Technische Universität Ilmenau

Applied Thermo- and Fluiddynamics - Modultafeln of TU Ilmenau

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module properties module number 200281 - common information
module number200281
departmentDepartment of Mechanical Engineering
ID of group2346 (Engineering Thermodynamics)
module leaderProf. Dr. Christian Cierpka
languageDeutsch
term Wintersemester
previous knowledge and experienceStrömungsmechanikhöhere Ingenieursmathematik

learning outcomeNach erfolgreichem Abschluss der Lehrveranstaltung Angewandte Thermofluiddynamik haben die Studierenden einen tieferen Einblick in zwei Spezialgebiet der Thermofluiddynamik, nämlich den Strömungen mit freier Grenzfläche (Teil 1) und den Zweiphasenströmung (Teil 2). Sie erkennen die Wichtigkeit dieser beiden Spezialgebiete für die Analyse von natürlichen und industriellen Strömungstransportprozessen. Sie verstehen die physikalische Bedeutung der neuen Begriffe und der neu auftretenden Kennzahlen. Nach erfolgreiche Teilnahme sind die Studierenden in der Lage, in der Natur auftretende und technisch relevante Problemstellungen in diesen beiden Fachbereichen ingenieursmäßig zu analysieren und beherrschen die physikalische und mathematische Modellbildung. Sie können die problemspezifischen Kennzahlen bilden und physikalisch interpretieren. Sie verwenden die mathematische Beschreibung sicher und wählen analytische Lösungsansätze gezielt aus. Sie sind ferner in der Lage die erzielten Lösungen zu diskutieren und auf ihre Plausibilität prüfen zu können. In der Vorlesung werden zudem Fachkompetenzen im Bezug zu aktuellen Forschungsprojekte des Instituts für Thermo- und Fluiddynamik vermittelt.
In der wöchentlichen Übung lösen die Studierenden eigenständig und in der Gruppe komplexe anwendungsorientierte Aufgaben. Sie sind nach Abschluss in der Lage die erzielten Ergebnisse zu interpretieren und diese auf physikalische Plausibilität durch methodische Entwicklung von geeigneten Lösungsansätzen und Bewertung der den Lösungsansätzen zugrunde liegenden physikalischen Annahmen zu überprüfen. Die Studierenden haben vertiefte Kenntnisse in den theoretischen und mathematischen Grundlagen und werden bei erfolgreicher Teilnahme an die Anforderungen an ein eventuelles anschließendes Promotionsstudium vorbereitet. Hierdurch entwickeln die Studierenden nicht nur Fachkompetenz, sondern auch Kompetenzen in den Feldern wissenschaftliches Arbeiten, wissenschaftliche Dokumentation und wissenschaftliche Präsentation.
contentTeil 1: Freie Grenzflächen (Prof. Dr. Karcher)
Teil 1 untergliedert sich in vier Blöcke mit Vorlesungen (V) und zughörigen Übungen (Ü).
Block 1
-Physikalische Phänomene an stationären freien Grenzflächen (V): Oberflächenspannung und Kapillarität, Messmethoden zur Bestimmung der Oberflächenspannung, Steighöhen in Kapillaren, Tropfen- und Blasenbildung, Young-Laplace-Gleichung, Begriff der Kapilarlänge und Kapillarzeit zur Entdimensionaliseung.
-Berechnung von statischen Meniskuskonturen (Ü): Einführung in die Differenzial-Geometrie, Krümmung von Kurven und Flächen, analytische Integration der Young-Laplace-Gleichung zur Bestimmung der Meniskuskontur einer benetzenden Flüssigkeit an einer senkrechten Wand, grafische Darstellung in dimensionsloser Form.
Block 2
-Physikalische Phänomene an instationären freien Grenzflächen (V): Begriff der hydrodynamischen Stabilität, Charakterisierung von Kapillar- und Schwerewellen, Begriff der Dispersion, Begriff der Phasengeschwindigkeit, Begriff der Gruppengeschwindigkeit.
-Berechnung der Dispersionsgleichung von Kapillar- und Schwerewellen (Ü): Einführung in die linerare Stabilitätsanalyse dynamischer Systeme, Linearisierung von Bewegungsgleichungen und Randbedingungen, Normalmodenansatz zur Lösung linearer Randwertprobleme, Berechnung und grafische Darstellung der Dispersionsgleichung in dimensionsloser Form.
Block 3
-Physikalische Phänomene bei thermokapillarer Konvektion (V): Oberflächenspannungsgradient, Schubspanungsbilanz an freier Grenzfläche, Grundgleichungen, Definition der Parameter Marangoni-Zahl, Biot-Zahl und Prandtl-Zahl, Einführung in die Strukturbildung bei zellularer Konvektion.
-Lineare Analyse der Bénard-Marangoni-Instabilität (Ü): Bestimmung der kritischen Marangoni-Zahl und der kritischen Wellenzahl, grafische Darstellung der Stabilitätskarte und Bewertung des Einflusses der Biot-Zahl und der Prandtl-Zahl.
Block 4
-Elektromagnetische Kontrolle von Flüssigmetallströmungen mit freier Grenzfläche (V): Einführung in die physikalischen Prinzipien der Magnetohydrodynamik, Wirkung von elektromagnetischen Feldern auf elektrisch leitfähige Fluide, Bildung in Interpretation der Kennzahlen.
-Vorstellung von Modellexperimenten aus eigenen Forschungsarbeiten (Ü): Lorentzkraft-Anemometrie zur berührungsfeien Strömungsmessung, Kontrolle von Tropfen- und Strahlströmungen durch starke statische Magnetfeld, elektromagnetisches Formen von freien Grenzflächen mit hochfrequenten Magnetfeldern.
Teil 2: Zweiphasenströmungen (PD. Dr. Boeck)
Charakterisierung von Zweiphasenströmungen - Strömungsformen und Strömungskarten von Flüssigkeits-Gas-Strömungen - Druckverluste in ein- und zweiphasiger Rohrströmung -  Kelvin-Helmholtz-  Instabilität - Rayleigh-Taylor-Instabilität - Blasenoszillation und Kavitationserscheinungen
media of instructionTafelanschrift, Beamer für Farbbilder und Präsentationen, E-learning über Moodle
literature / referencesTeil 1
J. Zierep: Grundzüge der Strömungslehre, G. Braun Verlag, Karlsruhe
L. D. Landau, E. M. Lifshitz, Course of Theoretical Physics Vol. 6: Fluid Mechanics, Butterworth-Heinemann
P. A. Davison: An Introduction to Magnetohydrodynamics, Cambride University Press
D. Langbein: Capillary surfaces, Springer-Verlag, Heidelberg
A. Frohn, N. Roth: Dynamics of droplets, Springer, Heidelberg
 
Teil 2
C. E. Brennen: Fundamentals of Multiphase flow. Cambridge University Press (2005)
R. Clift, J. R. Grace, M. E. Weber: Bubbles, drops and particles. Dover Publications (2005)
L. Gary Leal: Advanced Transport Phenomena. Cambridge University Press (2012)
Van P. Carey: Liquid-vapor phase change phenomena. CRC Press (2007)
F. Mayinger: Strömung und Wärmeübertragung in Gas-Flüssigkeitsgemischen. Springer (1982)

evaluation of teaching
Details reference subject
module nameApplied Thermo- and Fluiddynamics
examination number2300736
credit points5
SWS4 (2 V, 2 Ü, 0 P)
on-campus program (h)45
self-study (h)105
obligationobligatory module
examwritten examination performance, 90 minutes
details of the certificate
signup details for alternative examinations
maximum number of participants
Details in degree program Diplom Maschinenbau 2017, Master Maschinenbau 2017, Diplom Maschinenbau 2021, Master Technische Kybernetik und Systemtheorie 2021
module nameApplied Thermo- and Fluiddynamics
examination number2300736
credit points5
on-campus program (h)45
self-study (h)105
obligationelective module
examwritten examination performance, 90 minutes
details of the certificate
signup details for alternative examinations
maximum number of participants