Zeitliche Analyse von Temperatursignalen gemessen in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion. - 129 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften von Temperatursignalen in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion untersucht. Die dafür zur Verfügung stehenden Temperatur-Zeitreihen wurden an der Heiz- und an der Kühlplatte des Ilmenauer Fasses aufgenommen und decken einen Rayleigh-Zahlenbereich von 1.58e11 bis 9.59e11 ab. - Die Analyse der Temperatursignale umfasst eine Fourieranalyse, bei der die Temperatursignale in ihre Frequenzanteile zerlegt und anschließend ausgewertet werden. Weiterhin werden die Autokorrelationsfunktionen der Temperatursignale für Heiz- und Kühlplatte gebildet. Mit Hilfe diesen Funktionen werden die zeitlichen Periodizitäten der Temperatursignale untersucht. - Die abschließende Analyse der Temperatursignale mittels der Kreuzkorrelation dient dazu, die gemessenen Signale an Heiz- und Kühlplatte miteinander zu vergleichen und die Kopplung der Grenzschichten zu untersuchen.
Untersuchung der Strukturbildung im Konvektionsexperiment "Ilmenauer Fass" mittels 3D Particle Tracking Velocimetry. - 113 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Auf Grund von thermischer Konvektion kommt es unter dem Einfluss von Aspektverhältnis und Rayleigh-Zahl zur Ausbildung von Strömungsstrukturen. Das Wissen über diese Strukturen ist bis heute gering, so dass sie bisher noch nicht vollständig beschrieben werden konnten. Jedoch besteht ein großes Interesse von Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet, was seine Ursache in der Fülle der Anwendungsgebiete hat. So lassen sich durch Untersuchungen beispielsweise Aufgaben, wie die Gestaltung und Dimensionierung von Klimatisierungskonzepten großer Räume und Flugzeugkabinen, lösen. Um diese und weitere Probleme determinieren zu können, wurden bis zum heutigen Tag viele verschiedene Untersuchungen durchgeführt, wobei meist nur kleinskalige Versuchsvolumina und schmale Rayleigh-Zahlenbereiche untersucht wurden. In der vorliegenden Diplomarbeit wird dieser Punkt aufgegriffen und kann als Fortsetzung der wissenschaftlichen Untersuchung von konvektiven Strukturbildungen gesehen werden. So wurden am "Ilmenauer Fass", dem größten Rayleigh-Bénard-Experiment der Welt, Luft-Konvektionsmessungen bei einem Aspektverhältnis von 2 unter Zuhilfenahme einer dreidimensionalen Strömungsmesstechnik (3D PTV) durchgeführt. Wobei bei allen Messungen reißfeste, Helium gefüllte Latexluftballons als Tracer zur Strömungsmarkierung dienten. Ein Novum hierbei ist die Applikation des 3D PTV-Systems bei einem Beobachtungsvolumen von 143,3 mџ. Des Weiteren fanden die Messungen durch die Erwärmung der Heizplatte auf 40 ˚C und 60 ˚C in einem Rayleigh-Zahlenbereich von 7,5 x 10^10 bis 1,3 x 10^11 statt. Die bei der Messung entstandenen Bilder wurden im Folgenden in Trajektorien umgewandelt und mittels "MatLab" analysiert, um Aussagen über das zeitliche und räumliche Strömungsverhalten zu erlangen. Die gewonnenen Ergebnisse wurden am Ende mit bestehenden Forschungsergebnissen verglichen und darüber hinaus Aussagen über die Entstehung von Strömungsstrukturen bei einem Aspektverhältnis von 2 getroffen.
Kalibrierung von Mikrothermistoren. - 33 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2008
Für präzise Temperaturmessungen im Ilmenauer Fass, dem weltgrößten Rayleigh-Bénard-Experiment, werden Messgeräte mit besonders hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung benötigt. Diese Anforderungen können von speziell gefertigten Mikrothermistoren erfüllt werden, jedoch erst nach einer geeigneten Kalibrierung. Mit dieser Arbeit wurde eine Kalibrierstation aufgebaut, die sowohl für die Kalibrierung der Mikrothermistoren und als auch anderer Temperaturmessgeräte verwendet werden kann. Eine Untersuchung der Station auf ihre Qualitätsparameter zeigte, dass mit den Mikrothermistoren eine Temperaturauflösung von ca. 0,1K erreichbar ist.
Experimentelle Untersuchungen an einem Wärmetauscher- Prototypen für Lacktrocknungsöfen. - 89 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
In Luft- Luft- Wärmetauschern ist das Problem von Partikelablagerungen ein kaum erforschtes Thema. Diese Ablagerungen verursachen Stillstandszeiten der gesamten Anlage. Die Entwicklung eine wartungsarmen Luft-Luft- Wärmetauschers ist Gegenstand eines Forschungs- und Entwicklungsprojektes der Firma ELIOG Kelvi-therm, das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördert wird. Im Rahmen dieser Forschungen wird die Problematik der Ablagerung untersucht mit dem Ziel, die Reinigungszyklen zu verlängern oder völlig wartungsfreie Wärmetauscher zu entwickeln. Zur Erreichung dieses Ziels sind experimentelle Untersuchungen notwendig. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Aufbau und Inbetriebnahme einer Wärmetauschertestanlage und Durchführung von Messungen, die Grundlagen und Vergleichsmaterial für nachfolgende Messungen liefern. So wird hier der Einfluss der Reynoldszahl auf die statischen Druckverluste zwischen Ein- und Ausgang des Wärmetauscher an verschiedenen ausgewählten Messpunkten ermittelt. Zudem ist die Abhängigkeit der Effektivität, Nusseltzahl und der verwendeten Gesamtwärmeleistung, der gewonnnen Leistung sowie der verlorenen Leistung von der Reynoldszahl bei verschiedenen Heiztemperaturen untersucht und dargestellt. Die Messungen werden mit zwei unterschiedlichen vorgegebenen Wärmeaustauschprofilen durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die Druckdifferenzen mit steigender Reynoldszahl und steigenden Heiztemperaturen zunehmen. Die Aufwärmzahl nimmt mit ansteigender Heiztemperatur zu. Bei hohen Reynoldszahlen nimmt die Aufwärmzahl ab. Eine Änderung der Wärmeaustauschprofile hat eine Erhöhung der Schubspannungen zur Folge.
Thermofluiddynamische Untersuchungen zur Kühlung von Spritzgusswerkzeugen. - 79 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Bei einem Spritzgussprozess wird ein schmelzeflüssiges Thermoplast mit hohem Druck in eine Metallform gebracht. Diese hat die Aufgabe dem Kunststoff in Form zu bringen, abzukühlen und schließlich auszustoßen. Mit ca. 70% hat das Abkühlen des Kunststoffes auf Entformungstemperatur den größten Anteil an der Zykluszeit. Aus diesem Grund wird hier das größte Optimierungspotential zur Verkürzung der Prozesszeit gesehen, weshalb in den letzten Jahren viele neue Entwicklungen im Bereich der Werkzeugtemperierung gemacht wurden. Zur Wärmeabfuhr werden für gewöhnlich gebohrte Kanäle verwendet, die in ihrer Auslegung durch fertigungstechnische Grenzen beschränkt sind. Die Entwicklung neuer generativer Fertigungsverfahren wird es möglich völlig neuartige Kühlstrukturen zu erstellen. Bei diesen Verfahren wird Metallpulver in einer dünnen Schicht auf eine Bauplatte aufgetragen und mit Hilfe eines Laserstrahls lokal verschmolzen. Durch Wiederholen dieses Vorgangs entsteht Schicht für Schicht ein Werkzeugeinsatz mit den Materialeigenschaften des Pulvers. Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Analyse und Optimierung der von der Siegfried Hofmann Werkzeugbau GmbH patentierten Flächenkühlung. Eine Flächenkühlung ist Netz von Kanälen, das sich eng unterhalb der Kavität befindet und so für eine schnelle und gleichmäßige Wärmeabfuhr sorgen soll. Für die Optimierung der Kühlung werden numerische Untersuchungen gemacht und für die Analyse sowohl numerische als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Für die numerischen Untersuchungen wird das Programm EFD.Lab der Firma Flomerics verwendet. In der Arbeit wird eine genaue Beschreibung zur Bedienung und der Arbeitsweise der Software vorgenommen. Des Weiteren wird eine Kontrollrechnung der Ergebnisse durch die etablierte Strömungssimulation Fluent gemacht. Die Ergebnisse werden außerdem mit bereits bekannten Theorien über umströmte Einzelzylinder und Rohrbündel verglichen. Durch Messungen an einem Versuchsaufbau werden praktische Werte für Druckverlust und der Wärmeabfuhr der Flächenkühlung gewonnen. Diese werden mit den Ergebnissen aus der Simulation verglichen und eine bewertet. Es werden Konstruktionshinweise zur Auslegung von Flächkühlungen dargelegt und Parallelen der Flächenkühlung zu bereits strömungs- und wärmetechnisch bekannten Geometrien aufgezeigt.
Untersuchung der Abwärmenutzung von Generatoren zur Kälteerzeugung mittels Absorptionskältemaschine bei mobilen Klimaanwendungen . - 109 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob es möglich ist, die bei einer Sanitätszeltklimaanlage vorhandene Kompressionskältemaschine durch eine abwärmebetriebene Absorptionskältemaschine zu ersetzen. Hierfür erfolgen energetische Betrachtungen zur Abwärmeverfügbarkeit von Generatoren, speziell eines 25-kW-Beispielgenerators. Weiterhin wird eine einstufige Absorptionskältemaschine, mit den Arbeitsstoffpaaren Azeton/Zinkbromid und Wasser/Lithiumbromid, mittels des Programms EES simuliert und die Ergebnisse mit den Messwerten einer Laboranlage verglichen. Es wird festgestellt, dass die Menge und auch das Temperaturniveau der thermischen Antriebsenergie ausreichend hoch sind. Problematisch ist jedoch die Rückkühlung der Anlage bei den geforderten Umgebungsbedingungen, d.h. Umgebungstemperaturen bis zu 44 ˚C. Deshalb werden die Temperaturniveaus der zu kühlenden Komponenten, sowie des Rückkühlkreislaufes und der Umgebung ausführlich, anhand der Simulationsergebnisse und durch Auslegungen von Rückkühlern, betrachtet und diskutiert. Das Ergebnis ist, dass bereits bei Außentemperaturen oberhalb von 32 bzw. 35 ˚C, je nach Verdampfungs- und Austreibungstemperatur, der Einsatz einer Absorptionskältemaschine nicht mehr möglich ist. Somit ist das Ersetzen der Kompressionskältemaschine durch eine Absorptionskältemaschine, aus thermodynamischer Sicht, für die gegebene Problemstellung nicht sinnvoll. Des Weiteren werden ausgeführte Absorptionskältemaschinen unter konstruktiven Gesichtspunkten betrachtet und mögliche Modifikationen bezüglich Kompaktheit und Robustheit diskutiert. Aus konstruktiver Sicht ist die Modifikation einer 10-kW-Absorptionskältemaschine für mobile Klimaanwendungen realisierbar.
Analytische Modellierung und numerische Simulation des Wärmetransports in Automobilscheinwerfern. - 94 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Die Arbeit dient der Untersuchung des thermischen Verhaltens einer Abdeckscheibe von Automobilscheinwerfern, speziell der Ausbildung von lokalen Überhitzungen, so genannten Hotspots. Die Abdeckscheibe moderner Automobilscheinwerfer besteht aus Polycarbonat, welches im Vergleich zu Glas eine wesentliche geringere maximale Anwendungstemperatur aufweist. Die thermische Untersuchung zur Hotspotbildung ist daher von hoher Bedeutung. Der Wärmetransport innerhalb des Automobilscheinwerfers weist die drei Mechanismen Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung auf. Die gerichtete Strahlung des Reflektors wird innerhalb der Abdeckscheibe entsprechend dem Absorptionsverhalten absorbiert und in Wärme umgewandelt. Dieses Verhalten wird mit einer diskreten Wärmequelle innerhalb der Abdeckscheibe modelliert. Die Abdeckscheibe selbst wird herausgeschnitten aus dem Scheinwerfer betrachtet und ist als senkrechte Platte nachgebildet. Diese Platte ist zu beiden Seiten von einem Fluid umströmt. Beide Fluide weisen unterschiedliche Temperaturen auf. Zur Untersuchung werden sowohl ein analytisches als auch ein numerisches Modell aufgestellt. Ziel ist die Bestimmung der Hotspottemperatur und der Hotspotlage innerhalb der Abdeckscheibe. Die Ergebnisse beider Modelle ergänzen sich gegenseitig. Die numerische Simulation dient der Bestimmung der Hotspottemperatur, Temperaturverteilung an den Oberflächen der Abdeckscheibe und der Bestimmung des Wärmeübergangs zu den begrenzenden Fluiden. Über die analytischen Berechnungen sind Aussagen zur Temperaturverteilung innerhalb der Abdeckscheibe möglich.
Induktionsströme und Lorentzkräfte in Fluiden mit stark temperaturabhängiger elektrischer Leitfähigkeit - numerische 2D-Untersuchungen mittels Comsol. - 97 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Motiviert durch das "Lorentz Force Flowmeter" von A. Thess et all war das Ziel dieser Diplomarbeit die Betrachtung einer Rohrströmung mit einem überlagerten Magnetfeld und der dabei erzeugten Lorentzkräfte. Es fand dabei keine Rückkopplung dieser induzierten Lorentzkräfte auf das Fluid statt. Durch den rotationssymmetrischen Zylinder floss eine Glasschmelze mit nichtlinearen, temperaturabhängigen Materialparametern. Diese Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit und der Viskosität hatte Auswirkungen auf die induzierte Lorentzkraft, deren Einfluss untersucht werden sollte. Der Hauptteil dieser Arbeit darin, Parameterstudien bei stark variierender Nusselt-Zahl Nu, in Form unterschiedlich starker Kühlung des Zylinderrohres, und stark variierender Reynolds-Zahl Re durchzuführen und deren Einfluss auf die erzeugten Lorentzkräfte zu untersuchen. Durch die unterschiedlichen Strömungsrichtungen des Geschwindigkeitsfeldes u(ur,ux) und dem Feld der magnetischen Flussdichte B(Br,Bx), traten verschiedene Lorentzkräfte FL auf, die sich gegenseitig beeinflussten. So kommt die Strömungskomponente ur erst durch die Berücksichtigung der temperaturabhängigen Viskosität bei hoher Nusselt-Zahl Nu zustande, was wiederum eine Lorentzkraft FL-x-r zur Folge hat. Um genaue Kenntnisse über den Ursprung der Lorentzkräfte und deren Verlauf zu gewinnen, wurden zudem einzelne Parameter, wie z.B. die temperaturabhängige Viskosität, modifiziert, um den Einfluss der verschiedenen Parameter auf das Strömungsverhalten und die Lorentzkraft FL zu ermitteln. Es zeigte sich, dass mit zunehmender Nusselt-Zahl und einer abnehmenden Reynolds-Zahl, die Lorentzkräfte nichtlinear sanken. So wurde der Hauptbestandteil der Lorentzkraft FL-x, in x-Richtung, unter anderem durch die Strömungskomponente ux, in Flussrichtung, erzeugt. Mit ansteigender Nusselt-Zahl wurde diese Lorentzkraftkomponente FL-x-x zunehmend von der Lorentzkraft FL-x-r, mit dem Strömungsanteil ur, in radialer Richtung, negativ beeinflusst, so dass der maximale Einfluss auf die Lorentzkraft FL-x bei ˜11% lag. Des Weiteren gab es eine Kraftwirkung FL-r, in radialer Richtung, bei der ebenfalls ein Zusammenspiel der verschiedenen Fluidströme, ux und ur, mit dem magnetischen Feld B(Br,Bx) auftrat, und sich die erzeugten, unterschiedlich orientierten, Lorentzkräfte gegenseitig beeinflussten.
Temperaturmessungen in der Grenzschicht über der Heizplatte des Konvektionsexperimentes "Ilmenauer Fass". - 88 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2006
Die Arbeit dient Untersuchungen zur Anwendbarkeit der Boussinesq-Approximation am Rayleigh-Bénard-Experiment "Ilmenauer Fass". Hierfür wird die Veränderung der relevanten Stoffeigenschaften und weitere Kriterien nach Tritton in Betracht gezogen. Des Weiteren wird das Verhältnis der thermischen Grenzschichtdicke über der Heizplatte zur thermischen Grenzschichtdicke unter der Kühlplatte aus der Theorie hergeleitet. - Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Aufbau zur Messung von Temperaturprofilen über der Heizplatte wird vorgestellt. Es werden zwei Messreihen (Ra = 3,1e+11 / Ra = 7,5e+11; Gamma = 1,137; Pr = 0,7) durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse werden sowohl mit entsprechenden Temperaturprofilen unter der Kühlplatte, als auch mit den theoretischen Erwartungen verglichen. - Ebenso wird mithilfe numerischer Simulation die Temperaturverteilung im Sensorsupport berechnet, und es werden konstruktive Vorschläge unterbreitet, die aus den Ergebnissen der Simulation abgeleitet werden.
Numerische Simulation der instationären Strömungsvorgänge in einem Wasserstrahlantrieb für Schiffe. - 104 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2006
Die Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Simulation des Voith Water Jet. Der Voith Water Jet ist ein neues Konzept des Antriebs schneller Schiffe. Mit seinem Aufbau aus einer Düse in der ein Rotor und stromab ein Stator montiert ist, soll einmal die Kavitationsgefahr bei hohen Schiffsgeschwindigkeiten vermindert, und zusätzlich durch die Entdrallung der Strömung durch den Stator der Schub vergrößert werden, und damit die Effizienz des Antriebes. Die numerische Darstellung der komplexen Geometrie des Voith Water Jet wird mittels eines Fortran-Programms vorgenommen. Es erstellt eine Skriptdatei, mit der das 3-D-CAD-Programm I-deas die Modelldateien für Rotor-, Stator- und Düsenkontrollvolumen erzeugt. Um die Automatisierungskette nicht zu unterbrechen, werden die Rechengitter für die entsprechenden Kontrollvolumen vom Vernetzungsprogramm Icem Hexa skriptgesteuert erstellt. Die Skripte sind so geschrieben, dass für eine große Bandbreite von Geometrieparametern des Voith Water Jet vollautomatisch Gitter generiert werden können. Sollte das resultierende Gitter aufgrund einer besonderen Geometriekonfiguration Fehler aufweisen, so kann die Gittertopologie mittels Korrekturparametern angepasst werden. Die Simulation wird transient mit dem Navier-Stokes-Gleichungslöser Comet durchgeführt. Dabei wird im speziellen die Relativbewegung zwischen Rotor und Stator betrachtet. Für Berechnung der zeitlichen Abhängigkeit kommt ein Drei-Zeitebenenverfahren und zur Turbulenzmodellierung das k-epsilon-Modell zum Einsatz. Die Ergebnisse der Simulation der Grundgeometrie des Voith Water Jet zeigen einen hohen Wirkungsgrad von eta_0 = 0.71.