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Results: 123
Created on: Wed, 28 Sep 2022 23:10:09 +0200 in 0.0470 sec


Nasery, Rohullah;
Numerical studies of turbulent convective heat and momentum transport in molten salt tube coupled with concentrated solar power. - Ilmenau. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser Masterarbeit werden der turbulente konvektive Wärme-und Impulstransport in einer Rohrströmung mit Salzschmelze für solartechnische Anwendungen numerisch untersucht. Nur die Hälfte der Umfangsfläche des Absorberohrs wird durch Vorgabe einer vom Polarwinkel φ im Bereich – π/2 < φ < π/2 abhängigen Wärmestromdichte [q](φ) = [q]0 cos(φ) an der Rohraußenseite beheizt, die Rückseite wird komplett adiabat gehalten. Die Simulationen werden in hydrodynamisch glatten und hydrodynamisch rauen Rohren durchgeführt. Das Ziel in hydrodynamisch glatten Rohren ist, den Einfluss des Wärmestroms [Q], der Reynolds-Zahl [Re], Biot-Zahl [Bi] und Planck-Zahl [Pl] auf die Temperaturdifferenz [Tout – Tin], den Druckverlustbeiwert [Zeta], den konvektiven Wärmeübergangskoeffizent [havg], die turbulente kinetische Energie [k], die turbulente kinetische Dissipationsrate [Epsilon] und auf externe Wärmeverluste über Konvektion und Strahlung numerisch zu untersuchen. Die Geschwindigkeits- und Temperaturprofile an drei Positionen: Einlass, Mitte und Auslass des Rohres werden dimensionslos aufgetragen und anhand der Kennzahlen formuliert. Das Ziel im hydrodynamisch rauen Rohr war es, den Einfluss der relativen Rauheit [Epsilon]/[D] oder der Rauheit Reynolds-Zahl [Rex] auf den Druckverlustbeiwert [Zeta], den konvektiven Wärmeübergangskoeffizient [havg], die Wärmeverluste [Qverluste], die Planck-Zahl [Pl] und den mittleren inneren Oberflächentemperatur [Ts,i] numerisch zu untersuchen. Das Wärmeträgermedium für die Experimente ist geschmolzenes Salz und wurde aufgrund seiner guten thermischen Eigenschaften ausgewählt. Die Experimente werden mit Reynolds-Zahlen im Bereich von [Re]1) = 9741, [Re](2) = 0,821[Re](1), [Re](3) = 0,726[Re](1), [Re](4) = 0,533[Re](1) durchgeführt. Die winkelabhängige konzentrierte Solarstrahlung variiert zwischen [Q]1 = 1000 Sonnen, [Q]2 = 0,8[Q]1, und [Q]3 = 0,6[Q]1. Die Simulationen werden mit dem CFD-Programm ANSYS-Fluent durchgeführt. Das geometrische Modell hat eine konstante Länge von 3,0 m und eine konstante Rohrwanddicke von 1,5 mm mit den Innendurchmessern [Din](1) = 0,023 m,[Din](2) = 0,8697[Din](1) und [Din](3) = 0,7393[Din](1). Die Rohre werden charakterisiert mit dem Wandwärmeleitparameter [Lambda] = ([lambda][wall]/[d])/([lambda][salt]/[Din]) im Bereich [Lambda]1 = 713,2, [Lambda]2 = 0,8695[Lambda]1, [Lambda]3 = 0,7393[Lambda]1 für [Din](1), [Din](2), [Din](3). Das Schubspannungstransport (SS-K-[omega]) Turbulenzmodell wurde zur Simulation der Wärmeübertragung bei turbulenter Strömung verwendet, und das Strahlungsmodell mit diskreten Koordinaten wurde verwendet, um die Strahlung zu modellieren. Am Ende werden die Ergebnisse bei gleichmäßiger und ungleichmäßig winkelabhängiger Wärmestromdichte gegenübergestellt und die Unterschiede und Ähnlichkeiten herausgearbeitet.



Djeufack Sonfa, Christian;
Numerische Untersuchungen zum Wärme- und Impulstransport in turbulenter Mischkonvektion in der SCALEX-Anlage. - Ilmenau. - 97 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Konvektion bezeichnet einen Mechanismus zum Transport von Wärmeenergie innerhalb eines Gases oder einer Flüssigkeit. Im Gegensatz zur Wärmeleitung beruht der Wärmetransport durch Konvektion auf dem makroskopischen Transport der molekularen Bestandteile des Fluids. Die Mischkonvektion tritt auf, wenn in einem System eine räumliche und zeitliche Überlagerung von natürlicher und erzwungener Konvektion vorliegt. Dieses Phänomen findet zum Beispiel bei der Klimatisierung der Passagierkabine eines Flugzeuges statt und sein Verständnis würde es ermöglichen, einen thermischen Komfort während des gesamten Fluges zu schaffen. In dieser Arbeit wurde eine numerische Simulation eines Modellexperiments, das eine Flugzeugkabine in stark verkleinertem Maßstab nachbildet, mithilfe des kommerziellen CFDCodes ANSYS/FLUENT durchgeführt. Experimentell befindet sich der Modellraum in der SCALEX-Anlage, in der Modellexperimente in verkleinertem Maßstab durch Aufprägen eines Überdrucks durchgeführt werden können. Ziel war hier die verschiedenen Strömungsstrukturen (Temperatur-und Geschwindigkeitsfelder) innerhalb dem Modellraum im Bereich der gemischten Konvektion zu identifizieren. Hierfür wurde durch Änderung der Temperaturdifferenz und des Arbeitsdrucks die dimensionslosen Kontrollparameter Rayleigh-Zahl und Reynolds-Zahl variiert. Der Zustand der Mischkonvektion wird durch die Archimedes-Zahl beschrieben, die physikalisch das Verhältnis der thermisch induzierten Auftriebskraft zur Trägheitskraft der druckgetriebenen Strömung darstellt. Die Archimedes-Zahl beträgt hier 0, 1 ≤ Ar ≤ 5. Als Arbeitsgas wurde trockene Luft bei einem Druck von 1 ≤ p ≤ 9 bar eingesetzt. Die Temperaturdifferenz liegt hier bei 5 ≤ ∆T ≤ 10 K. Somit konnte, ausgehend von einer Hypothese zur Strukturbildung, die auftretenden Strömungsstrukturen im Modellraum klassifiziert und Vorhersagen zur Strukturbildung im Bereich der gemischten Konvektion gemacht werden.



Kemter, Toni;
Analyse und Vergleich einer Benchmark-Klimaanlage mit dem betriebseigenen Produkt zur Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Nach der Durchführung und Auswertung der Benchmarkanalyse im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden in diesem Abschnitt noch einmal die aussagekräftigsten Ergebnisse vorgestellt. Die Hauptaufgabe war, die Gesamtleistung der Benchmark-Anlage sowie das allgemeine Design mit der Klimaanlage von MAHLE Industrial Thermal Systems zu vergleichen und die wichtigsten Unterschiede festzuhalten. Die Messung des Gebläses und der Anlage zur Ermittlung der Luftmenge lieferte Kennlinien, welche den Gebläsen von MAHLE im Wirkungsgrad überlagen. Aus reiner Betrachtung der Luftmenge ist ebenso der Druckabfall in der Benchmark-Anlage geringer, weshalb sie bessere Ergebnisse liefert. Das verbaute Gebläse ist also leistungsstärker als das Vergleichsobjekt. Die Ermittlung der Kälteleistung des Verdampfers im Klimaprüfstand zeigte, dass der im Benchmark-Objekt verbaute Flachrohr-Verdampfer hier unterdurchschnittliche Leistungen lieferte. Der luftseitige Druckabfall liegt mit ca. 15 % über dem nächsten Vergleichsobjekt deutlich über den Konkurrenzprodukten, auch über denen der Rundrohr-Bauweise, was negativ zu beurteilen ist. In der Kälteleistung konnte er ebenfalls nicht mit den Wettbewerbern konkurrieren. Auch hier liegen die Gesamtleistung und die sensible Leistung in allen gemessenen Umgebungen etwa 5 % unter dem leistungsstärksten Bauteil. Die Betrachtung des Temperaturprofils ergab verhältnismäßig hohe Temperatur-unterschiede von 9,1 K als Maximalwert auf der Bauteiloberfläche und damit eine ungleichmäßige Kühlung der durchströmenden Luft. Insgesamt gleicht der unterdurchschnittliche Verdampfer also die überdurchschnittliche Leistung des Gebläses fast vollständig aus, weshalb beide Klimaanlagen letztendlich eine ähnliche Gesamtleistung aufweisen. Beim Berstdruckversuch erfüllt der Heizkörper und Verdampfer die Anforderungen, wobei sich der Heizkörper schon bei 6 bar Berstdruck aufbläht, was als Versagen zu bewerten ist. Die metallografische Untersuchung beider Bauteile zeigt eine unzureichende Verlötung der Wellrippen am Verdampfer. Sonst ergeben sich jedoch keine Auffälligkeiten. Auch im Einschraubversuch besteht die Benchmark-Anlage bei vier von fünf getesteten Schraubverbindungen die Forderung von mindestens fünf Einschraubvorgängen ohne festgestellte Beschädigung am Kunststoffgehäuse. Die ausführliche Analyse zeigt somit, dass die Anlagen ähnliche Gesamtleistungen liefern, obwohl unterschiedliche Komponenten verwendet werden. Der größte konstruktive Unterschied ergibt sich in der Bauform des Verdampfers. Während die Benchmark-Anlage Flachrohr-Verdampfer verwendet, setzt MAHLE auf die konventionellen Rundrohr-Verdampfer. Die Benchmark-Analyse zeigt also, dass vor Allem das Gebläse in der Referenz-Klimaanlage ausbaufähig ist, um die Leistung zu erhöhen, während der Großteil der Komponenten bereits wettbewerbsfähig ist. Zudem ist vorstellbar, dass MAHLE-Projekte in Zukunft auch zu Flachrohr-Verdampfer übergehen, da diese eine flexiblere Bauform zulassen, jedoch keine Nachteile in Hinsicht auf deren Leistung aufweisen. Da jedoch hauptsächlich auf die Verwendung bereits eingesetzter Serienprodukte wertgelegt wird, da diese bereits bestimmte Validierungsprozesse durchlaufen haben, ist es unwahrscheinlich, für ein einzelnes Projekt neue Verdampfer herzustellen. Da die Kunden oft spezielle Anforderungen haben, existiert keine standardisierte Zusammenstellung von Komponenten, sondern wird spezifisch kombiniert. Die Benchmark-Analyse resultiert in einem Erfolg, da die Schwachstellen der eigenen Anlage ermittelt und auch Stärken gegenüber der Konkurrenz festgestellt werden konnten.



Mai, Vinh Hieu;
Numerische Untersuchungen zum konvektiven Wärmeübergang an angeströmten, rotierenden Zylindern mit rauer Oberfläche. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Strömung um einen rotierenden Kreiszylinder und die damit verbundenen Phänomene wie der Wärmeübergang, der Magnus-Effekt und die Kármánsche Wirbelstraße treten in einer Vielzahl technischer Anwendungen auf. Diese Phänomene treten nicht in allen Fällen auf die gleiche Weise auf und werden hauptsächlich durch die Faktoren Temperaturdifferenz, Strömungsgeschwindigkeit, Drehgeschwindigkeit und Oberflächenrauheit des Zylinders beeinflusst. Um die Einflüsse dieser Faktoren auf die oben genannten Phänomene zu untersuchen, wurden die numerischen Untersuchungen mit dem CFD-Programmpaket ANSYS Fluent durchgeführt. Gegenstand dieser Arbeit ist ein Luftstrom mit den Geschwindigkeiten 0, 0,1295, 1,0724 und 2,6044 m/s, der auf einen beheizten horizontalen Zylinder mit einem Durchmesser von 0,1 m trifft. In Kombination mit der Temperaturdifferenz, der Drehgeschwindigkeit und der Rauheit wurden ihre individuellen und kombinierten Einflüsse auf den Wärmeübergang, den Magnus-Effekt und die Kármánsche Wirbelstraße untersucht.



Hübner, Maria;
Characterisation of a pressure chamber loading element with aerostatic seals. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In unserer heutigen Gesellschaft ist die Reduktion des Energieverbrauches der Bevölkerung und der Industrie eine globale Herausforderung und ein integrales Forschungsgebiet des Ingenieursberufes. Durch den momentan stark an Bedeutung gewinnenden Online- und Versandhandel und das Streben nach weniger Kunststoffverpackungen steigt die Nachfrage nach Karton als Verpackungsmaterial stetig, wobei die Produktion sehr energieaufwändig ist und große Reibungsverluste hat. Eine Verbesserung des Biegeausgleichssystemes hat das Potential, die Reibung signifikant zu reduzieren. Dieses besteht meist aus einem sich verbiegendem inneren, stationärem Schaft und einem äußeren, unverformten, sich bewegenden Mantel sowie ein oder mehrere abgedichtete Ölkammern dazwischen zur Kompensierung der Durchbiegung. Eine mögliche Umsetzung der Reibungsreduzierung ist das Ersetzen der Ölkammer mit einer druckbeaufschlagten Luftkammer mit umschließender poröser Dichtung. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, ein Designwerkzeug zu implementieren, welches die Auslegung von Prototypen eines Biegeausgleichssystems mit Luft als Arbeitsmedium vereinfacht. Im ersten Teil der Arbeit wurde untersucht, welche Formeln zur Beschreibung der Fluiddynamik und der Berechnung der Permeabilität geeignet sind. Anschließend wurde ein numerisches Modell einer Luftkammer mit umschließender poröser Dichtung und Gegenplatte aufgesetzt und mittels experimenteller Daten validiert. Eine systematische Variation von acht Eingangsvariablen wurde durchgeführt, um den Einfluss dieser Eingangsparameter auf die Leistungsparameter Verlustvolumenstrom, Tragfähigkeit und Steifigkeit zu identifizieren. Die Ergebnisse der Vorstudie zeigten qualitative Übereinstimmung für alle Leistungsparameter, wenn die Permeabilität mit der Darcy-Gleichung basierend auf dem Volumenstrom berechnet wurde. Das Strömungsverhalten wurde in dem porösen Material mittels der Darcy-Gleichung und in dem Luftspalt mittels Navier-Stokes-Gleichung beschrieben. Die Resultate des numerischen Modells der Luftkammer mit poröser Dichtung stimmten qualitativ mit den experimentellen Ergebnissen überein. Die systematische Variation ermöglichte Aussagen zum Verhalten des Systems bei Variation der Eingangsparameter. Zusammenfassend ist das implementierte Modell geeignet für eine unkomplizierte und kostengünstige Untersuchung von unterschiedlichen Eingangsparametern und kann somit den Entwicklungsprozess eines Biegeausgleichssystems mit Luft als Arbeitsfluid unterstützen.



Ennayar, Hatim;
Numerische Simulation des 2. Stokesschen Problems unter Magnetfeldeinfluss. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In der Astrophysik und Geophysik werden magnetohydrodynamische Wellen, sog. Alfvén-Wellen, als ein Schlüsselelement beim Transport von Impuls und Energie angesehen. Aufgrund ihrer wichtigen Rolle in der Plasmaphysik haben sie in den letzten Jahrzehnten großes Interesse geweckt. Das Anfachen von Alfvén-Wellen in flüssigen Metallen im Labormaßstab ist jedoch nach wie vor von hohem Schwierigkeitsgrad, insbesondere bei mechanischer Anregung. Diese Arbeit untersucht numerisch unter Verwendung des kommerziellen Simulationsprogramms ANSYS-Fluent die Möglichkeit, Alfvén-Wellen in einem elektrisch leitfähigen Fluid in Bewegung mittels einer oszillierenden Wand unter Magnetfeldeinfluss zu erzeugen. Die numerischen Simulationen können den gleichen Einfluss der magnetischen Reynolds-Zahl auf die Ausbreitung der Wellen wie theoretisch reproduzieren. Darüber hinaus beeinflusst das magnetische Prandtl-Verhältnis die Geschwindigkeit jenseits der Hartmann-Schicht sowie die Reflexionseigenschaften von Alfvén-Wellen an isolierenden Wänden stark. Die Auswirkungen der Lundquist-Zahl und des ohmschen Dämpfungsverhältnisses auf die Intensität der Wellen stimmen mit der Theorie überein. Die Wirkung perfekt leitender Wände auf Grenzschichten und Reflexion wird ebenfalls diskutiert.



Einfluss von Oberflächenrauigkeiten auf den Magnus-Effekt anhand von numerischen Simulationen. - Ilmenau. - 51 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses von Oberflächenrauigkeit auf den Magnus-Effekt. Die Arbeit ist dabei Teil der Entwicklung eines neuartigen Spoilers für Fahrzeuge, der den Magnus-Effekt nutzt.Für die Untersuchung wurden numerische Berechnungen mit Hilfe des Programms Ansys Fluent gemacht. Dabei wurde die Rotationsgeschwindigkeit variiert und jede Berechnung einmal mit und einmal ohne Rauigkeit durchgeführt. Für die Auswertung wurden der Widerstandskoeffizient und der Auftriebskoeffizient im zeitlichen Verlauf herangezogen. Im Ergebnis konnte ein Einfluss der Oberflächenrauigkeit festgestellt werden, der sich sowohl positiv als auch negativ auf den Effekt auswirkt. Die Rauigkeit wirkt sich bei einem niedrigen Verhältnis von Oberflächengeschwindigkeit (V) zur Strömungsgeschwindigkeit (U) von bis zu V/U = 2 positiv aus. Über diesem Verhältnis, wirkt sich die Rauigkeit negativ aus. Zusätzlich wurde festgestellt, dass die durch den Magnus-Effekt erzeugte Kraft nicht kontinuierlich anliegt, sondern in gleichbleibender Frequenz schwingt.



Käufer, Theo;
Charakterisierung verschiedener Einflussfaktoren auf die Messung von Temperaturfeldern mittels thermochromer Flüssigkristalle. - Ilmenau. - 47 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Zur Untersuchung temperaturgetriebener Strömungen ist die genaue Kenntnis der zeitlich und räumlich aufgelösten Temperatur von großer Bedeutung. Eine Messtechnik, mit welcher solche Temperaturdaten bestimmt werden können, ist die thermochrome Flüssigkristall-basierte Partikel-Bild-Thermometrie (TLC-PIT). In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz vorgeschlagen, der eine Multispektralkamera mit bis zu zwölf verschiedenen Farbkanälen verwendet, um das temperaturabhängige Farbbild der thermochromen Flüssigkristalle aufzuzeichnen. Außerdem wird ein neues Verarbeitungsschema vorgestellt, das auf maschinellem Lernen basiert und die mit der Multispektralkamera aufgenommenen Intensitätsdaten verarbeiten kann. Die neuartige Technik wird mit einer konventionellen Methode verglichen, die eine Kamera mit einem roten, grünen und blauen Farbkanal zur Bilderfassung verwendet. Dazu wurde ein Experiment aufgebaut, mit dem die auftretenden Temperaturn in der wassergefüllten Zelle durch Einstellen der Temperaturen der unteren und oberen Begrenzung kontrolliert werden können. Um die optimale experimentelle Konfiguration und Parameter zu bestimmen, wird der Einfluss des Beobachtungswinkels auf das Farbbild der thermochromen Flüssigkristalle durch die transparente Seitenwand der Zelle analysiert. Es wurden Bilddaten von verschiedenen Temperaturkonfigurationen aufgenommen, die entweder Rayleigh-Bénard-Konvektion oder eine stabile thermische Schichtung generieren. Verschiedene Verarbeitungsansätze mit unterschiedlichen Techniken des maschinellen Lernens wurden auf die Daten angewendet, um deren Eignung zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwendung einer Multispektralkamera für TLC-PIT vielversprechend und ein künstliches neuronales Netz gut geeignet ist, die Multispektraldaten zu verarbeiten. Da jedoch die in dieser Studie verwendete Multispektralkamera die Farbkanäle nacheinander aufzeichnet, bleibt ihre Anwendung auf Rayleigh-Bénard-Konvektion aufgrund der begrenzten Aufzeichnungsfrequenz eine Herausforderung. Weitere Entwicklungen sollten sich daher auf die Reduzierung der benötigten Aufnahmezeit oder die Verwendung einer Kamera, die alle Farbkanäle gleichzeitig aufnimmt, konzentrieren. Zusätzlich könnte der Temperaturmessbereich durch die Kombination eines Superkontinuum-Lasers mit einem breiten Beleuchtungsspektrum und einer Multispektralkamera erweitert werden.



Großhauser, Alexander;
Untersuchung von magnetisch angeregten Grenzflächenschwingungen in einem 3-Fluid-System. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Ein großes Problem von Flüssigmetallbatterien stellt die Durchbrechung der Elektrolytschicht durch Grenzflächenschwingungen dar, da dies zu einem Kurzschluss führt und somit die Batterie beschädigen kann. In der folgenden Arbeit wird die resultierende Wellenbewegung, die hydrodynamisch der Mode der Metal Pad Instabilität sehr ähnlich ist, untersucht. Die Grenzflächenschwingungen werden mittels Ultraschall-Doppler-Velozimetrie aufgenommen und anhand der Schwingungsmoden an den inneren Grenzflächen durch Resonanzfrequenzen und räumliche Amplitudenverteilung charakterisiert. Zudem wird ein geeignetes Ersatzfluid für das in früheren Versuchen benutzte 3M Novec ausgewählt, da dies Mischungseffekte mit dem Silikonöl aufzeigte.



Naumann, Clemens;
Untersuchungen zur Verblockung in Wanderbett-Wärmeübertragern. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Solarthermische Kraftwerke sind wesentlicher Bestandteil regenerativer Technologien zur Energieerzeugung. In Zeiten des Klimawandels gewinnen diese Energiequellen zunehmend an Bedeutung. Um die Effizienz dieser Kraftwerke zu maximieren, sind hohe Prozesstemperaturen erforderlich. Damit diese hohen Temperaturen erreicht werden können, wird ein hochtemperaturstabiles Wärmeträgermedium benötigt. Vielversprechend dafür ist die Benutzung von Sinterbauxit in Form von kleinen keramischen Partikeln als Wärmeträger- und Speichermedium. Um die gespeicherte Wärme zu entkoppeln, können Wanderbettwärmeübertrager (WBWÜ) verwendet werden. Diese bestehen aus horizontal angeordneten Rohren, in denen Wasser aufgrund der äußeren Umströmung mit heißen Partikeln verdampft wird. Bei hinreichend kleinen Rohrabständen kann es zu Verblockungen im Schüttgut kommen, welche zu unkontrolliertem Leistungsabfall des Wärmeübertragers führen. Um diesen kritischen Abstand zu bestimmen, werden in dieser Arbeit Verblockungsuntersuchungen an einem Teststand durchgeführt, bei denen der Massenstrom in Abhängigkeit einer variablen Rohranordnung gemessen wird. Zusätzlich wird der maximale Massenstrom für verschiedene Rohrabstände gemessen, um die zukünftige Dimensionierung von WBWÜs zu optimieren. Die Ergebnisse zeigen, dass zwischen Rohren mit einem Durchmesser von 19 mm bei horizontalen Rohrabständen von weniger als 1,7 mm kein kontinuierlicher Partikelfluss möglich ist. Außerdem wird gezeigt, dass es mithilfe der Massenstrom-Messwerte von ausgewählten größeren Abständen möglich ist, den maximalen Massenstrom für beliebige andere Rohrabstände theoretisch zu bestimmen. Granulare Particle Image Velocimetry (g-PIV) wird zudem an den Stirnseiten der Rohre eingesetzt, um zu zeigen, dass sich die Fließeigenschaften der Partikel in Abhängigkeit des vertikalen Rohrabstands ändern.