Experimentelle Strömungsmechanik (2)
Bubbles
Dynamics of electrogenerated gas bubbles
The evolution of electrogenerated gas bubbles, such as those formed during water electrolysis, can significantly hamper the process efficiency. These bubbles act as near-perfect electrical insulators, increasing ohmic resistance, while also blocking the electrode surface. Their growth and detachment are complex, multifaceted processes closely interconnected with gradients of chemical species and temperature that drive Marangoni convection, electrostatic interactions, electrolyte composition, surface wettability, and bubble-bubble coalescence. Coalescence, in particular, can promote premature detachment, trigger motion reversals, and even spray electrolyte microdroplets into the gas phase. A better understanding and control of bubble dynamics is crucial to optimize cell design and operating parameters.
In our projects, we therefore focus on bubble evolution, from nucleation and growth to coalescence and detachment. By combining high-speed optical methods, such as shadowgraphy and Particle Tracking Velocimetry, with electrochemical measurements, we connect the rich fluid mechanics of bubbles and their behavior at electrodes to electrochemical performance across various cell configurations, including operation at elevated pressure.
Current projects:
N2 bubbles in direct ammonia fuel cell (DAFCs). This project aims to improve understanding of N2 bubbles formation and their transport in DAFC, with a particular focus on the interplay between bubble dynamics, flow-field design, and electrochemical performance.
Bubble-induced overpotentials. We aim to better understand how electrogenerated gas bubbles alter ohmic and concentration overpotentials by implementing preferential nucleation sites on electrodes electrically isolated from each other and operated in parallel and independently.
Marangoni-driven bubble dynamics. In this project we aim to understand how the temperature and concentration driven Marangoni effects, altering the surface tension around gas bubbles and imposing interfacial stresses, govern the dynamics of gas bubbles and how it depends on the reaction type and electrolyte composition.
Bubble dynamics at elevated pressure. Operating at elevated pressure not only reduces downstream compression costs but is also expected to improve the reaction rates. This project is therefore dedicated to study how elevated pressure affects bubble behavior during hydrogen and oxygen evolution reactions depending on current density and electrolyte composition, and how these changes correlate with electrochemical performance.
Coalescence-induced bubble propulsion. This project addresses a pending question on how coalescence of pair parent bubbles drives the propulsion of merged bubble beyond theoretical center of mass. This phenomenon may have a negative impact on the cell performance as it increases the likelihood of the departed bubble returning to the electrode.
Coalescence-driven detachment. We quantify how premature, coalescence-induced detachment of oxygen bubbles impacts cell performance and reaction rates.
In addition, we cooperate on a range of projects with our colleagues from various research institutes: RWTH Aachen, University of Twente, TU Dresden, Leiden University, Durham University, Sungkyunkwan University as well as Forschungszentrum Jülich.
Buffet
Forschungsgruppe FOR 2895 „Erforschung instationärer Phänomene und Wechselwirkungen beim High Speed Stall“
Ziel der DFG-geförderten Forschungsgruppe FOR 2895 ist die Erforschung instationärer Phänomene und Wechselwirkungen, die an Verkehrsflugzeugen nahe der Flugbereichsgrenzen bei hohen Flugmachzahlen auftreten. Bei der schallnahen Umströmung moderner Flügelkonfigurationen treten insbesondere auf der Saugseite lokale Überschallgebiete auf, welche durch einen Verdichtungsstoß abgeschlossen werden. Mit zunehmendem Anstellwinkel und Machzahl kann dies eine massive Ablösung der Grenzschicht auf dem Tragflügel induzieren, was unter bestimmten Lastzuständen zu einer periodischen, selbsterhaltenden Oszillation des Verdichtungsstoßes führen kann. Dieser rein aerodynamische Vorgang, auch transsonisches Buffet genannt, kann potenziell Eigenfrequenzen der Tragflügelstruktur zu schädlichen Schwingungen anregen und somit eine Fluid-Strukturkopplung hervorrufen, was dann als Buffeting bezeichnet wird. Da dieses Phänomen zu einer reduzierten Lebensdauer und einer Limitierung des nutzbaren Flugbereiches führt, ist zur Erweiterung der Flugbereichsgrenzen bei hoher Flugsicherheit ein tiefgehendes Verständnis der physikalischen Mechanismen beim Buffet und Buffeting erforderlich. Zusätzlich zu den direkten Einflüssen auf die Tragflügelaerodynamik werden instationäre dynamische Effekte über den Tragflügelnachlauf auch auf die Anströmung des Höhenleitwerks aufgeprägt, was dort zu komplexen Strömungszuständen führt, die noch nicht vollständig untersucht und verstanden wurden. Das Gesamtziel dieses experimentellen Teilprojektes (TP6) ist daher die grundlagenorientierte Identifizierung und Erklärung der Zusammenhänge zwischen Phänomenen und Mechanismen des transsonischen Tragflügelbuffet und der Umströmung des Höhenleitwerks. Strömungsphysikalische Untersuchungen an 2D und 3D Tragflügelkonfigurationen werden mittels laseroptischer und weiterer nicht-intrusiver Messverfahren im Trisonik-Windkanal des AIA durchgeführt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend auf eine generische Tandemflügel-Konfiguration übertragen, um darüber hinaus den dynamischen Einfluss des stark turbulenten Nachlaufs zu erfassen.
Link zur FOR-Website: https://www.for2895.uni-stuttgart.de/
Bild_FOR
Fotos_Buffet
Fotos_Flügel
Fotos_Trisonic
GIFs_Buffet
Engine
Das Fuel Science Center ist ein Exzellenzcluster, in dem neuartige, nachhaltige Kraftstoffkonzepte entwickelt und ganzheitlich untersucht werden. Im Mittelpunkt stehen alternative Kraftstoffe, sogenannte „Bio-Hybrid-Fuels“, die aus erneuerbaren Kohlenstoffquellen gewonnen und unter Einsatz erneuerbarer Energiequellen bereitgestellt werden. Diese Kraftstoffe werden nicht als universelle Lösung verstanden, sondern spezifisch für verschiedene Anwendungszwecke maßgeschneidert, etwa für Pkw, Nutzfahrzeuge oder Off-Highway-Anwendungen. So sollen Effizienzpotenziale optimal genutzt und gleichzeitig Emissionen deutlich reduziert werden.
Eine Besonderheit des Clusters ist der umfassende Blick auf den gesamten Lebenszyklus der Kraftstoffe. Betrachtet werden alle Schritte von der Produktion über die Nutzung z.B. im Motor und die Abgasnachbehandlung bis hin zu ökologischen, ökonomischen und sozialwissenschaftlichen Fragestellungen. Damit werden nicht nur technische Kriterien bewertet, sondern auch gesellschaftliche Akzeptanz, Regulierung und Marktpotenziale.
Ein Teilprojekt am AIA untersucht in diesem Zusammenhang den Einfluss einer neuartigen Motorgeometrie auf die Strömung im Verbrennungsmotor. Die Strömungsverhältnisse im Brennraum sind von zentraler Bedeutung, da sie die Gemischbildung, den Verbrennungsablauf sowie die Schadstoffentstehung maßgeblich bestimmen. Durch ein besseres Verständnis dieser inneren Strömung lassen sich Effizienz und Emissionsverhalten moderner Motoren weiter verbessern und gezielt an die Eigenschaften der entwickelten Bio-Hybrid-Fuels anpassen.
Direct Ammonia Fuel Cells
Direkte Ammoniak-Brennstoffzellen (DAFCs) sind eine vielversprechende Technologie für die CO₂-freie Energieumwandlung, da sie eine hohe Energiedichte mit einfacher Brennstoffspeicherung verbinden. Ihre Leistungsfähigkeit wird jedoch maßgeblich durch Zweiphasenströmungen beeinflusst, die durch die Bildung von Gasblasen in der Zelle entstehen. Ein Verständnis dieser Prozesse ist entscheidend für die Weiterentwicklung von DAFCs.
Dieses Projekt untersucht die Entstehung und Entwicklung von Gas-Flüssig-Strömungsstrukturen in DAFCs sowie den Einfluss von Elektrolytparametern und Betriebsbedingungen auf die Blasenbildung und -verteilung. Ein Schwerpunkt liegt auf dem Zusammenhang zwischen Blasendynamik, Stofftransport und elektrochemischer Elektrodenleistung. Dabei werden auch der Einfluss der Strömungsfeldgeometrie, der Diffusionsschicht und der Elektrodenmikrostruktur analysiert.
Durch die Kombination experimenteller Strömungsdiagnostik mit elektrochemischen Messungen werden Blasenpopulationen direkt mit Transportmechanismen und Leistungskennzahlen verknüpft. Ziel ist es, grundlegende Erkenntnisse in verbesserte Zellkonzepte zu überführen. Das Projekt liefert die Basis für Modellierung und die gezielte Optimierung von Strömungskanälen, Diffusionsschichten und Katalysatorstrukturen.
Turbulence
Turbulenz ist ein weit verbreitetes Phänomen, dessen Erforschung eine interdisziplinäre Herausforderung darstellt. Turbulente Strömungen spielen in vielen natürlichen und technischen Prozessen eine Rolle, beispielsweise in der Meteorologie, Ozeanographie, Astronomie, Luftfahrt, Verbrennungstechnik usw. Turbulenz beeinflusst somit, wie wir fliegen, bauen, das Wetter vorhersagen, die Umwelt schützen und Energie nutzen. Dennoch ist Turbulenz noch nicht vollständig verstanden, was die detaillierte Analyse von Turbulenz sowohl wichtig als auch faszinierend macht. Bei der experimentellen Analyse von Turbulenz steht im Fokus, die chaotische Bewegung exakt zu messen und daraus aussagekräftige Statistiken zu gewinnen.
Am Aerodynamischen Institut werden grundlegende experimentelle Untersuchungen zu turbulenten Strömungen für Anwendungen wie turbulente Kanalströmungen (TCF) und turbulente Grenzschichten (TLB) sowie für Überschallanwendungen wie Überschallfilmkühlung und Stoß-/Grenzschichtwechselwirkungen durchgeführt. Diese Untersuchungen decken einen breiten Bereich von Reynolds-Zahlen und Mach-Zahlen ab. In diesem Zusammenhang entwickelt und nutzt das Aerodynamische Institut modernste Messtechniken wie planare und volumetrische Messverfahren wie Particle Image Velocimetry (PIV), statistische Analysen der gemessenen Strömungen und die Identifizierung kohärenter Strukturen, z. B. mittels noise-assisted empirical mode decomposition (NA-EMD).
