Themen für Bachelor- und Masterarbeiten des Fachgebietes

Bachelor- /Masterarbeit

Evaluierung der Effizienz von Belüftungskonzepten gegen Aerosol-Ausbreitung

Betreuer: Andreas Kohl  (DLR Göttingen)

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Abgeschlossene Studienabschlussarbeiten

Anzahl der Treffer: 19
Erstellt: Sat, 18 May 2024 23:05:59 +0200 in 0.1099 sec


Schneider, Julien;
Staubteufel - Generierung und Vermessung staubteufelartiger Strukturen im "Ilmenauer Fass". - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser Masterarbeit wurde eine experimentelle Untersuchung von atmosphärischen Staubteufeln in einer kontrollierten Laborumgebung durchgeführt. Staubteufel sind eine der häufigsten kohärenten Strömungsstrukturen der atmosphärischen Grenzschicht. Sie bestehen aus einer wirbelnden Luftsäule mit vertikaler Achse und werden durch die von ihnen angehobenen Partikel sichtbar gemacht. Staubteufeln wird ein nicht unerheblicher Einfluss auf das Klima und das Strahlungsbudget der Erde zugerechnet. Trotz zahlreicher Feldstudien zu diesem Phänomen sind die Entstehungs- und Erhaltungsmechanismen noch nicht vollständig verstanden, auch da Messungen im natürlichen Umfeld durch ihr unvorhersehbares Auftreten erschwert werden. Um einige Limitierungen von Feldstudien zu umgehen, wird in dieser Arbeit das Strömungsfeld der großskaligen Rayleigh-Bénard-Zelle des Ilmenauer Fasses untersucht, da sich hier ähnliche Bedingungen für die Entstehung von Staubteufeln ergeben. Die Ermittlung des Geschwindigkeitsfeldes erfolgte mit der Particle Tracking Velocimetry. Dabei wurden mit Helium gefüllte Seifenblasen als Tracerpartikel verwendet und die Berechnung der Trajektorien erfolgte mit dem Algorithmus Shake-the-Box. Die Detektion der Strukturen erfolgt mit einem vorgestellten Verfahren, das auf Basis des Geschwindigkeitsfeldes eine Wahrscheinlichkeit für einen vorhandenen Vortex bestimmt. Damit war die Detektion von Strukturen mit einem Durchmesser von mindestens etwa 100 mm zuverlässig möglich. Für die Auswertung wurde eine Fluidsimulation mit den ermittelten Trajektorien als Randbedingung durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Strömungsstruktur der detektierten Wirbel ähnlich zu der von atmosphärischen Staubteufeln ist. Diese Ähnlichkeit erstreckt sich auch auf bekannte Korrelationen in Staubteufelparametern über den gesamten Datensatz. Damit konnte gezeigt werden, dass die Rayleigh-Bénard-Konvektion ein sinnvolles Werkzeug für die Untersuchung der Entstehung von Staubteufeln darstellt.



Kohl, Andreas;
Entwicklung eines Systems zur experimentellen Simulation der Atmung von Passagieren. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

In dieser Arbeit wird ein mobiles menschliches Atemsimulationssystem entwickelt und getestet, welches die Funktionen der Thermischen Menschmodelle am Deutschen Zentrum für Luft und -Raumfahrt (DLR) zur Untersuchung von Kabinenströmungen und Thermischem Komfort von Passagieren ergänzen soll. Thermische Menschmodelle simulieren hierbei die Geometrie und Wärmezufuhr einer realen Person, sowohl durch Wäremestrahlung und Wärmeleitung, als auch durch natürliche Konvektion, angetrieben durch den Temperatur- und Dichtegradienten der Luft nahe des Modells. Auf diese Strömung hat auch die menschliche Atmung einen Einfluss, die mit dem zu entwickelnden System möglichst präzise simuliert werden soll. Eine weitere wichtige Funktion des mobilen Atemsimulationssystems ist die genaue Dosierung des bei der menschlichen Atmung produzierten Atemgases CO2. Es wirkt sich nachweislich auf die Konzentrationsfähigkeit und Produktivität des Menschen aus und moderne Belüftungssysteme, wie sie in Zügen oder Büros installiert sind, stellen den Frischluftanteil oft anhand dieses Parameters ein. Die Ergebnisse einer Literaturrecherche zeigen die grundlegenden Eigenschaften der menschlichen Atmung und bisherige experimentelle und numerische Arbeiten zu Atemsimulationssystemen auf. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen in den Entwicklungsprozess mit ein. Zu den Funktionen des Systems gehört das Einatmen, Analysieren der Atemluft, Anreichern der Luft mit Kohlendioxid (CO2) und anschließendem Ausatmen der Luft. Außerdem wird eine detaillierte menschliche Gesichtsmimik konstruiert und mittels 3D-Druck-Verfahren hergestellt, welche die menschliche Atmung durch die Nase hinsichtlich des Strömungsprofils beim Ein- und Ausatmen nachbildet, und mit einem Schlauch an das Atemsystem angeschlossen wird. Mit einem Spurengasmesssystem, dass an das experimentelle Atemsystem angeschlossen werden kann, kann die Ausbreitung der simulierten Atemgase und somit auch die Ausbreitung von Krankheitserregern wie dem neuen COVID-19 Virus, das sich über Aerosole in der Atemluft verbreitet, untersucht werden. Das Atemsystem wird schließlich in einem generischen Zuglabor an einem thermischen Menschmodell installiert und die erzeugte Atemströmung und Verteilung des CO2 durch die experimentelle Atmung im Zugabteil wird untersucht. Dabei werden auch die Eigenschaften der verbauten Sensoren, welche den Volumenstrom des Atemsystems und den CO2-Gehalt, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit der inhalierten Luft analysieren, überprüft. Das System erzeugt ein realistisches sinusfömiges Atemprofil durch die Nase, dass dem eines Menschen gleicht und dosiert die gewünschte Menge CO2 über ein Magnetventil in den Balgzylinder, welcher die menschliche Lunge simuliert. Die künstlich erzeugte CO2-Verteilung im generischen Zuglabor unterschied sich jedoch von der eines realen Menschen. Detailliertere Studien zu vorherrschenden Strömung der Kabinenluft können möglicherweise mehr Einblick verschaffen. Das Atemsystem kann ebenfalls einen Anstieg des CO2-Gehaltes durch einen Menschen auf dem benachbarten Sitzplatz detektieren.



Domanov, Evgenii;
Experimentelle Untersuchung des Temperaturfeldes in turbulenter Konvektionsströmung. - Ilmenau. - 43 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Im Rahmen dieser Arbeit werden experimentelle Untersuchungen der thermischen Dissipationsrate in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion durchgeführt. Dafür werden die dreidimensionalen Temperaturgradienten nahe der Kühlplatte des weltweit größten Rayleigh-Bénard-Experiments, dem sogenannten Ilmenauer Fass, bei einer Rayleigh-Zahl Ra=1,84&hahog;10^9 und einem Aspektverhältnis Gamma=8 gemessen. Für eine zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Messung der dreidimensionalen Temperaturgradienten wurde eine Multithermistorsonde entwickelt. Sie besteht aus vier Mikrothermistoren, die sehr nahe beieinander angeordnet sind. Durch die instantanen Temperaturmessungen an vier Punkten und dem bekannten Abstand zwischen ihnen können die drei Komponenten des Temperaturgradienten berechnet werden. Um die Messung durchzuführen, wurde ein geeignetes Messsystem im Ilmenauer Fass aufgebaut und in Betrieb genommen. In dieser Arbeit werden der Messprozess und die entsprechenden Vorbereitungsmaßnahmen beschrieben. Nach der Messung folgt die Datenverarbeitung, insbesondere die "in situ"-Kalibrierung der Multithermistorsonde und eine Koordinatentransformation, mit deren Hilfe die lokalen dreidimensionalen Temperaturgradienten bestimmt werden. Dadurch wurden zuerst die zeitlich gemittelten vertikalen Verläufe dieser drei Temperaturgradienten nahe der Kühlplatte errechnet. Danach wurde eine ausführliche statistische Analyse der Temperaturgradienten durchgeführt. Zunächst wurden die statistischen Kenngrößen für jede Messstelle bestimmt, woraus sich drei Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften der Strömung entlang der vertikalen Achse erkennen ließen. Im zweiten Schritt wurde von jedem Bereich ein charakteristischer Punkt gewählt, für den die Häufigkeitsverteilungen der drei Komponenten des Temperaturgradienten ermittelt wurden. Dabei konnte herausgefunden werden, dass nahe der Kühlplatte (z=0,8 mm) die Schwankungen des dreidimensionalen Temperaturgradienten vor allem durch die vertikale Komponente verursacht wird. Im Inneren der thermischen Grenzschicht, d.h. in einer Entfernung von 10mm von der Kühlplatte, ist eine Erhöhung der Schwankungen der horizontalen Komponente zu sehen. Dies weist darauf hin, dass an dieser Messstelle Plumes entstehen, die die Turbulenz der Strömung verstärken. Mit größerer Entfernung (z=149,95 mm) von der Kühlplatte werden die Schwankungen des Temperaturgradienten kleiner, aber die Häufigkeitsverteilungen haben eine asymmetrische Form. Man kann vermuten, dass dort noch gelegentlich Plumes auftreten. Zum Schluss wurde das vertikale Profil der mittlere thermischen Dissipationsrate nahe der Kühlplatte bestimmt und mit dem Ergebnis frühere Messungen verglichen.



Belyshko, Vladimir;
Experimentelle Untersuchung des Geschwindigkeitsfeldes in turbulenten Konvektionsströmungen. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Im Rahmen dieser Masterarbeit wird es beschrieben, wie man eine von modernen Messmethoden, 3D-PTV, für Untersuchung des Geschwindigkeitsfeldes in turbulenten Konvektionsströmungen verwendet. Es gibt Information über diese Methode, und anderen Methoden, die heutzutage benutzt werden. Als Kalibrierungsmethode wird sogenannte Dumbbell-Kalibrierung durchgeführt. Für Datenanalyse wird die Software "Open Source Particle Tracking Velocimetry" (OpenPTV) verwendet, die dafür installiert und eingestellt wurde. Mit Hilfe dieser Software wurden insgesamt 5900 Bilder von 4 CCD-Kameras bearbeitet. Damit wurden diese Kameras kalibriert. Die Messdaten vom Experiment zur thermischen Konvektion im Messverfahren "Ilmenauer Fass" wurden bearbeitet. Als Ergebnisse dieser Bearbeitung wurden die Trajektorien von Partikeln, ihre Geschwindigkeit und ihre Beschleunigung erhalten und visualisiert.



Lösch, Alice;
Stereoskopische Particle-Image-Velocimetry-Messungen am Konvektionsexperiment Ilmenauer Fass. - Ilmenau. - 108 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Inhalt der vorliegenden Arbeit ist der Aufbau und die Inbetriebnahme eines Stereoskopischen Particle Image Velocimetry (PIV)-Messsystems am Ilmenauer Fass, welches ein großskaliges Rayleigh-Bénard-Experiment darstellt. Bei der Messmethode PIV wird die Geschwindigkeit einer Strömung unter Zugabe von Partikeln gemessen. Durch eine Optik wird ein Laserlichtschnitt erzeugt, welcher die Partikel beleuchtet. Mithilfe von Kameras werden aufeinanderfolgende Momentaufnahmen der Strömung erstellt. Anhand der Bilder kann die Geschwindigkeit der Partikel näherungsweise berechnet werden. Das zur Verfügung stehende PIV-Messsystem ist jedoch für kleine Geometrien ausgelegt und kann nicht einfach in großen Modellexperimenten angewendet werden. Aus diesem Grund ist das erste Ziel dieser Arbeit das PIV-Messsystem an eine große Messfläche anzupassen. Im nächsten Schritt soll gezeigt werden, dass mit dem experimentellen Aufbau eine Messung der globalen Strukturen möglich ist. Diese Strukturen manifestieren sich aus der Turbulenz und werden als Konvektionsrollen bezeichnet. Sie können innerhalb von Rayleigh-Bénard-Zellen beobachtet werden. Dabei ist deren Muster von dem Aspektverhältnis Gamma (Verhältnis aus horizontaler zur vertikalen Ausdehnung) der Zelle abhängig. In der Grundlagenforschung konnte die räumliche und zeitliche Dynamik der Zirkulationen bisher nicht vollständig aufgeklärt werden. Für ein Aspektverhältnis von Gamma = 3 in einem großskaligen Modellexperiment ist die Form und die Lebensdauer der Konvektionsrollen unbekannt und soll aus diesem Grund anhand der Aufnahmen näher charakterisiert werden. Innerhalb dieser Arbeit kann aufgezeigt werden, wie sich stabile Strömungsmoden, auch unter dem Phänomen von Richtungswechseln, über einen längeren Zeitraum verhalten. Somit soll die Arbeit einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Strömungsmesstechnik am Ilmenauer Fass leisten und eine Grundlage zur Untersuchung von charakteristischen Strömungsstrukturen schaffen.



Hertlein, Anna;
Messung des konvektiven Wandwärmestromes am Ilmenauer Fass. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Applikation von Wärmestromsensoren zur Messung der Wärmestromdichte in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion. Zunächst fand eine Charakterisierung der Wärmestromplatten statt, indem versucht wurde, die werkseitige Kalibrierung zu verifizieren beziehungsweise gegebenenfalls zu verbessern. Dazu wurden Experimente entwickelt, die die Vorhersage einer theoretischen Wärmestromdichte zulassen. Allerdings konnte mit vertretbarem Aufwand kein Experiment gefunden werden, welches sich für eine Neukalibrierung eignen würde. Im zweiten Schritt wurde das Messverfahren mit den Wärmestromplatten für thermische Konvektionsströmungen an freien Oberflächen validiert. Messungenauigkeiten aufgrund von Wärmestrahlung, die an freien Oberflächen neben der Konvektion auftreten, wurden abgeschätzt, verglichen und mit Hilfe einer Goldbeschichtung eliminiert. Weiterhin erfolgte eine Untersuchung des Einflusses der Einbauart auf das Messergebnis. Die Wärmestromplatten wurden zum einen in Vertiefungen eingebracht und zum anderen direkt auf der Oberfläche positioniert. Die Analyse der Messergebnisse von den unterschiedlichen Einbaukonfigurationen ergab, dass das Einkleben der Wärmestromplatten in Vertiefungen die geeignetere Variante zur Installation der Wärmestromplatten ist. Weiterhin wurden jeweils fünf Wärmestromplatten in die Heizplatte und in die Kühlplatte eines zylindrischen Rayleigh-Bénard-Experimentes (D=7,15m, H=0,2-6,30m) eingebaut. Die Entwicklung einer Technologie ermöglichte die Integration der Wärmestromplatten in Vertiefungen. Ein Fräskopf wurde eigens für diese Anwendung gefertigt und eine dazu passende Fräsmaschine so an ein Gestell montiert, dass die Fertigung im Inneren der Rayleigh-Bénard-Zelle möglich war. Mit dieser konstruierten Vorrichtung gelang es, die Vertiefungen sowohl in die Heiz- als auch in die Kühlplatte zu fräsen. Zuletzt wurde eine Testmessung in Luft bei einer Rayleigh-Zahl von Ra=2,98 10^9 und einem Aspektverhältnis von [Gamma]=7,15 durchgeführt. Dabei konnte herausgefunden werden, dass die Größenordnung der Wärmestromdichten mit anderen Arbeiten vergleichbar ist. Weiterhin wurde eine Asymmetrie der Wärmestromdichten zwischen der Heiz- und der Kühlplatte sowie eine Invarianz der lokalen Wärmestromdichten festgestellt. Der Einfluss der Wärmestrahlung konnte anhand dieser Messung erneut festgestellt und verifiziert werden.



Thieme, Thomas;
Aerodynamische Untersuchung von Hochgeschwindigkeitszügen beim Dynamischen Flügeln mittels Piezowaagen und PIV. - 103 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse von Kraft- und PIV-Messungen einer Tandemanordnung von zwei Zugmodellen (Typ: Next Generation Train 2) im Maßstab 1:50 bei unterschiedlichen Abständen zwischen den beiden Zugmodellen. Die experimentellen Untersuchungen wurden bei einer Reynoldszahl von 2, 4 &hahog; 10 5 im Wasserschleppkanal (WSG) im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Göttingen durchgeführt. Mit Hilfe einer eingehängten Bodenplatte wurden realistische Bedingung für die Unterbodenströmungen geschaen. Der Abstand der beiden Züge variierte zwischen 1,2 % und 60% einer Zuglänge. Im Vergleich zu einem Einzelzug konnte der aerodynamische Widerstand des nachfahrenden Zuges um maximal 32 % und der Widerstand des vorderen Zuges um bis zu 12 % reduziert werden. Der Gesamtwiderstand des Zugverbundes erreichte eine maximale Einsparung von 16 % im Vergleich zu zwei Einzelzügen. Die Geschwindigkeitsfelder zwischen den Zugmodellen wurden mit Hilfe von PIV (Particle Image Velocimetry) untersucht. Dabei konnten beim kleinsten Abstand (1,2 %) starke aerodynamische Wechselwirkungen zwischen den beiden Zugmodellen festgestellt werden. Durch einen Bereich mit reduzierter Relativgeschwindigkeit entstand ein verringerter Staudruck am zweiten Zug und dadurch ein geringerer aerodynamischer Widerstand. Bei größeren Abständen (36 % und 48 %) traten Wirbelstraßen im Nachlauf des ersten Zuges auf, die sich vorteilhaft auf den Widerstand des zweiten Zuges auswirkten.



Stuprich, Jakob;
Micro-machined probe of temperature-gradient in 3D. - 39 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

In dieser Arbeit wird ein Sensor vorgestellt, mit dessen Hilfe die Lufttemperatur in einer turbulenten Strömung in einem Rayleigh Bénard Experiment in Ilmenau gemessen werden soll. Der Sensor, der diese Aufgabe momentan ausführt, misst die Temperatur lediglich an einem einzelnen Ort und erreicht dabei Ansprechzeiten von etwa 80ms. Der neue Sensor soll hingegen außer einer schnelleren Ansprechzeit außerdem die Temperatur an mehreren Orten mit einer Auflösung von 1mm zur gleichen Zeit erfassen können und somit die Möglichkeit zur Messung des Temperaturgradienten bieten. Der Sensor wird mithilfe von Reinraumtechnologie hergestellt was die Herstellung von Dünnschichtstrukturen erlaubt. Mithilfe einer Polyimidfolie kann das System hergestellt werden. Die Dicke dieser Folie ist 25 [my]m und wird ihrerseits auf einen Keramikring geklebt der zur Fixierung dient. Die Sensorelemente, die auf der Polyimidschicht aufgebracht sind, sind als gesputterte Platinwiderstände ausgeführt die durch einen Liftoffprozess strukturiert werden. Der temperaturveränderliche Widerstandswert der Platinschicht kann dann mithilfe von niederresistiven, 300nm dünnen Goldbahnen gemessen werden. Die Goldbahnen werden in einem Lithografieprozess mithilfe eines nasschemischen Ätzverfahrens hergestellt. Die Widerstandsmessungen der elektrischen Strukturen bei Umgebungstemperatur nach Abschluss der Herstellung zeigen, dass 75% der Sensorelemente auf den insgesamt sechs hergestellten Sensoren funktionstüchtig sind. Es wird geschätzt, dass die Ansprechzeit zwischen 2ms und 20[my]s liegt.



Hillebrand, Sven Stefan;
Aerodynamik Paket für einen Formula Student Rennwagen. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen eines Aerodynamik-Paketes auf das Fahrverhalten des Formula Student Fahrzeuges TSC-03E des Team Starcraft e.V. untersucht. In numerischen Simulationen mittels ANSYS Fluent wurden die auf das Fahrzeug wirkenden aerodynamischen Kräfte während einer Fahrt mit $\unit[30]{\frac{m}{s}}$ für eine Fahrzeugkonfiguration mit Aerodynamik-Paket und eine Konfiguration ohne Aerodynamik-Paket bestimmt. Daraus wurden Widerstands- und Auftriebsbeiwerte bestimmt und über eine Kräftebilanz die Auswirkung auf die Balance des Fahrzeugs ermittelt. Außerdem wurde eine Fehlerabschätzung für die berechneten Kräfte durchgeführt. Anhand von Datenaufzeichnungen eines vergangenen Wettbewerbs wurde ermittelt, welche Kurvengeschwindigkeit dort erreicht werden. Mit Hilfe der Beiwerte wurde abgeschätzt, welche Kräfte sich bei diesen Geschwindigkeiten einstellen. Diese Kräfte wurden ins Verhältnis zu den statischen Radkräften gesetzt, um den Nutzen des Aerodynamik-Paketes zu bewerten.



Chandra, Vivien;
Modelling of a high-dynamics electronics for temperature-regulated hot wire anemometry. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

In dieser Arbeit wird ein Reglerentwurf für eine Constant Temperature Anemometer (CTA) vorgestellt, der auf einem FPGA implementiert wird. Durch die nicht-sequentielle Ausführung des FPGAs soll das Design eine Regelkreisfrequenz bis zu 10 MHz aufweisen, wobei der Hitzdraht mit einer maximalen Frequenz von 1MHz geregelt werden kann. Für den Prototypen werden als Hardware-Spezifikationen ein 12-Bit-ADC, ein 16-Bit-DAC von Digilent, Inc. und ein Artix-7 FPGA-Chip von Xilinx (auf dem Arty FPGA-Entwicklungsboard) verwendet. Der Regelentwurf besteht aus einem Proportional-Integral-Differential (PID) -Regler mit gefilterem D-Anteil, Anti-Windup, stoßfreier Umschaltung, Quadratwurzel-Approximation und Steuersignalbegrenzer. Außerdem wird das Design des Finite Impulse Response (FIR) Filters auch diskutiert. Alle Entwürfe werden unter Verwendung von Hardware-Programmierungstools wie System Generator und Vivado implementiert und werden mit Festkommadarstellung durchgeführt. Die Funktionalität des Reglers wurde durch eine Rückkopplung mit einem simulierten digitalen Heißdrahtmodell demonstriert. Die ausgearbeiteten Modelle und Entwürfe bzw. generierten Berichte für Timing und Ressourcenauslastung dienen als Ergebnisse der Arbeit. Die schnellste erreichte Regelkreisfrequenz war 2,083 MHz, was ausreicht, um einen Hitzdraht mit Dynamik bis 200 kHz zu steuern.