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Abteilung Fluidsysteme

Themen:

1. CFD-Simulation der Umströmung einer Sattelzugkonfiguration unter realen An-strömbedingungen und Vergleich mit experimentell gewonnenen Daten aus einem LKW-Fahrversuch (Ankündigung)

Hintergrund:

Im Windkanalexperiment gemessene mittlere Basisdruckverteilung und mittlere Geschwindigkeitsverteilung im Nachlauf eines Sattelzugmodells

Die Verbesserung der Formgebung moderner Sattelzugkonfigurationen zur Reduzierung des aerodynamischen Widerstands ist bereits seit vielen Jahren Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen. So wurden auch am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen bereits eine Reihe von experimentellen und numerischen Untersuchungen in diesem Bereich durchgeführt.

Aufgabenstellung:

Im Allgemeinen finden experimentelle Untersuchungen mit skalierten Modellen im Windkanal statt (Abbildung 1). Ein vor kurzem vom DLR durchgeführter Fahrversuch mit einem 40t-Sattelzug soll klären, inwieweit sich die im Windkanal gewonnenen Ergebnisse auf die Realität übertragen lassen. Grundlage dieser Arbeit ist die numerische Simulation der realen Umströmung eines Sattelzugs (Originalmaßstab, bewegter Boden, drehende Räder). Die Ergebnisse sollen anschließend mit den im Fahrversuch gemessenen experimentellen Daten des Geschwindigkeitsfeldes im Nachlauf und der Basisdruckverteilung an der Aufliegerrückwand verglichen werden. Die Berechnungen sollen mit dem CFD-Berechnungstool Star-CD durch-geführt werden.

Voraussetzung

• gute Kenntnisse im Bereich der Strömungsmechanik
• Grundlagen in Computational Fluid Dynamics

Ansprechpartner:

Johannes Haff
Tel.: 0551 / 709-2140
E-Mail: Link zum E-Mail Formular (Ansprechpartner auswählen und Titel nennen)

2. CFD-Berechnung der Strahlzerstäubung für eine neue Generation von Verbrennungsmotoren (Ankündigung)

Hintergrund:

Schematische Darstellung einer Lavaldüse

Schematische Darstellung einer Koaxialen Düse

Aufgabenstellung:

Die Einspritzsysteme sollen möglichst so ausgelegt werden, dass eine optimale Verbrennung mit weniger verbrauchter Energie erzielt wird. Ein Schritt auf diesem Weg ist die Optimierung der Einspritzstrategie durch die Verwendung von Laval- und koaxialen Düsen (mögliche Konfigurationen sind in Abb. 1-2 dargestellt). Der Prozess der Zerstäubung in solchen Düsen geschieht durch den Zerteilmechanismus zwischen dem Hochgeschwindigkeitsgasstrahl und dem Kraftstoffsvolumen. Dieses soll im Projekt genauer untersucht werden. Dazu soll CFD-Simulation mit Programm OpenFOAM Düsenkonfigurationen durchgeführt werden.

Voraussetzung:

• gute Kenntnisse in Strömungsmechanik
• Programmiererfahrung (z.B. Fortran, C, ...).

Ansprechpartner:

PD Dr. Mikhail Konstantinov
Tel.: 0551 / 709-2876
E-Mail: Link zum E-Mail Formular (Ansprechpartner auswählen und Titel nennen)

3. Entwicklung und Implementierung eines eindimensionalen Bernoulli–Models der Ventilation in der menschlichen Lunge (Ankündigung)

Hintergrund:

(a) menschliche Atemwege

Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) geförderten Projektes Protective Artificial Respiration (PAR) untersuchen wir die oszillierende Strömung in den zentralen (tracheobronchialen) Atemwegen des Menschen unter Bedingungen spontaner und mechanischer Beatmung [1] mittels numerischer Strömungssimulationen (CFD). Auf Grund einer sehr komplexen und unregelmäßigen Topologie des Bronchialbaums mit über 8×10⁶ einzelnen Verzweigungen soll ein eindimensionaler Bernoulli–Ansatz verwendet werden, um das physiologische und pathologische Verhalten der unteren durch die CFD nicht aufgelösten Lungenbereiche zu modellieren, die wiederum einen großen Einfluss auf das Strömungsbild in den oberen aufgelösten Bereichen ausübt.

Aufgabenstellung:

Nach einer Einarbeitung in das Thema der Biofluiddynamik und der Physiologie der menschlichen Lunge macht sich der Kandidat mit einer geeigneten Programmierumgebung und der Bernoulli–Gleichung vertraut. Daten aus der medizinischen Literatur, wie z.B. [2], sollen verwendet werden, um geeignete Koeffizienten zu bestimmen, die den Druckverlust in der Bernoulli–Gleichung auf Grund von Wandreibung und Verzweigungen in jeder einzelnen Generation des Bronchialbaums berücksichtigen. Weiterhin soll die Elastizität des Lungengewebes über einen zusätzlichen Potentialterm modelliert werden, und eine geeignete Modifikation der Koeffizienten soll das Verhalten pathologischer Lungenareale beschreiben. Damit ist es möglich, ein Gleichungssystem aufzustellen, welches eine Beziehung zwischen Volumenstrom und Druck eines ganzen Lungenbereichs liefert. Um dieses System zu lösen, soll ein numerisches Werkzeug aufgebaut und implementiert werden. Über einen Vergleich mit CFD–Simulationen, die am DLR durchgeführt
werden, soll das Modell bewertet werden. Die Ergebnisse und Erkenntnisse sollen abschließend dokumentiert und präsentiert werden.

(b) CFD-Simulation

(c) 1d–Modell / 3d–CFD Kopplung

Weiterführende Informationen:

[1] http://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-4702/7791_read-12145/.
[2] E. R. WEIBEL, Morphometry of the human lung, Academic Press, New York, 1963

Anforderungen:

Der Bewerber sollte in erster Linie Interesse an interdisziplinären Problemstellungen und dem Bereich der Biofluiddynamik mitbringen. Darüber hinaus sind Vorkenntnisse in den Bereichen der Strömungslehre und numerischer Methoden vorteilhaft. Erfahrungen mit einer Programmiersprache und Linux als Entwicklungsumgebung sind ebenfalls vorteilhaft aber nicht notwendig.

Ansprechpartner:

Daniel Feldmann
Telefon : +49 / 551 / 709–2282
eMail : daniel.feldmann@dlr.de
E-Mail: Link zum E-Mail Formular (Ansprechpartner auswählen und Titel nennen)

4. Einfluss des Aspektverhältnisses auf kohärente Strukturen bei thermischer Mischkonvektion in einer rechteckigen Kavität (Ankündigung)

Hintergrund:

Thermische Konvektion in einer geschlossenen Kavität, die von unten beheizt und von oben gekühlt wird, ist seit mehr als einem Jahrhundert Gegenstand der Forschung. Insbesondere in Kombination mit erzwungener Konvektion stellt dieses System ein Modell für viele technisch und naturwissenschaftlich relevante Fragestellungen dar. Trotz der Vielzahl der Untersuchungen zu diesem Thema gibt es noch immer viele offene Fragen. Im Rahmen dieser Arbeit soll der Einfluss des Aspektverhältnisses auf die Strukturbildung bei turbulenter thermischer Konvektion untersucht werden. Ziel der Arbeit ist es, den Einfluss des Aspektverhältnisses auf die groß- und kleinskaligen Strömungsstrukturen und ihr dynamisches Verhalten mittels „Particle Image Velocimetry“ (PIV) und Temperaturmessungen zu charakterisieren.

Kohärente Strömungsstruktur in turbulenter Mischkonvektion, bestimmt durch POD-Analyse einer Serie momentaner Geschwindigkeitsfelder

Aufgabenstellung:

Ein vorhandener Versuchsaufbau zur thermischen Konvektion soll erweitert werden, um an diesem mit Hilfe von PIV und Temperaturmessungen Strömungsstrukturen und Wärmetransport zu untersuchen. Die gewonnenen Daten sollen anschließend mit Methoden der nichtlinearen Dynamik analysiert werden.

Voraussetzung:

• Gute Kenntnisse in Strömungsmechanik
• Experimentelles Geschick
• Programmierkenntnisse
• Erwünscht sind grundlegende Kenntnisse in optischer Messtechnik, nichtlinearer Dynamik und Signalverarbeitung/-analyse

Ansprechpartner:

Dr. rer. nat. Johannes Bosbach
Tel.: 0551 / 709-2455
E-Mail: Link zum E-Mail Formular (Ansprechpartner auswählen und Titel nennen)



DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
Bunsenstraße 10
D-37073 Göttingen