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Semester-, Bachelor- und Masterarbeiten

Offene Arbeiten

Folgende Arbeiten sind zur Zeit zu vergeben. Interessenten kontaktieren bitte den jeweiligen Betreuer. Sollte keines der ausgeschriebenen Themen zusagen, kann eventuell auch nach direkter Absprache mit einem wissenschaftlichen Mitarbeiter ein Thema gefunden werden.

Simulation des Abbrands typischer Rußpartikel mit der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode (B/M)

Problemstellung:

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 716 an der Universität Stuttgart werden Methoden zur Simulation offen poröser Feststoffe entwickelt. Dabei wird die Veränderung einer porösen Morphologie am Beispiel des Abbrands von Kohlenstoffpartikel untersucht. Eine Reaktionskinetik ist aus Experimenten verfügbar. Die Veränderung des Feststoffs aufgrund einer chemischen Reaktion und die dabei entstehenden Morphologien sollen anhand von ausgewählten, typischen Rußpartikeln untersucht werden. Als Simulationsmethode soll die Lagrange, gitterfreie Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode zum Einsatz kommen.

Ziel:

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Modells zum Abbrand einer festen Rußschicht mit der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode. Das entwickelte Modell soll an typischen Rußpartikeln getestet werden.

Inhalt:

- Einarbeitung in die Simulationsmethode und die am Institut verfügbare Simulationssoftware SiPER
- Einarbeitung in die Reaktionskinetik von Ruß
- Implementieren der chemischen Reaktion
- Validierung des Phasenübergangs Fluid-Solid durch Reaktion
- Anwendung auf typische Rußpartikel und Untersuchung der Morphologien bei unterschiedlichen Prozessbedingungen

Erforderliche Qualifikation:

Spaß an Simulationen, Grundlegende Programmierkenntnisse sind von Vorteil.

Betreuer: M. Hopp

Multiskalenmodellierung von Entmischungsprozessen (M)

Problemstellung:

Bei der Herstellung poröser Polymermembranen im sogenannten Phaseninversionsprozess entsteht die Morphologie während des Entmischungsprozesses einer mehrkomponentigen Polymerlösung. Bei der Simulation der entstehenden Porenstruktur der Membran ist der Entmischungsprozess deshalb von besonderer Bedeutung. Auf der Mikroskala existiert ein Modell zur Simulation der Entmischungsprozesse sowie den entstehenden Porenstrukturen, mit dem, aufgrund des hohen Berechnungsaufwands, allerdings nur ein kleiner Ausschnitt einer Membran betrachtet werden kann. Aktuelle Modelle auf der Makroskala hingegen können die Porenstruktur bisher noch nicht vorhersagen. Eine rigorose Verknüpfung von Mikro- und Makroskala ist daher wünschenswert.

Ziel:

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Multiskalenansatzes zur Simulation der Porenstruktur auf der Makroskala.

Inhalt:

Diese Arbeit beinhaltet folgende Arbeitspakete:
- Einarbeitung in die Physik und Modellierung von Entmischungsprozessen
- Formulierung eines Multiskalenmodells für Entmischungsprozesse
- Implementierung und Validierung des Multiskalenmodells

Erforderliche Qualifikation:

Sehr gute thermodynamische Kenntnisse und Spaß an mathematisch-numerischen Problemstellungen.

Betreuer: M. Hopp

Untersuchung voll-impliziter Integrationsmethoden in SPH (S/B/M)

Problemstellung:

Die Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode ist mittlerweile eine der prominentesten, Lagrange’schen, gitterfreien Diskretisierungsmethoden von partiellen Differentialgleichungen. Am ICVT wird diese Methode seit fast 10 Jahren zur Simulation von Mehrphasenströmungen und Strukturbildungsprozessen im mesoskaligen Bereich verwendet und weiterentwickelt. Während in gitterbasierten Diskretisierungsmethoden (wie z.B. Finite-Volumen) implizite Integrationsmethoden ausgereift sind, besteht bei der SPH Methode Entwicklungsbedarf, um zukünftig reale, viskose Fluide zu behandeln.

Ziel:

Ziel der Arbeit ist die Untersuchung verschiedener Ansätze zur voll-impliziten Zeitintegration (d.h. Geschwindigkeit und Ort) in der SPH Methode.

Inhalt:

Diese Arbeit beinhaltet folgende Arbeitspakete:
- Einarbeitung in die SPH Methode
- Analyse bisheriger Ansätze zur impliziten Zeitintegration in SPH
- Entwicklung neuer Ansätze zur voll-impliziten Zeitintegration
- Implementierung und Validierung der neuen Ansätze
 

Die Tiefe der Arbeitspakete richtet sich nach der Art der Arbeit (S/B/M). Die Implementierung erfolgt in den institutseigenen SPH-Code „SiPER“.

Erforderliche Qualifikation:

Programmierkenntnisse in C und Spaß an mathematisch-numerischen Problemstellungen.

Betreuer: M. Hopp

Entwicklung neuartiger Polymermembranen mithilfe der Nanopartikeltechnik (M)

Problemstellung:

Bipolarmembranen sind Ionenaustausch-Membranen, die aus kationischen, anionischen und katalytischen Schichten bestehen und zur Erzeugung von H+ und OH- Ionen aus Wasser in einem elektrischen Prozess benutzt werden. Sie werden in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie für die Säure- und Laugeproduktion aus Salzlösungen, für die Gewinnung organischer Säuren und die pH-Einstellungen eingesetzt. Ein wesentliches Problem für den Einsatz dieser Membranen ist ihre begrenzte Stabilität und unzureichende Energieeffizienz. Weiterhin sind die Preise, auch aufgrund einer geringen Anbieterzahl, unakzeptabel hoch. Es besteht daher ein großer Entwicklungsbedarf für Bipolarmembranen mit verbesserten Eigenschaften (Stabilität, Energieeffizienz) und geringeren Herstellkosten.

Ziel:

Entwicklung von Bipolarmembranen mit neuer Katalysatorschicht.

Inhalt:

Vorwiegend eine experimentelle Arbeit, die die am Institut für Chemische Verfahrenstechnik (ICVT) vorhandenen Kompetenzen in der Erzeugung anorganischer Nanopartikeln mit der Membranherstellung vereinigen und durch neue Beschichtungsmethoden ergänzen würde um eine neuartige Bipolarmembran zu entwickeln. Die Aufgabenstellung vereint also mit der Nanopartikel- und der Membrantechnik zwei Zukunftstechnologien. Zunächst wird die Erzeugung geeigneter Katalysatorpartikeln mit den vorhandenen Gasphasensynthese-Verfahren Ziel sein. Parallel dazu wird die Membranherstellung durchgeführt. Durch den Aufbau eines noch nicht vorhandenen Beschichtungssystems werden schließlich die hergestellten Membranen mit Partikeln beschichtet und laminiert. Schließlich werden die fertigen Membranen in Testmodule eingebaut und auf ihre Funktion hin getestet. Eine Optimierung wird dann über die Variation der Partikelgröße und –art, die Beschichtungsdicke und die Membraneigenschaften geschehen.

Erforderliche Qualifikation:

Immatrikulation im Studiengang Chemie oder Chemische Verfahrenstechnik. Kenntnisse im Bereich der Polymerchemie und Nanopartikeln sind von Vorteil.

Betreuer: A. Grabowski

Kinetische Modellierung der Gelbildung bei der Lösungspolymerisation (M)

Verschiedene Polymerisationssyteme wie beispielsweise die radikalische Polymerisation von N-Vinylpyrrolidon in wässriger Lösung neigen zur Bildung einer unlöslichen Gelphase, die die Produktion in unterschiedlichen Reaktorsystemen stark beeinträchtigt. Der mechanistische Hintergrund liegt vermutlich in der Bildung von Langkettenverzweigungen, die durch verschiedene Nebenreaktionen entstehen können. Im Rahmen dieser Arbeit soll der Einfluss verschiedener Reaktionschritte und Prozessparameter auf die Gelbildung untersucht werden. Hierfür soll ein bestehendes Modell im Softwarepaket Predici verwendet und erweitert werden und die Polymerisation in verschiedenen Reaktorsystemen simuliert werden. Je nach Fortschritt der Arbeit kann zusätzlich eine Stabilitätsanalyse mit Hilfe der Momentenmethode mit einem geeigneten Softwaretool durchgeführt werden.

Kenntnisse in der Modellierung von Polyreaktionen und im Umgang mit Predici sind von Vorteil.

Betreuer: C. Zander

Erweiterung und Validierung eines Solvers für die Smoothed Particle Hydrodynamics Methode (B/M)

Am ICVT wird der institutseigene Simulationscode „Siper“, der auf der gitterfreien „Smoothed Particle Hydrodynamics“-Methode (SPH) basiert, entwickelt. Der Code wird zur Berechnung von Mehrphasenströmungen in porösen Medien und für die Simulation von Strukturbildungsprozessen poröser Materialien, wie z.B. die Erzeugung von Membranen, verwendet.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll ein neuer volumenerhaltender Solver in SiPER implementiert und anhand geeigneter Simulationen (z.B. Taylor-Green Wirbel) validiert werden.

Gute Kenntnisse in der Programmiersprache C sind erforderlich.

Betreuer: P. Kunz

Aufbau und Inbetriebnahme einer Versuchsanlage zur thermodfluiddynamischen Charakterisierung von drahtgewebebasierten Mikrowärmeübertragern (B)

Drahtgewebebasierte Mikrowärmeübertrager bieten ein neues vielversprechendes Konzept für eine effizientere Wärmenutzung. Es handelt sich hierbei um offenmaschige oder blickdichte Strukturen, aus Hohldrähten mit einem Innendurchmesser < 1mm welche mit Drähten zu einer Gewebestruktur verwoben werden. Um den Einfluss des, durch auftretende Wirbelbildung, intensiven Kontakts zwischen Srömungsmedium und Geometrie auf den Wärme- und Stoffübergangs zu charakterisieren soll eine geeignete Versuchsanlage am ICVT aufgebaut werden. Im Rahmen dieser Abschlussarbeit soll ein vorhandenes Anlagenkonzept erweitert und realisiert werden, eine geeignete Rechnersteuerung erstellt werden und erste Versuche zur Validierung durchgeführt werden.

Betreuer: C. Walter

Umsetzung eines neuartigen keramischen Flachbettreaktors für die in-situ-Alterung und Vermessung von Autoabgaskatalysatoren (B)

Die Alterung von Katalysatoren führt zu einem irreversiblen Aktivitätsverlust und findet über einen längeren Zeitraum statt. Um die Vermessung von Effekten der thermischen Alterung eines monolithischen Abgaskatalysators zu verbessern, soll ein Versuchsreaktor aufgebaut werden bei dem eine gekoppelte in-situ-Alterung und Vermessung der Katalysatorproben möglich ist. Das Ziel dieser Abschlussarbeit ist es vollautomatische Alterungsmessungen mit Temperaturen über 800 °C durchzuführen, ohne dabei Eigenschaften wie Isothermie oder Form zu verlieren. Hierzu soll eine bestehende Versuchsanlage umgebaut werden, um ein neuartiges, direktbeheiztes Keramikreaktorkonzept verwenden zu können.

Betreuer: C. Walter

Entwicklung neuartigen Membranverfahren (M)

In der Masterarbeit soll eine Machbarkeitsstudie als erste Phase der Entwicklung einer neuartiger Membrantechnologie durchgeführt werden. Im Labormaßstab soll ein neues Verfahrenskonzept realisiert, getestet und mit Stand-dard-Technik verglichen werden. Eine experimentelle Arbeit, die Tüftlergeist verlangt.

Die Teilnahme am Modul “Membrantechnik“ oder „Elektromembranverfahren“, sowie Kenntnisse im Bereich der Elektrochemie, Adsorbentien oder Polymerchemie sind von Vorteil.

Betreuer: A. Grabowski

Strömungsoptimierung in einem Membranmodul (B/M)

Ziel der Arbeit ist es die Materialien und die Konstruktion von einem Membranmodul zu verbessern. Die Auswahl geeigneter Materialien (Membran, Spacer, Dichtungsmaterial, etc.) und Fertigungsverfahren muss für eine vorhandene vorläufige Modulkonstruktion getroffen werden. Aus der Strömungsimulation in einem Membranmodul müssen Vorschläge für die Konstruktionsverbesserungen folgen. Die verbesserte Modulkonstruktion muss in einem Prototyp verwirklicht und getestet werden.

Aufgaben:

  • Literaturrecherche
  • Auswahl passenden Materialien
  • Auswahl Modulfertigungsverfahren
  • Strömungsimulation in einem Membranmodul und daraus folgende Konstruktionsverbesserungen
  • Mit der ausgearbeiteten Konstruktion soll einen Prototyp gebaut und getestet werden

Erforderliche Qualifikationen:

  • Kenntnisse im Bereich der mathematischen Modellierung mit ANSYS, sowie CAD sind von Vorteil

Betreuer: Prof. C. Merten

Development of a CFD simulation model to predict the distribution of simultaneous particulate and gaseous emissions in the indoor environment (M)

Problem:

There are many sources of particulate and gaseous emissions produced by burning fuel for power or heat, through chemical reactions, and from leaks from industrial processes or equipment. There is always a possibility of a potential hazard when these emissions enter into the indoor environment with the air flow.

Objectives:

The main objective of this research is to develop a CFD simulation model to determine the three dimensional spatial and temporal distribution of the simultaneous particulate and gaseous emissions with the air flow in a room.

Research tasks:

  • Literature review
  • Investigation of the different particle tracking models present in CFX and FLUENT (Comparison of simulation results of CFX and FLUENT to simulate the particles transport in indoor environment)
  • Integration of the particulate emissions with the already developed simulation model of the determination of gaseous emissions

Eligibility:

  • Basic working knowledge of CFD (Preferably) or FEM

Tutor: U. Afzal

Oxid-Quantifizierung auf Platin-Partikeln unter typischen Autoabgasbedingungen mit Hilfe der Atomsondentomographie (M)
Auf Dieseloxidationskatalysatoren (DOCs) wird häufig Platin (Pt) als aktive Komponente einge-setzt, da es eine sehr hohe katalytische Aktivität besitzt. Hierdurch können Kohlenmonoxid (CO) ebenso wie Kohlenwasserstoffe (CxHy) aus dem Abgasstrom effektiv oxidiert und somit in weniger schädliche Produkte wie Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2) überführt werden. Da Dieselmotoren jedoch in den meisten Fällen mager – also unter Luftüberschuss – betrieben werden, kann anfallendes Stickstoffmonoxid (NO) im Regelfall nicht durch CO zu Stickstoff (N2) und CO2 umgesetzt werden, wie es beispielsweise im 3-Wege-Katalysator praktiziert wird. Stattdessen wird NO aufgrund des hohen Sauerstoffgehalts zu NO2 oxidiert. Die NO-Oxidation ist dabei zum einen bei Temperaturen ab 350°C durch das thermodynamische Gleichgewicht limitiert. Zum anderen wurde in mehreren vorangegangenen Arbeiten die Tendenz des Platins festgestellt, in magerer Atmosphäre Oxide zu bilden. Diese besitzen eine geringere Aktivität als das reduzierte Metall. Die Pt-Oxidation kann unter mageren Bedingungen auch reversibel verlau-fen, da NO selbst die Tendenz zeigt, Platinoxid bei niedrigen Temperaturen zu reduzieren. Auf-grund dieser Phänomene stellt sich im Verlauf der charakteristischen Lightoff-/Lightout-Kurven (Zünd-/Lösch-Kurven) eine Hysterese ein. Im Rahmen dieser Arbeit soll in diesem Kontext die Analyse des Edelmetalls mit Hilfe der Atomsondentomographie erfolgen. Dabei handelt es sich um ein Analyseverfahren der Materi-alwissenschaften. Mittels Feldverdampfung von einer scharfen Spitze ist es möglich das ver-dampfte Volumen dreidimensional mit atomarer Auflösung als Computermodell zu rekonstruie-ren. Zwar findet die Analyse ebenfalls unter UHV-Bedingungen statt. Die Temperatur liegt dabei jedoch zwischen 20 und 100K. Dies bedeutet, dass der Zustand des Metalls eingefroren wird und sich demnach nicht verändert. Andererseits kann das Edelmetall in einer separaten Kammer mit realen Abgasbedingungen unter Atmosphärendruck vorbehandelt werden. In einer vorangegangenen Masterarbeit wurden bereits geeignete Präparationsmethoden entwi-ckelt sowie die passenden Prozessparameter für die Analyse bestimmt. In der vorliegenden Ar-beit sollen detaillierte Einblicke in das Oxidationsverhalten von Pt-Partikeln gewonnen werden. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf Phänomene, die auf Abgaskatalysatoren beobachtet wurden ist gegebenenfalls zu prüfen. Die Arbeit findet größtenteils am Institut für Materialwissenschaft statt (Lehrstuhl für Material-physik, Heisenbergstraße 3, 70569 Stuttgart). Sie wird vor Ort von Herrn Prof. Schmitz und Herrn Dr. Stender und seitens des ICVT von Frau Dr. Tuttlies betreut. In regelmäßigen Ab-ständen findet ein Austausch mit dem ICVT statt. Beginn der Arbeit ist ab dem 01.06.2016 möglich. Ihre Bewerbung richten Sie bitte an Frau Tuttlies.

Betreuer: U. Tuttlies

Simulation der umgekehrten Elektrodialyse mit Bipolarmembranen (M)
Elektrodialyse mit Bipolarmembranen wurde am ICVT in einer neuen Verfahrensvariante für Energiespeicherung erfolgreich getestet und erscheint vielversprechend als neue Technologie für Akkumulatoren, die mit erneubaren Energiequellen gekoppelt sein können. Um die Prinzipien des Verfahrens besser verstehen und beschreiben zu können, bzw. Verbesserungspotentiale aufzuzeigen sollen im Rahmen einer Abschlussarbeit folgende Arbeitspakete erarbeitet werden:
  • Phänomene bei umgekehrter Elektrodialyse mit Bipolarmembranen beschreiben,
  • Ein mathematisches Modell für Verfahrensbeschreibung erstellen,
  • Kennwerte für das Modell aus anderen Arbeiten, bzw. eigenen Messungen am ICVT bestimmen,
  • Durch Parametervariationen die Potentiale für Leistungsverbesserung aufzeigen.

Betreuer: A. Grabowski

Comparison of numerical simulation results of two commercial CFD tools for an application of tracer gas distribution inside a room (M)

Objectives:

  • Comparison of the capabilities and the numerical simulation results of two commercial CFD tools for this application.
  • Validation of the simulation models (CFX and FLUENT) against the available measured data.

Work flow:
The geometry of the model will be constructed using ANSYS DesignModeler or Pro/Engineer and the mesh will be generated with ANSYS Meshing. The geometry and mesh will be imported to ANSYS CFX and ANSYS FLUENT. The boundary conditions, physical properties and other important simulation parameters will be set for this tracer gas model in both the tools separately for solving the equations of continuity, momentum, energy, turbulence model and specie transport model numerically. The numerical solution data obtained from both the tools will be exported to ANSYS CFD-Post for post-processing and better comparison of the simulation results. The simulation models (CFX and FLUENT) will also be validated against the available measured data.

Eligibility:

  • Basic working knowledge of CFD (Preferably) or FEM

Betreuer: U. Afzal

Numerical simulation of tracer gas distribution inside a room using an open source CFD tool (OpenFOAM) (M)

Objectives:

  • Validation of the OpenFOAM simulation model (tracer gas) against the available measured data.
  • Comparison of the capabilities and the numerical simulation results of OpenFOAM with those of the two commercial CFD tools for this application.

Work flow:
The geometry of the model will be constructed using ANSYS DesignModeler or Pro/Engineer and the mesh will be generated with ANSYS Meshing. The geometry and mesh will be imported into OpenFOAM. The boundary conditions, physical properties and other important simulation parameters will be set for this tracer gas model in OpenFOAM for solving the equations of continuity, momentum, energy, turbulence model and specie transport model using Finite Volume Method. The numerical solution data obtained from OpenFOAM will be exported to ANSYS CFD-Post for post-processing. The simulation results from OpenFOAM will be validated against the available measured data and compared with the (available) simulation results of CFX and FLUENT.

Eligibility:

  • Basic working knowledge of CFD (Preferably) or FEM
  • Brief knowledge of C++ and Linux would be beneficial (but not necessary)

Tutor: U. Afzal

Charakterisierung von MOCVD-Precursoren für die Herstellung von Siliziumdioxid-Nanopartikeln (S/B)

Für die Herstellung von SiO2-Nanopartikeln in der metall-organischen chemischen Gasphasenabscheidung wird häufig Tetraethylorthosilikat (TEOS) als Precursor genutzt. Im Rahmen der Arbeit sollen zwei neuartige Precursor, Octamethylcyclotetrasiloxan (OMCTS) sowie Hexamethyldisiloxan (HMDS) im Hinblick auf die Partikelgenerierung charakterisiert werden, um diese anschließend mit vorhandenen Daten über die Eigenschaften von TEOS zu vergleichen. Die thermische Zersetzung der Precursor soll mittels Fourier-Transform-Infrarotspektrometrie (FT-IR) untersucht werden, um eine optimale Betriebstemperatur für den CVS/CVD-Prozess zu ermitteln. Zudem soll der Einfluss verschiedener Reaktivgase untersucht werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit können SiO2-Partikeln mithilfe der neuen Precursor hergestellt und optisch untersucht werden. Hier sind vor allem Größe, Form und Oberflächenrauheit der hergestellten Partikeln mit den durch TEOS hergestellten Partikeln zu vergleichen.


Abbildung 1: Strukturformel von OMCTS

Die Arbeit ist im experimentellen Bereich angesiedelt.

Betreuer: J. Ehrhardt

 

S=Semesterarbeit, B=Bachelorarbeit, M=Masterarbeit

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