Technische Universität Ilmenau

Angewandte Thermofluiddynamik - Modultafeln der TU Ilmenau

Die Modultafeln sind ein Informationsangebot zu den Studiengängen der TU Ilmenau.

Die rechtsverbindlichen Studienpläne entnehmen Sie bitte den jeweiligen Studien- und Prüfungsordnungen (Anlage Studienplan).

Alle Angaben zu geplanten Lehrveranstaltungen finden Sie im elektronischen Vorlesungsverzeichnis.

Informationen und Handreichungen zur Pflege von Modulbeschreibungen durch die Modulverantwortlichen finden Sie unter Modulpflege.

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Modulinformationen zu Angewandte Thermofluiddynamik im Studiengang Master Technische Kybernetik und Systemtheorie 2014
Modulnummer7456
Prüfungsnummer2300160
FakultätFakultät für Maschinenbau
Fachgebietsnummer 2346 (Technische Thermodynamik)
Modulverantwortliche(r)Prof. Dr. Christian Cierpka
TurnusWintersemester
SpracheDeutsch
Leistungspunkte3
Präsenzstudium (h)22
Selbststudium (h)68
VerpflichtungWahlmodul
Abschlussmündliche Prüfungsleistung, 30 Minuten
Details zum Abschluss
Anmeldemodalitäten für alternative PL oder SL
max. Teilnehmerzahl
VorkenntnisseStrömungsmechanik
höhere Ingenieursmathematik
Lernergebnisse und erworbene Kompetenzen

Nach der Vermittlung der physikalischen Mechanismen der Grenzflächenphänomen sollen die Studierenden in der Lage sein, - Grenzflächenprobleme ingenieursmäßig zu analysieren, - die physikalische und mathematische Modellbildung zu beherrschen, - die problemspezifischen Kennzahlen zu bilden und physikalisch zu interpretieren, - die mathematische Beschreibung sicher zu verwenden, - analytische Lösungsansätze gezielt auszuwählen, - die erzielten Lösungen zu diskutieren und auf ihre Plausibilität prüfen zu können. In der Vorlesung wird Fachkompetenz vermittelt, die auf aktuelle Forschungsprojekte des Fachgebiets Thermo- und Magnetofluiddynamik beruht. Die Studierenden werden durch die Möglichkeit der Bearbeitung von 3 komplexen Semesteraufgaben in das wissenschaftliche Arbeiten eingeführt. Für die Bearbeitung können bis zu 30% Bonuspunkte für die Abschlussprüfung erworben werden.

Inhalt

Teil 1: (Prof. Dr. Karcher)

Teil 1 untergliedert sich in vier Blöcke mit Vorlesungen (V) und zughörigen Übungen (Ü).

Block 1: Phanömene an freien Grenzflächen

V 1: Physikalische Phänomene an stationären freien Grenzflächen

Oberflächenspannung und Kapillarität; Messmethoden zur Bestimmung der Oberflächenspannung; Steighöhen in Kapillaren; Tropfen- und Blasenbildung; Young-Laplace-Gleichung; Begriff der Kapillarlänge und Kapillarzeit; Kennzahlen der ATFD.

Ü 1: Berechnung von statischen Meniskuskonturen

Einführung in die Differenzial-Geometrie; Krümmung von Kurven und Flächen; analytische Integration der Young-Laplace-Gleichung; Meniskuskontur einer benetzenden Flüssigkeit an einer senkrechten Wand; grafische Darstellung in dimensionsloser Form.

V 2: Physikalische Phänomene an instationären freien Grenzflächen

Begriff der hydrodynamischen Stabilität; Charakterisierung von Kapillar- und Schwerewellen; Dispersion; Phasengeschwindigkeit; Gruppengeschwindigkeit.

Ü 2: Kapillar- und Schwerewellen

Einführung in die lineare Stabilitätsanalyse dynamischer Systeme; Linearisierung von Bewegungsgleichungen und Randbedingungen; Normalmodenansatz zur Lösung linearer Randwertprobleme; Berechnung und grafische Darstellung der Dispersionsgleichung in dimensionsloser Form.

V 3: Elektromagnetische Kontrolle von Flüssigmetallströmungen mit freier Grenzfläche

Einführung in die Prinzipien der Magnetohydrodynamik; Wirkung von elektromagnetischen Feldern auf elektrisch leitfähige Fluide; Bildung und Interpretation der Kennzahlen.

Ü 3: Rayleigh-Plateau-Instabilität mit Magnetfeldeinfluss

Heuristische Stabilitätsbetrachtungen; Theoretische Modellierung; Experimentelle Untersuchungen.

Block 2: Anwendung Geothermie

V: Definition und Übersicht; Grundlagen; Einteilung; Eigenschaften.

Anwendung 1: Wärmepumpenprozess; Anwendung 2: Erdwärmekollektor; Anwendung 3: Stirling-Motor.

Ü: Berechnung und Auslegung von Kaltdampf-Kompressions-Wärmepumpen, Berechnung und Auslegung von Erdwärmekollektoren, Berechnung und Auslegung von Stirling-Motoren.

Block 3: Meerwasserentsalzung

V: Ziel, Definitionen und Übersicht; Verfahren mit und ohne Phasenwechsel; Anwendung 1: Solarthermische Entsalzung; Anwendung 2: Mehrstufige Entspannungsverdampfung; Anwendung 3: Entsalzung mittels Umkehrosmos; Anwendung 4: Membrandestillation; Anwendung 5: Ionenkraft-Entsalzung,

Ü: Berechnung und Auslegung von Entsalzungsanlagen mit Abwärme von Schiffs-Antrieben; Freie Enthalpie und chemisches Potenzial.

 

Teil 2: (PD. Dr. Boeck)

Teil 2 untergliedert sich in vier Blöcke mit Vorlesungen (V) und zughörigen Übungen (Ü).

Block 1: Lineare Stabilitätstheorien für ebene Grenzflächen mit Grundströmung

V: Kelvin-Helmholtz- und Rayleigh-Taylor-Instabilität

Linearisierung der Eulerschen Gleichungen und Randbedingungen; kinematische und dynamische Randbedingungen; Herleitung der Dispersionsrelationen.

Ü: Entdimensionierung der Dispersionsrelationen; qualitativer Verlauf; maximale Wachstumsraten und zugehörige Wellenzahlen; anfachende und dämpfende Mechanismen.

V: Bénard-Marangoni-Instabilität

Oberflächenspannungsgradient; Schubspanungsbilanz an freier Grenzfläche; Grundgleichungen; Definition der Parameter Marangoni-Zahl, Biot-Zahl und Prandtl-Zahl; Einführung in die Strukturbildung bei zellularer Konvektion.

Ü: Lineare Analyse der Bénard-Marangoni-Instabilität; 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 2: Gas-Flüssigkeits-Strömung in Rohren

V: Einführung und phänomenologische Beschreibung

Definition; Klassifikation; Erscheinungsformen; Strömungskarten.

V: Bilanzgleichungen in eindimensionaler Formulierung

Massen- und Impulsbilanz für einphasigen Fall; homogenes und separates Modell sowie Driftströmungsmodell für zweiphasigen Fall.

Ü: Druckverlust in laminarer und turbulenter einphasiger Rohrströmung.

Ü: Lockhart-Martinelli-Ansatz für Druckverlust in separater zweiphasige Strömung im laminaren und turbulenten Fall.

Block 3: Blasendynamik

V: Statisches und dynamisches Verhalten im ruhenden Medium

Gleichgewichtsbedingung; Rayleigh-Plesset-Gleichung; Stabilität der statischen Lösung; Blasenoszillation bei kleinen periodischen Druckschwankungen.

Ü: Bjerknes-Kraft auf Blasen im Druckfeld einer stehenden Schallwelle.

V: Dynamik bei starken Druckschwankungen

Blasenkollaps und Kavitation; Kavitationsbedingung; Wirkung auf Oberflächen.

Medienformen

Tafelanschrift, Beamer für Farbbilder

Literatur

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

Lehrevaluation

Pflichtevaluation:

WS 2013/14 (Fach)

Freiwillige Evaluation:

Hospitation: