Bachelor-/Masterarbeit - Modellierung und experimentelle Bewertung von Wasserstoff-Strahlflammen

Entwicklung und experimentelle Bewertung eines Python-basierten Simulationstools für die Strahlung von Wasserstoff-Strahlflammen.

Der Studierende entwickelt ein Python-Tool auf Basis etablierter Korrelationen zur Flammengeometrie und vereinfachter Strahlungsmodelle. Das Tool berechnet den Wärmestrom an definierten Positionen um eine Wasserstoffflamme herum und vergleicht die Vorhersagen mit experimentellen Messungen am Laborprüfstand. Die Arbeit bewertet die Modellgenauigkeit, die Sensitivität gegenüber Eingabeparametern sowie die Anwendbarkeit im laborüblichen Betriebsbereich. Die erste Anwendung konzentriert sich auf eine kleine Anzahl von Betriebsbedingungen (z. B. reiner Wasserstoff, vertikale Ausrichtung, laminare Strömung usw.). Die gewählte Variante soll einen reproduzierbaren Simulationsworkflow, eine experimentelle Bewertung und dokumentierte Anwendungsgrenzen liefern. Die Vorhersagen werden mit Messdaten abgeglichen und mit etablierten Werkzeugen wie HyRAM+ oder ProNuSs verglichen.

Anpassung und experimentelle Bewertung von Open-Source-CFD-Modellen für Wasserstoff-Strahlflammen

Der Studierende passt einen bestehenden Open-Source-CFD-Ansatz auf ausgewählte Flammen an. Ausgehend von einem laminaren Referenzfall, wie dem in der Publikation „Accelerated numerical simulations of hydrogen flames“ von Haider et al. vorgestellten Strahlflammenfall, werden geeignete Näherungen für turbulente Flammen untersucht und ein effizientes Modell auf eine begrenzte Anzahl von Betriebsbedingungen angewendet. Die Vorhersage des Strahlungswärmestroms erfordert ein geeignetes Strahlungsmodell sowie dessen Bewertung. Die vorhergesagten Größen (Flammengeometrie, Wärmestrom und Temperaturmessungen) werden mit experimentellen Daten verglichen.

Umfang

• Laminarer Strömungsbereich: Übersicht über die maßgeblichen physikalischen Prozesse, einschließlich Verbrennung, Wasserstoffdiffusion und Strahlung. Untersuchung eines veröffentlichten laminaren Referenzfalls; numerische Reproduktion im CFD-Teil.
• Turbulenter Bereich und Näherungen: Prüfung der experimentellen Betriebsbedingungen und Identifikation geeigneter Modellannahmen. Bewertung der Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Korrelationen bzw. CFD-Modelle.
• Implementierung oder Anpassung des gewählten Ansatzes mit Python und geeigneten Open-Source-Bibliotheken oder CFD-Simulationen.
• Berechnung ausgewählter Fälle, Vergleich geeigneter vorhergesagter Größen mit Messdaten sowie Untersuchung von Sensitivität und Grenzen.
• Bereitstellung ausführbarer Berechnungen, dokumentierter Ein- und Ausgabedaten, Verarbeitungsskripte, Beispielfälle und Empfehlungen für die Weiterentwicklung.

• • Laminarer Strömungsbereich: Übersicht über die maßgeblichen physikalischen Prozesse, einschließlich Verbrennung, Wasserstoffdiffusion und Strahlung. Untersuchung eines veröffentlichten laminaren Referenzfalls; numerische Reproduktion im CFD-Teil.
  • Turbulenter Bereich und Näherungen: Prüfung der experimentellen Betriebsbedingungen und Identifikation geeigneter Modellannahmen. Bewertung der Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Korrelationen bzw. CFD-Modelle.
  • Implementierung oder Anpassung des gewählten Ansatzes mit Python und geeigneten Open-Source-Bibliotheken oder CFD-Simulationen.
  • Berechnung ausgewählter Fälle, Vergleich geeigneter vorhergesagter Größen mit Messdaten sowie Untersuchung von Sensitivität und Grenzen.
  • Bereitstellung ausführbarer Berechnungen, dokumentierter Ein- und Ausgabedaten, Verarbeitungsskripte, Beispielfälle und Empfehlungen für die Weiterentwicklung.

• Laufendes Bachelor- bzw. Masterstudium im Bereich Maschinenbau, insbesondere mit Schwerpunkt Thermodynamik und Strömungsmechanik, Verfahrenstechnik, Energietechnik, Brandschutztechnik, Simulation und Versuchswesen oder in einem verwandten Fachgebiet.

• Praktische Erfahrung mit thermisch-strömungsmechanischer CFD, im Idealfall nachgewiesen durch ein abgeschlossenes Simulationsprojekt; Erfahrung mit FDS oder FireFOAM ist von Vorteil.
• Fähigkeit zur Erstellung und Bewertung geeigneter Rechengitter für dreidimensionale CFD-Modelle.
• Erfahrung in der Verifizierung von Simulationen und der Durchführung von Netzkonvergenzstudien.
• Kompetenz in der wissenschaftlichen Datenanalyse mit Python, MATLAB oder einer vergleichbaren Skriptsprache.
• Fundierte Kenntnisse in Strömungsmechanik, Thermodynamik und Wärmeübertragung, einschließlich der Navier-Stokes-Gleichungen, Grenzschichten und Turbulenz.
• Grundkenntnisse in Verbrennung oder reaktiven Strömungen sind wünschenswert.
• Fähigkeit zum eigenständigen Arbeiten mit wissenschaftlicher Software, Fachliteratur und experimentellen Daten.

• Beginn: ab sofort
• Dauer: 6 Monate
• Betreuung: Dr. Sebastian Funk, HySON-Institut
• Ort: HySON-Institut, Dammstraße 1, Sonneberg
• Sonstiges: Möglichkeit zur wissenschaftlichen Veröffentlichung der Ergebnisse

Für fachliche Fragen steht Ihnen Dr. Funk (s.funk@hyson.de) zur Verfügung, und Ihre Bewerbung senden Sie bitte an karriere@hyson.de.