Applied Thermofluiddynamics - Interactive curriculae of TU Ilmenau

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.

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.

Tafelanschrift, Beamer für Farbbilder

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