblichkeitsrate als Ziel hat. Das Model sollte die Bewegung eines Fishkörpers in einer dreidimensionalen hydrodynamsichen Strömung abbilden und zusätzlich mögliche Kontaktereignisse (z.B. mit Turbinenblättern) darstellen. Der derzeitige Ansatz folgt der Entwicklung eines Multi-Agenten-Systems, basierend auf Simulationsergebnissen und Beobachtungen mit Lebendfisch. Der zweite Teil unterstützt die Auslegung des fischähnlichen Robotersystems. Dabei werden die Kräfte berechnet, die auf einen sich bewegenden Fischkörper wirken, um erste Aussagen über die Dimensionierung einer Vortriebeinrichtung treffen zu können. Die Bewegung des Fischkörpers ist in der CFD-Umgebung mit dem Morphing Mesh Model umgesetzt. In dem Model verformen sich die Gitterpunkte des Netzes, entsprechend einer vordefinierten Körperbewegung, die aus Bewegungseigenschaften lebender Objekte abgeleitet ist.

FishMotion

Numerische Untersuchungen eines Wasserwirbelkraftwerkes als Fisch-Treppe

im Rahmen des BMBF geförderten „Wachstumskern Fluss-Strom Plus“ (Projektnummer 1714)

Verantwortlich: M.Eng. Nils Lichtenberg, Dr.-Ing. Stefan Hörner

Siehe auch: http://www.unternehmen-region.de/de/6023.php

Die Anforderungen an eine gute Qualität der Gewässer in Europa bedeuten auch die Wiederherstellung des Ökosystems und damit die freie Wanderung von Fischen stromauf- und stromabwärts. Als Konsequenz müssen Maßnahmen getroffen und Bauwerke errichtet werden, die diese Migration zulassen. Dieses Projekt beschäftigt sich mit den sich daraus ergebenden geometrischen und hydraulischen Anforderungen für solche Bauwerke. Anhand von Simulationsergebnissen eines Wirbelwasserkraftwerks wird dessen gute Eignung als Fischleiter unterstrichen, da alle Anforderungen an die Fließgeschwindigkeit eingehalten werden. Das System beherbergt eine komplexe Wirbelstruktur, die zeitabhängig ist und zu ständig wechselnden Positionen des Wirbelkerns führt. Zur Optimierung von Rechenzeiten wird bei der Simulation eine fortlaufende Adaption der Netzfeinheit durchgeführt. Dadurch entsteht eine besonders gute Netzdichte in den Bereichen mit hohen Gradienten der Geschwindigkeit und der freien Oberfläche.

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Abbildung: links: schematische Darstellung des Wirbelwasserkraftwerkes, rechts: Geschwindigkeitsprofil mit Darstellung der Netzverfeinerung in Bereichen hoher Geschwindigkeitsgradienten und der freien Oberfläche

Letzte Änderung: 07.10.2020 - Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. habil. Dominique Thevenin