Alle Lehrveranstaltungen des Fachgebiets Strömungsmechanik finden Sie auf den Moodle-Seiten der Technischen Universität Ilmenau.

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studentische Arbeiten

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Erstellt: Thu, 28 Mar 2024 23:06:25 +0100 in 0.0715 sec


Berger, Clemens;
Multiphase simulation of turbulent flows of nanofluids with heat transfer in straight tubes of circular cross-section. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

In der heutigen Zeit rasanten technologischen Fortschritts steigt der Bedarf an Lösungen zur Kühlung oder Erwärmung von Gütern, Bauteilen und Räumlichkeiten. Damit verbunden ist auch das Interesse an Forschungsschwerpunkten zu Themen der konvektiven Wärmeübertragung. Ein bestimmter Aspekt dabei bezieht sich auf sogenannte Nanofluide. Der Begriff Nanofluid beschreibt eine Mischung, die hauptsächlich aus einer Flüssigkeit zusammengesetzt ist, welcher in geringem Maße kleinste Feststoffpartikel im Größenbereich von Nanometern hinzugefügt werden. Durch eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit wird sich ein verbessertes Potenzial der konvektiven Wärmeübertragung erhofft. In der vorliegenden Arbeit wird die Wärmeübertragungseigenschaft eines Nanofluids, welches sich aus Isopropanol und Aluminiumoxid zusammensetzt, untersucht. Dazu werden Strömungssimulationen am Modell einer Rohrströmung durchgeführt. Die Auswertung fokussiert sich hauptsächlich auf die Auswertung der dimensionslosen Nusselt Zahl. In den Simulationen werden drei verschiedene Modelle zur Beschreibung der Mehrphasenströmung verwendet. Zuerst durchgeführte Auswertungen der Nusselt Zahl im Falle einer Strömung reinen Isopropanols zeigen, dass die gewählten Modellierungen hinsichtlich Diskretisierung der Geometrie und turbulenten Phänomenen eine genaue Vorhersage in Anlehnung an die theoretische Korrelation nach Gnielinski ermöglichen. Im Fall der Mehrphasenströmung treten verschiedene Hindernisse für die einzelnen Modelle auf. Analysen des Mischungsmodelles belegen, dass die Veränderung der thermischen Leitfähigkeit durch das Hinzufügen der Partikel auf Seite der genutzten Software stark überschätzt wird. Dadurch folgt auch eine Bestimmung stark überhöhter Werte der Nusselt Zahl. Das Eulersche Zwei-Fluid Modell ist auf Grund seiner komplexeren Modellierung der Phaseninteraktionen im Stande, realistische Ergebnisse zu liefern. Ein Vergleich mit von einer Forschungsgruppe experimentell bestimmten Daten liegt in der gleichen Größenordnung. Das dritte Modell, welches die Nanopartikel als diskrete Phase definiert, liefert keine belastbaren Ergebnisse hinsichtlich der Nusselt Zahl. Die gewählte Form zur Beschreibung der Einwirkung turbulenter Dispersion auf ein Partikel führt dazu, dass sich ein großer Teil der zweiten Phase in Wandnähe ansammelt. Die Interaktion mit der flüssigen Phase werden dadurch derartig beeinträchtigt, dass keine realistischen Aussagen getroffen werden können.



Sieder, Julia;
Quantum algorithms for advection-diffusion problems. - Ilmenau. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2023

In der vorliegenden Arbeit soll ein klassisches Problem der Fluidmechanik mit Quantencomputing Algorithmen gelöst werden. Bei den betrachteten Algorithmen handelt es sich um den Harrow-Hassidim-Lloyd (kurz HHL) Algorithmus und den Variational Quantum Algorithmus (kurz VQA). Diese Verfahren werden zur Lösung eines eindimensionalen Konvektions-Diffusions Problems genutzt. Ziel der Untersuchung ist es, in Form einer Machbarkeitsstudie herauszufinden, ob die genannten Quantencomputing Algorithmen für die Lösung des Problems anwendbar sind. Dazu wird die eindimensionale Konvektions-Diffusions Gleichung zunächst analytisch und mit klassisch numerischen Methoden gelöst. Die daraus resultierenden Ergebnisse bilden die Grundlage für den Vergleich mit den Lösungen der Quantencomputing Algorithmen. Die Anwendung der Quantenalgorithmen für das gestellte, strömungsmechanische Problem wird detailliert erläutert. Zuerst wird der HHL Algorithmus betrachtet, welcher als Eingabe das zu lösende Gleichungssystem erhält. Für den Fall der reinen Diffusion kann mit diesem Algorithmus für sehr kleine Systeme eine valide Lösung generiert werden. Bei steigenden Systemgrößen ist der HHL Algorithmus sowohl für reine Diffusion als auch für Konvektion-Diffusion mit Einschränkung anwendbar. Letzteres folgt durch eine ungünstige Verteilung der Eigenwerte im Zahlenraum und somit wird eine sehr hohe Auflösung zur Schätzung der zugehörigen Phasen benötigt. Diese wiederum kann mit einer angemessenen Anzahl an Qubits nicht simuliert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der HHL Algorithmus nicht für die Lösung des gestellten Problems geeignet ist. Der Variational Quanutm Algorithmus verwendet einen hybriden Ansatz, der klassische Optimierung und Berechnungen auf dem Quantencomputer kombiniert. Die mittels VQA erhaltenen Ergebnisse bilden die klassisch berechneten Lösungen der Konzentrationsverteilung qualitativ gut nach. Jedoch kann eine schnellere Diffusion der VQA Ergebnisse festgestellt werden. Gründe hierfür werden in der vorliegenden Diskretisierung vermutet. Die Advektion wird in diesem Algorithmus mit einer Verschiebung des Lösungsvektors um eine Zelle pro Zeitschritt realisiert. Weiterhin wird ein Ausblick gegeben, wie der Variational Quantum Algorithmus hinsichtlich vergrößerter Systeme und veränderten Geschwindigkeiten des Geschwindigkeitsfeldes weiter untersucht werden kann.



Kräuter, Robert;
Application of recurrent neural networks to experimental data of turbulent convection. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2022

In dieser Arbeit wird die Vorhersagbarkeit der vertikalen Komponente der Wirbelstärke in Particle Image Velocimetry Messungen von turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion mit zwei rekurrenten neuronalen Netzen, dem Long Short-Term Memory und dem Reservoir Computing Model, untersucht. Die experimentellen Daten von zwei verschiedenen Rayleigh Zahlen bzw. in verschieden stark ausgeprägter Turbulenz werden verwendet, um die Algorithmen in zwei verschiedenen Szenarien zu trainieren. Im sogenannten Closed-Loop-Szenario wird eine freilaufende Vorhersage der turbulenten Zeitreihe auf Grundlage ihrer historischen Werte generiert und im Open-Loop-Szenario werden die Machine-Learning-Modelle mit hochauflösenden Messdaten trainiert und anschließend mit wenigen verstreuten und ständig verfügbaren Messpunkten betrieben, um den gesamten Messbereich zu rekonstruieren. Die Grundlagen des überwachten Lernens und rekurrenter neuronaler Netze werden erläutert und der Einfluss der verschiedenen Hyperparameter auf die Vorhersagegenauigkeit in beiden Szenarien sowie der Einfluss der Streuung der ständig verfügbaren Messpunkte im Open-Loop-Szenario auf die Qualität der rekonstruierten Aufnahmen wird diskutiert.



Sachs, Sebastian;
Freie Konvektionsprozesse und resultierende Massendifferenzen in Präzisions-Komparatorwaagen. - Ilmenau. - 122 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Im Zuge der steigenden Präzision bei der Wägung von sphärischen 1 kg Masseprototypen gewinnen natürliche Konvektionsprozesse als Quelle systematischer Messabweichungen an Bedeutung. Marginale Temperaturdifferenzen, die zwischen dem Messobjekt und der Umgebung in der Größenordnung weniger Millikelvin vorliegen, beeinflussen das Messergebnis im Mikrogrammbereich. Die vorliegende Masterarbeit thematisiert die thermisch getriebenen Strömungen vor dem Hintergrund der resultierenden Kraftwirkung auf den Massestandard. Auf der Basis von direkten numerischen Simulationen erfolgt die Abstrahierung des Strömungsproblems zunächst zweidimensional unter Anwendung der spektralen Elementmethode. Untersucht wird die ungehinderte Konvektion um den frei in der Ebene positionierten Massestandard in einem quadratischen Rechengebiet für Rayleighzahlen im Bereich von Ra ≤ 4590. Im Kontext einer Parameterstudie werden Randbedingungen und geometrische Einflussgrößen variiert. Zu den wesentlichen Ergebnissen dieser Ausarbeitung gehört die Darstellung der systematischen Messabweichung in Abhängigkeit der vorliegenden Rayleighzahl bzw. Temperaturdifferenz. Die numerischen Berechnungen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit vorangegangenen Messergebnissen im Bereich kleiner Rayleighzahlen, während Unterschiede für steigende Temperaturdifferenzen zunehmen. Weiterhin liegt der Fokus auf der gezielten Strömungsbeeinflussung mithilfe von zusätzlichen Objekten, die oberhalb des Masseprototypen positioniert werden. Neben einer signifikanten Reduzierung der Aufwindkraft wird die vollständige Kompensation der Messabweichung durch die Variation der Randbedingungen und Geometrie der Hindernisse nachgewiesen. Ergänzende Betrachtungen präsentieren eine dreidimensionale Auflösung der Konvektionsstrukturen in einem würfelförmigen Fluidraum. Durch die Implementierung von rotationssymmetrischen Randbedingungen in ein planares Modell wird eine gesteigerte Konvergenz zu den räumlichen Berechnungen erzielt. Die gewonnenen Erkenntnisse liefern einen Beitrag zur Kompensation der konvektiven Mechanismen in realen Hochpräzisionsmessvorrichtungen.



Zinchenko, Georgy;
Investigation of electron spin transport in small-scale vorticity flows. - Ilmenau. - 48 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Eine der Möglichkeiten, Elektrizität aus einem leitenden Fluidstrom wie einem flüssigen Metall mit frei beweglichen Ladungsträgern zu erzeugen, ist die spinhydrodynamische Methode. Dieses Verfahren basiert auf der Kopplung der lokalen Wirbelstärke einer Strömung an die Spins der Elektronen, d. h. ihres inneren Drehimpulses. Motiviert durch kürzlich in Ilmenau und Japan durchgeführte Experimente zu dieser spinhydrodynamischen Kopplung untersuchen wir laminare Strömungskonfigurationen im Detail. In dieser Masterarbeit werden analytische Ergebnisse für laminare Strömungen bei verschiedenen Geometrien und die resultierenden Spannungen gewonnen. In kartesischer Geometrie wurden die ebene Poiseuille Strömung bzw. die Strömung durch einen rechteckigen Kanal untersucht. Es zeigte sich, dass die elektrische Spannung in einem Kanal mit quadratischem Querschnitt ihren Maximalwert annimmt. Die erzeugte Spannung nimmt in einem Rohr fast den gleichen Wert an. Die Deanströmung, eine Strömung in einem helikal geformten Rohr, wird ebenfalls ausführlich besprochen. Der Radius einer Krümmung in der Dean-Strömung hat jedoch keinen Einfluss auf den mittleren elektrischen Strom in axialer Richtung und auf die elektrische Spannung. Das bedeutet, dass die Ergebnisse für die Rohrströmung und für die Dean-Strömung gleich sind. Unter Verwendung des Zusammenhangs zwischen Spinstrom und elektrischem Strom wurde eine elektrische Spannung gefunden, die eine Funktion der mittleren Geschwindigkeit und der geometrischen Größe eines Kanals ist. Die erhaltenen Analyseergebnisse zeigten eine gute übereinstimmung mit den experimentellen Daten für alle untersuchten Geometrietypen.



Vieweg, Philipp;
The impact of different velocity and temperature boundary conditions on turbulent superstructures in Rayleigh-Bénard convection. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Diese Masterarbeit präsentiert hochaufgelöste direkte numerische Simulationen, welche mittels des Nek5000 Spektralelement-Solvers zur Untersuchung des Einflusses verschiedener Geschwindigkeits- und Temperaturrandbedingungen auf turbulente Superstrukturen in Rayleigh-Bénard Konvektion in einer periodischen Domäne mit quadratischem Querschnitt und einem Aspektverhältnis von \Gamma = 60 durchgeführt werden. Abgesehen vom Einfluss der no-slip und free-slip Randbedingungen, sowie der Randbedingungen konstanter Temperatur und konstanter Wärmestromdichte, wird auch die Abhängigkeit von der Rayleigh-Zahl im Bereich von Ra = 10^{4} - 10^{6} für das schwach-nichtlineare sowie das turbulente Regime erforscht. Die Prandtl-Zahl ist mit Pr = 1 festgelegt. Neben der Analyse von vertikalen Profilen von Durchschnitts- und Fluktuationsgrößen wird auch das Auftreten von turbulenten Superstrukturen, insbesondere in der Mittelebene zwischen oberer und unterer Platte, im Orts- und im Fourier-Raum untersucht und quantifiziert. Allgemein zeigt eine Variation der Temperaturrandbedingung einen enormen Einfluss, während sich die Variation der Geschwindigkeitsrandbedingung weniger stark auf die Strukturbildung auswirkt. Analytische Ergebnisse im Rahmen der linearen Stabilitätstheorie von Rayleigh-Bénard Konvektion sagen signifikante Unterschiede bezüglich der verschiedenen betrachteten Temperaturrandbedingungen voraus. Wie herausgefunden wird, bestehen diese Unterschiede auch fernab vom Einsatzpunkt der Konvektion noch fort, da die beobachteten turbulenten Superstrukturen eine große Ähnlichkeit zu den Strukturen am Einsatzpunkt der Konvektion aufweisen. Die Untersuchung der Felder von Temperatur und vertikaler Geschwindigkeit offenbart eine Ausrichtung der Superstrukturen an den lateralen Grenzen in jeder einzelnen Simulation mit der Randbedingung der konstanten Wärmestromdichte. Dieser finale Strömungszustand wird nach sehr langen Simulationen in der Größenordnung von 10^{4} Freifallzeiten erreicht. Das überraschende Ergebnis dieser Masterarbeit ist die Beobachtung von großskaligen Temperaturstrukturen für den Fall der Randbedingung der konstanten Wärmestromdichte für alle untersuchten Rayleigh-Zahlen.



Sanjari, Seyed Loghman;
Simulation of static and moving magnetic obstacles in liquid metals. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

In dieser Arbeit wird die numerische Untersuchung einer druckgetriebenen Strömung in einem rechteckigen Kanal vorgestellt, die zusätzlich durch eine oszillatorische Bewegung von zwei Dauermagneten unterhalb und oberhalb des Kanals beeinflusst wird. Motiviert durch frühere Arbeiten anderer Forscher, die versucht haben, eine Analogie zwischen einer hydrodynamischen Strömung um einen Zylinder und einem leitenden Fluid zu finden, das durch ein lokalisiertes Magnetfeld (magnetisches Hindernis) fließt, ist es das Ziel in der vorliegenden Arbeit herauszufinden, ob die MHD-Strömung um bewegte magnetische Hindernisse Ähnlichkeiten mit der Strömung eines oszillierenden Zylinders aufweist. Ergebnisse dieser Art von Simulationen können für Anwendungen interessant sein, z.B. für das effiziente Mischen von Partikeln in Metallschmelzen. Um die definierten Ziele zu erreichen, wird ein im Institut verfügbarer paralleler FORTRAN-Code auf Finite-Differenzen-Methode verwendet, um die magnetohydrodynamischen Gleichungen mit den entsprechenden Randbedingungen zu lösen. Um ein besseres Verständnis des Strömungsverhaltens zu erhalten und den Code zusätzlich zu validieren, werden zuerst die räumlichen Verteilung von Geschwindigkeit und Wirbelstärke für zwei Fälle, Re = 400, Ha = 70 und Re = 900, Ha = 90 unter der Wirkung eines unbewegten magnetischen Hindernisses, vorgestellt und ausführlich besprochen. Während die Schwingungsamplitude als konstant angenommen wird, wird der Effekt der harmonischen Bewegung der Magneten für einen weiten Frequenzbereich untersucht. Der auffälligste Unterschied für Re = 400 tritt bei f 0.03 auf, bei dem die laminare Strömung nach einer langen Konvektionszeit trotz der geringen Reynoldszahl, in ein turbulentes Regime übergeht. Die Abhängigkeit der Lorentzkraft in Strömungs- und Spannungsrichtung von der Oszillationsfrequenz als Äquivalent zur Widerstands- und Auftriebskraft in hydrodynamischen Strömungen um einen Zylinder wird ebenfalls gefunden. Weiterhin wird gezeigt, dass sich das Verhalten dieser Abhängigkeit für die Strömung um einen Zylinder und die MHD-Strömung um bewegte magnetische Hindernisse ähneln. Andererseits sind bei Re = 900 die turbulenten bursts weit hinter dem magnetischen Hindernis in allen Fällen zu sehen. Weiterhin wird ein neues Nachbearbeitungsverfahren (Proper Orthogonal Decomposition) durchgeführt, um die kohärenten Strukturen zu extrahieren. Interessanterweise haben die dargestellten POD-Modi niedriger Ordnung eine gute Ähnlichkeit mit den bekannten POD-Strömungsmodi um Staukörper.



Wissinger, Marco;
Experimentelle und numerische Untersuchung von Heatpipes zur Entwärmung von Elektromotoren. - Ilmenau. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von Wärmerohren (Heatpipes) als Wärmeübertragungselemente in einem Elektromotor. Ziel ist es, die komplexen inneren Strömungs- und Transportvorgänge durch ein vereinfachtes Ersatzmodell darzustellen. Die Implementierung in eine aufwendige numerische Strömungssimulation eines realen Elektromotors wird somit ermöglicht. Ausgehend von theoretischen Betrachtungen aus der Literatur werden zunächst einzelne Einflussfaktoren auf die Wärmeübertragungseigenschaften experimentell untersucht. Als relevante Einflussgrößen haben sich die Gravitation, die Gesamtlänge, die Kontaktierung, der Durchmesser und die Biegung herauskristallisiert. Auf der Grundlage der erzielten experimentellen Voruntersuchungen wird ein numerisches Kalibrierungsverfahren verwendet, um damit verschiedene Funktionen zu generieren, welche den thermischen Widerstand der Heatpipe in Abhängigkeit der Einflussgrößen beschreiben. Durch die Berechnung einer effektiven Wärmeleitfähigkeit ist es somit möglich, dem Modell des Wärmerohrs in der Strömungssimulation entsprechende Eigenschaften zuzuweisen, welche die Realität in guter Näherung abbilden. Diese Aussage kann durch den gezogenen Vergleich zwischen den experimentell und simulativ erzielten Temperaturverteilungen im Elektromotor untermauert werden. Letztlich konnte das große Potential der Wärmerohrtechnologie für den Einsatz in den Elektromotoren von ebm-papst bestätigt und ein Modell erzeugt werden, welches im zukünftigen Entwicklungsprozess neuer Motorgenerationen bei ebm-papst eingesetzt werden kann.



Schildhauer, Toni;
Characterisation of microfluidic fuel cells by numerical simulations. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Diese Arbeit zeigt die numerische Simulation einer neuen mikrofluidischen Brennstoffzelle. Aufgrund der niedrigen Reynolds-Zahlen fließen Brennstoff und Oxidationsmittel im laminaren Fluss nebeneinander, ohne durch Advektion vermischt zu werden, jedoch in diffusivem Kontakt. Deshalb wird keine Membran gebraucht, die normalerweise Brennstoff und Oxidationsmittel voneinander trennt. Die erleichtert die Miniaturisierung der Brennstoffzelle. Wegen der hohen theoretischen Leistungsdichte haben mikrofluidische Brennstoffzellen das Potenzial, den immer höher werdenden Energiebedarf tragbarer Geräte, wie Smartphones oder neuer medizinische Diagnosegeräte, zu erfüllen. Obwohl membranlose Brennstoffzellen bereits vor rund 15 Jahren erfolgreich getestet worden, sind sie noch nicht in heutigen Geräten zu finden. Infolge des laminaren Flusses strömt verbrauchter Brennstoff nicht von der Elektrode weg und eine Verarmungsschicht bildet sich entlang der Elektrode aus. Deswegen haben mikrofluidische Brennstoffzellen einen sehr geringen Brennstoffverbrauch und eine geringe Leistungsdichte. Ein neues Brennstoffzellen-Design mit einem gekrümmten Kanal soll den Effekt der Verarmungszone vermindern. Sekundärströmungen, sogenannte Dean-Wirbel, entstehen in gekrümmten Kanälen und sind in der Lage verbrauchten Brennstoff weg von der Elektrode zu transportieren und zeitgleich frischen Brennstoff hin zur Elektrode zu bewegen. Ein Modell der existierenden gekrümmten Brennstoffzelle wird in der kommerziellen Software Comsol angefertigt. Dazu werden das verwendete numerische Netz und das mathematische Modell der physikalischen und elektrochemischen Vorgänge getestet und überprüft. Des Weiteren wird der Einfluss der Dean-Strömung auf die Brennstoffzelle untersucht. Eine Parameterstudie dient dem Finden optimaler Parametereinstellungen für kommende Experimente. Dabei werden der Volumenströme, Konzentrationen und die Querschnittsfläche des Kanals geändert und deren Einfluss auf die Brennstoffzellenleistung analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der gekrümmte Kanal eine deutliche Verbesserung zum normalen geraden Kanal ist. Jedoch ist das bestehende Brennstoffzellen-Design nicht optimal, um die Vorzüge der Dean-Strömung in einer mikrofluidischen Brennstoffzelle aufzuzeigen. Basierend auf den erlangten Ergebnissen werden Vorschläge zur weiteren Verbesserung der Mikrobrennstoffzelle gemacht.



Wen, Gui;
Untersuchung zur Strukturbildung und -dynamik in Rayleigh-Bénard-Konvektion bei großem Aspektverhältnis. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

In der vorliegenden Arbeit wurde die Einfarben-laserinduzierte Fluoreszenz (Rhodamin B) und Zweifarben-laserinduzierte Fluoreszenz (Rhodamin B und Fluorescein-Dinatrium) erfolgreich zur Messung von Temperaturfeldern in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion bei großem Aspektverhältnis mit Wasser angewendet. Diese Studie beschäftigt sich mit der Untersuchung zweidimensionaler großskaliger Strömungsmuster und ihrer Dynamik in horizontalen Ebenen. Das Experiment besteht aus einer Konvektionszelle, Kühl- und Heizplatte, einem Lasermodul, Kameras, einem Strahlteiler und einer Bildverarbeitungssoftware. Als Temperatur-Tracer wurden Rhodamin B und Fluorescein-Dinatrium eingesetzt. Die Spektren der Fluoreszenzintensität werden geprüft und deren Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bewiesen. Mit der Bildverarbeitungssoftware wird die Kalibration von Temperaturen ermöglicht. Die Rohdaten der Bilder werden mit Hilfe der Software DaVis 8.4 verarbeitet. Die Kohärenzlängen des Strömungsmusters wurden mit der Software ImageJ extrahiert und die Abhängigkeit von der Rayleighzahl untersucht.