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In der Abteilung "Mehrphasenströmung, Wärme- und Stoffübertragung" konzentrieren sich die Forschungsaktivitäten auf Prozesse zur Herstellung, Handhabung und Konditionierung disperser Phasen (z.B. Pulver, Partikeln oder Tropfen) in flüssiger oder fester Form. Insbesondere die Analyse der Wechselwirkungsvorgänge an den Phasengrenzflächen von Partikeln mit ihrer fluiden Umgebung, die durch mehrphasige Impuls-, Wärme- und Stofftransportvorgänge geprägt werden, steht hierbei im Vordergrund.

Wesentliche Anwendungen der Untersuchungen in diesem Bereich sind Prozesse mit Spray- und Strahlströmungen aus der Produktion und Handhabung metallischer und keramischer Pulver und der Thermoprozesstechnik.

Grundlagenuntersuchungen in mehrphasigen Strömungssystemen und praxisorientierte Fragestellungen der Anwendung in z.B. mehrphasigen Kühlprozessen im Rahmen der Wärmebehandlung von Metallen werden hierbei behandelt.

     

    Für die wissenschaftlichen Ziele der Abteilung "Mehrphasenströmung" werden als Werkzeuge laseroptische Messverfahren der Fluid- und Partikeltechnik im Verbund mit numerischen Simulationsrechnungen und Modellierungen entwickelt und in Ansatz gebracht. Hierauf aufbauend werden Maßnahmen zur Prozessgestaltung und -optimierung abgeleitet und verifiziert.

    Analysen von Prozessen werden im Rahmen von Forschungsprojekten, aber auch als Service angeboten:

    Analyse mehrphasiger Strömungssysteme

    • Laserlichtschnittvisualisierung (LLS)
    • Schlierenoptik
    • Hochgeschwindigkeits-Videografie (HSP)
    • Konzentrationsmessung
    • Messung von Partikelgrößen-, Partikelgeschwindigkeits- und Partikeltemperaturverteilungen

     

    Zerstäubungs- und Spraycharakterisierung

    • Analyse des Flüssigkeitszerfalls
    • Spraycharakterisierung
    • Spraykühlung, Spraybeschichtung, Sprühkompaktierung

     

    Pulveranalysen

    • Partikelgröße und -form
    • Fließfähigkeit

     

    Modellierung und Simulation mehrphasiger Systeme

    • mehrphasige Strömungen
    • Fluidzerstäubung und Sprayausbreitung
    • Quench- und Kühlprozesse
    • Verdampfungs-, Kondensations- und Erstarrungsprozesse

     

    Versuchseinrichtungen für partikelbeladene Mehrphasenströmungen werden genutzt zum:

    • Zerstäubung von Fluiden, Schmelzen und Lösungen, Suspensionen und Emulsionen
    • Transport von Partikeln
    • Dispergierung, Abscheidung und Konditionierung von Partikeln
    • Laser-Doppler- und Phasen-Doppler-Anemometrie (LDA / PDA)
    • Particle Image Velocimetry (PIV)
    • High Speed Particle Pyrometry (HSP)
    • Beugungsspekrometrie (BSM)
    • Hitzdrahtanemometrie (CTA)
    • Visualisierung: Kurzzeitvideografie, Schlierenoptiksysteme, Laserlichtschnittsystem

     

    Die Schwerpunkte der wissenschaftlichen Arbeiten der Abteilung „Mehrphasenströmung“ liegen aktuell in folgenden Bereichen:

    Erfassung der Mikroprozesse und Strukturen bei der Dispergierung von Fluiden, Emulsionen, Suspensionen und Schmelzen

    • Dispergier- und Desintegrations­vorgänge bei der Zerstäubung
    • Emulgierprozesse komplex rheologischer Flüssigkeiten
    • Mikrofluidik und Emulgieren von Fluiden und Schmelzen in poröser Strukturen und Membranen
    • Inline Qualitätskontrolle von Emulsionen und Kühlschmierstoffen

     

    Generierung von Pulvern und Halbzeugen aus mineralischen, metallischen und Polymer-Schmelzen

    • Konzepte für Zerstäubungsaggregate für energieeffiziente Prozesse und angepasste Produkteigenschaften von Pulvern im Mikro- und Nanometerbereich
    • Entwicklung thermischer und kinetischer Randbedingungen zur Ableitung angepasster Prozessführungsstrategien
    • Pulverproduktion in Sprayprozessen, Prozesstechnik der Sprühkompaktierung

     

    Prozessanalyse und -optimierung in der Thermoprozesstechnik

    • Analyse der Strömungs- und Wärmeübergangsverhältnisse an komplexen Bauteilen in Gas- und Flüssigkeitsabschreckprozessen
    • Entwicklung räumlich und zeitlich gesteuerter Wärmeübertragungsszenarien
    • Kühlen und Abschrecken mit Spray- und Jetsystemen in Flüssigkeiten und Gasen
    • Ableitung von Strategien zur Vermeidung oder Kompensation von Bauteilverzügen im Fertigungsprozess
    • Energieeffizienz in der Thermoprozesstechnik

     

    Entwicklung numerischer Modelle zur Beschreibung von Mehrphasenströmungen (M-CFD Multiphase Computational Fluid Dynamics)

    • Modelle zur Beschreibung von Topologieänderungen in Mehrphasenströmungen (Zerstäubung, Tropfenzerfall und -koaleszenz, ….)
    • Lattice Boltzmann Verfahren zur Analyse von Mehrphasenströmungen
    • Kopplung von thermischen Modellen und Phasenfeldmodellierung
    • Modellierung des Verdampfungsprozessen (Strömungssieden)
    • Modellbildung für orts- und zeitaufgelöste Dispersströmungen (Sharp Interface Model)
    • Dynamic Flow Sheet Simulation partikulärer Prozesse (Feststoffverfahrenstechnik)
    • OpenFOAM Erweiterungen für M-CFD
    • Kopplung von CFD und PBM (Populationsbilanzen)
    • Turbulent Combustion Modelling
    • Partikeln aus der Gasphase, Modellierung und Simulation
    • Modellierung von Ultraschallanwendungen

    Projekte der Mehrphasenströmung, Wärme- und Stoffübertragung

    VerA-Verzugskompensation in Aluminiumdruckguss-Prozessketten

    Das Ziel des Projektes VerA ist es eine Methode zu erarbeiten, prozessinduzierte Eigenspannungen beim Aluminiumdruckguss in der Produktion zu kompensieren. Betrachtet wird die vollständige Prozesskette vom Gießen bis zur Wärmebehandlung.

    Die Motivation des Projektes ist, die wirtschaftliche Herstellung großflächiger, dünnwandiger Druckguss-Integralbauteile, die den Leichtbauanforderungen der Automobilindustrie entsprechen. Derzeit sind zum Ausgleich des Verzugs kostenintensive Maßnahmen wie Richtvorgänge notwendig. In der betrachteten Prozesskette vom Gießen bis zur Wärmebehandlung, werden bei der Wärmebehandlung durch lokal gesteuerte Abschreckung der Verzug und innere Spannungen beeinflusst. Die Abschreckung erfolgt über adaptive Sprühfeld-Systeme. Bei der Anpassung des Sprühfeldes werden bauteilindividuelle Daten der Prozessüberwachung genutzt, so dass durch optimale lokale Abkühlraten der Verzug kompensiert werden kann.

    Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert.

    Bearbeitung: IWT-Verfahrenstechnik, IWT-Leichtbauwerkstoffe, IFAM

    Förderung: BMWi-AiF

    Laufzeit: 01.04.2022 – 30.09.2024

    Kontakt:
    M.Sc. Lisa Husemann
    Tel.: +49421 218 51325
    E-Mail: husemann@iwt-bremen.de

    Dilyan Kamenov
    Tel.: +49421 218 51231
    E-Mail: d.kamenov(at)iwt.uni-bremen.de

     

    Einfluss von Düsenfeldanordnungen aus Strahl- und Vollkegeldüsen auf die Intensivkühlung bewegter dicker Bleche

    In diesem Projekt wurde die intensive Kühlung heißer Bleche mit Wasser aus Einzeldüsen und Düsenfeldern untersucht.

    Hierfür wurden experimentelle Untersuchungen mit Vollstrahl- und Spraydüsen an der Universität Magdeburg (Forschungsstelle 1) und die numerische Modellierung sowie die Durchführung von Simulationen am Leibniz Institut für Werkstofforientierte Technologien IWT Bremen (Forschungsstelle 2) durchgeführt.

    Gegenstand der experimentellen Untersuchungen waren einzelne Vollstrahl- und Vollkegeldüsen sowie Düsenfelder aus 9 bis 10 Vollstrahldüsen, 2 Vollkegeldüsen, 2 Flachstrahldüsen und Kombinationen aus Voll- und Flachstrahldüsen. Während des Abkühlprozesses wurden die Temperaturen der gekühlten Bleche an der Rückseite mit einer Infrarotkamera gemessen. Ein wesentliches Ergebnis der experimentellen Untersuchungen ist der konkrete Nachweis des Einflusses technischer Parameter wie Anfangstemperatur, Strahlgeschwindigkeit, Blechgeschwindigkeit, Metallart etc. auf die DNB- bzw. die Leidenfrost-Temperatur, den Wärmeübergang und den Fortschritt der Benetzungsfront.

    Die numerische Simulation basiert auf einem modifizierten Euler-Euler Mehrphasenmodell. Mit dem entwickelten 3D-Simulationsmodell kann der gesamte Abkühlprozess mit allen dazugehörigen Siedephasen berechnet werden. Auf der Basis der Simulationsergebnisse können Prozesszustände wie z.B. der Leidenfrostbereich, der Wärmeübergangskoeffizient (WÜK), der lokale Wärmestrom oder der Temperaturgradient an der auftretenden Oberfläche, die im Experiment nicht direkt erfassbar sind, detailliert analysiert werden. Das Modell erlaubt die Berechnung bei unterschiedlichen Düsenarten sowie die Düsenanordnungen und von dreidimensionalen Düsenfeldern als auch die Analyse der Kühlung einer bewegten Platte (dickes Blech).

    In den Ergebnissen aus Experiment und Simulation besteht hinreichende Übereinstimmung. Insbesondere zeigen Experiment und Simulation die gleichen Tendenzen in Abhängigkeit der Veränderung technischer Parameter der Kühlung.

    Mit den Ergebnissen des Projekts stehen Kennwerte zur Verfügung, die für die Auslegung und Optimierung von Kühl- bzw. Abschreckanlagen bewegter Bleche geeignet sind. Die Möglichkeiten eines Transfers in die Industrie sind gegeben.

    Der Schlussbericht des Vorhabens kann über das Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) e. V. bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fkm-net.de).

    Bearbeitung: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik, Leibniz Institut für Werkstofforientierte Technologien, IWT Bremen

    Laufzeit: 01.05.2018 – 31.10.2021

    Förderung: BMWi-AiF

    Das IGF-Vorhaben 20107 BG/1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. - FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

    Kontakt:
    Prof. Dr.-Ing. habil. Udo Fritsching
    Tel.: +49421 218 51230
    E-Mail: ufri(at)iwt.uni-bremen.de

    M.Sc. Nithin Mohan Narayan
    Tel.: +49421 218 64509
    E-Mail: n.narayan(at)iwt.uni-bremen.de