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

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Erstellt: Thu, 28 Mar 2024 23:06:38 +0100 in 0.1065 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.



Moller, Sebastian;
Tomographic particle image velocimetry. - 134 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Grenzschicht in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion, welche aufgrund ihrer enormen Auswirkungen auf den Wärme- und Impulstransport von großer Bedeutung ist. Dabei stehen zwei spezielle Definitionen von Längenskalen in Form der inneren und äußeren Grenzschichtdicke, welche im Vorfeld bereits anhand von Simulationsergebnissen in einer anderen Veröffentlichung ausgewertet wurden, im Zentrum der Betrachtungen. Diese Formen der Grenzschichtdicke zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung den turbulenten Charakter der Grenzschichten an den isothermen Platten abbilden können. Jene werden in dieser Arbeit nun mittels der Messmethode Tomographic Particle Image Velocimetry am "Ilmenauer Fass" für Rayleigh-Zahlen zwischen Ra=10^8 und Ra=10^12 aufgenommenen Messdaten analysiert und mit den Resultaten der Simulation verglichen. Die Daten der Messung ergeben sich dabei aus einem kleinen, zentral gelegenen Volumen unterhalb der Kühlplatte. Bei deren Auswertung stellt sich heraus, dass das Strömungsfeld in unmittelbarer Nähe der Platte eine Tendenz zu großen Geschwindigkeiten aufweist, was allerdings der Haft-Randbedingung widerspricht. Für die Auswertung der inneren und äußeren Grenzschichtdicke ist jedoch gerade dieser Bereich relevant, weil zu deren Berechnung die Gradienten der Profile im Ursprung benötigt werden. Deshalb wird der physikalisch korrekte Verlauf in Wandnähe durch systematisch erfasste Tangenten approximiert, deren Anstiege folglich zur Berechnung der Grenzschichtdicken herangezogen werden. Auch wenn deren Auswertung gewissen Einschränkungen unterliegt, gibt der Vergleich zu den mittleren Grenzschichtdicken der Simulation eine Ähnlichkeit zu erkennen, da diese nach beiden Formen der Ergebnisse mit steigender Rayleigh-Zahl kleiner werden. Dieses Verhalten, welches bei den Simulationen nur bis zu einer Rayleigh-Zahl von Ra=10^10 untersucht wurde, kann anhand der Messdaten auch bei den Rayleigh-Zahlen Ra=10^11 und Ra=10^12 nachgewiesen werden. Aufgrund der Tatsache, dass auch die quantitativen Abweichungen zu den Ergebnissen der Simulation im Rahmen liegen und der Trend der abnehmenden Grenzschichtdicke im Vergleich zur Simulation bei noch größeren Rayleigh-Zahlen bestätigt wird, erweist sich die Methode zur Annäherung der Profile somit als erfolgreich.



Lösch, Alice;
Untersuchung des Temperaturfeldes an einer strukturierten Oberfläche bei turbulenter Konvektion. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016

Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit war es, das Temperaturfeld über einer strukturierten Oberfläche zu untersuchen. Die Messungen fanden im Ilmenauer Fass statt, welches ein großskaliges Rayleigh-Benard-Experiment darstellt. Dieses wurde durch zwei Heizplatten und der darin eingeschlossenen Luft realisiert. Durch eine höhere Temperatur der Bodenplatte, im Vergleich zur Deckenplatte, kommt es zu einer Verringerung der Dichte des Fluids. Oberhalb eines kritischen Temperaturunterschiedes setzt die natürliche Konvektion anstelle der Wärmeleitung ein und es kommt zu einer Strömung innerhalb der Zelle. Das Besondere an dem Experiment ist die strukturierte Bodenplatte. Dafür wurden in regelmäßigen Abständen Aluminiumblöcke auf der unteren Heizplatte positioniert, woraus sich drei charakteristische Positionen ergaben: groove, notch und top. Mit Hilfe eines Mikrothermistors wurden Temperaturzeitreihen in verschiedenen Abständen zur Oberfläche aufgenommen, welche anschließend für die Auswertung zur Verfügung standen. Das Experiment wurde mit zwei verschiedenen Rayleigh-Zahlen durchgeführt und der Einfluss auf das Temperaturfeld diskutiert. Dabei konnten für die einzelnen Positionen signifikante Unterschiede im Hinblick auf die Grenzschicht und die Fluktuationen aufgezeigt werden. Die Ergebnisse wurden mit denen einer ebenen Platte verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass ab einem bestimmten Abstand zur Heizplatte die Strukturierung der Oberfläche das Temperaturfeld nicht mehr beeinflusst.



Hertlein, Anna;
Messung von drei-dimensionalen Temperaturgradienten. - 44 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016

Zur Untersuchung von thermischer Konvektion im Rayleigh-Bénard-Experiment sollen im wandnahen Bereich einer Rayleigh-Bénard-Zelle dreidimensionale Temperaturgradienten bestimmt werden. Um diese Temperaturgradienten zu messen, wurde eine Multithermistorsonde entwickelt. In dieser Arbeit wird sie charakterisiert und erprobt. Die Multithermistorsonde misst an vier Stellen gleichzeitig die Temperatur. Aus der Temperaturdifferenz und dem Abstand der einzelnen Messpunkte können dann Gradienten berechnet werden. Die Änderung der Temperatur des Thermistors verursacht auch eine Änderung des Widerstandes. Um diese Widerstandsänderung zu messen, kommt eine Messbrücke mit vier Kanälen für die einzelnen Sensoren zum Einsatz. In einem ersten Schritt werden die vier einzelnen Sensoren der Multithermistorsonde kalibriert. Dazu werden zuerst das Übertragungsverhalten der vier Kanäle der Messbrücke und anschließend die Kalibrierkurven der vier Thermistoren bestimmt. Weiterhin werden die Abstände der einzelnen Sensoren zueinander ermittelt. In einer ersten Messung an einer Modellströmung wird die Multithermistorsonde erprobt, um anschließend eine Messung am Ilmenauer Fass bei einer Rayleigh-Zahl durchführen zu können.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/84689548Xhertl.txt
Ritzau-Jost, Michael;
Particle Tracking Velocimetry in groß-skaligen Konvektionsströmungen (Ilmenauer Fass). - 40 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015

Zur Vermessung des Lagrangeschen Strömungsfeldes in turbulenten Strömungen hat sich in der heutigen Zeit die Verwendung von Particle-Tracking-Velocimetry-Systemen etabliert. Auch wenn dieses Verfahren bereits erfolgreich bei klein- und groß-skalige Messaufbauten eingesetzt werden konnte, stellt die Analyse von großen Messvolumen noch immer eine besondere Herausforderung dar. Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Anwendung der Particle-Tracking-Velocimetry in groß-skaligen Konvektionsströmungen am Beispiel des Ilmenauer Fasses. Zur Kalibrierung der verwendeten vier Kameras wurde eine, durch den Messraum schwingende, Referenzlänge genutzt. Mit Hilfe der Aufnahmen dieser Kalibrierung konnten Rückschlüsse auf die Position und Orientierung der einzelnen Kameras getroffen werden, sodass im folgenden Schritt die vollständigen Trajektorien der Referenzlänge, sowie erste Trajektorien der im Ilmenauer Fass betrachteten Partikel rekonstruiert werden konnten. In einem darauf folgenden Auswahlverfahren wurde eine weitere Software für die Animation der Trajektorien ausgesucht, sodass diese im Anschluss grafisch ansprechend visualisiert werden konnten.



Jatman, Dim;
Strömungsmechanik und Energiebilanz eines Windkraftgenerators mit modifiziertem H-Darrieus-Rotor. - 76 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2015

In dieser Diplomarbeit wird eine neuartige Modifikation des Darrieus-Rotors vorgestellt. Der neue Rotor bietet im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik auf dem Gebiet der Rotoren mit vertikaler Drehachse (VAWT) folgende Vorteile: eine einfache und kostengünstige Konstruktion, die Möglichkeit einer effizienten Sturmsicherung sowie eine einfache Anpassung der Leistungsaufnahme an unterschiedliche Windverhältnisse. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Vergleich des neuen Rotors mit einem klassischen H-Darrieus-Rotor anhand der Vermessung eines Modells im Windkanal durchgeführt.



Schmidt, Benjamin;
Auslegung, Optimierung und Charakterisierung eines Mikrofon-Arrays für die geschlossene Messstrecke eines Windkanals Göttinger Bauart. - 102 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015

Die Auslegung, Optimierung und Charakterisierung eines Mikrofon-Arrays ist das Thema der vorliegenden Arbeit. Dieses aeroakustische Messgerät zur Lokalisierung von Schallquellen ist für Akustikmessungen an skalierten Flugzeugmodellen in einem Windkanal Göttinger Bauart bestimmt. Die Überführung der Strehl-Zahl aus der Optik auf Mikrofon-Arrays ergänzt die bewährten Charakterisierungsmöglichkeiten um eine weitere aussagekräftige Kenngröße. Damit lässt sich die Abbildung einer Punktquelle bewerten und mit anderen Mikrofon-Arrays vergleichen. Die Überführung wurde in dieser Ausarbeitung erstmals vollzogen und half bereits im Entwurfsprozess, die Mikrofonanordnung auf der ebenen Platte zu optimieren. Dazu wurden mehrere Verteilungsalgorithmen vorgestellt und mit der Strehl-Zahl bewertet. Nach der Positionierung aller Mikrofone wurden sie mit der Strehl-Zahl als Bewertungskriterium in 6 Gruppen aufgeteilt, um bei Ausfall einer Gruppe eine möglichst hohe Funktionalität zu gewährleisten. Um das Signal-Rausch-Verhältnis der Mikrofone zu optimieren, wurden mehrere Kondensatorkapazitäten der Vorverstärkerschaltung in einem Windkanalexperiment verglichen, indem Mikrofone das im Windkanal erzeugte Lautsprechersignal aufzeichneten. Durch die anschließende Auswertung des Signal-Rausch-Verhältnisses konnte die Vorverstärkerschaltung vervollständigt werden.



Hillebrand, Sven Stefan;
Analyse des Strahlungstransportes im Konvektionsexperiment "Ilmenauer Fass". - 41 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014

In der vorliegenden Arbeit wird der Wärmetransport durch Strahlung in dem Konvektionsexperiment "Ilmenauer Fass" untersucht. Das "Ilmenauer Fass" dient dazu, den Wärmetransport durch freie Konvektion zu untersuchen. Ein Wärmeaustausch durch Wärmestrahlung lässt sich nicht vollständig verhindern, sodass der Strahlungsanteil an der Wärmeübertragung durch Berechnungen abgeschätzt werden muss. Zwei Modelle zur Berechnung des Wärmestroms durch Strahlung werden in der vorliegenden Arbeit erläutert. Durch Messungen mit Hilfe von präparierten Dünnfilm-Wärmestromsensoren wurde überprüft, welches der beiden Modelle sich für die Wärmestrahlungsberechnung im "Ilmenauer Fass" am besten eignet. Die Präparierung der Wärmestromsensoren besteht aus verschiedenen Oberflächenmaterialien, die auf die Sensoren aufgetragen wurden und einen ähnlichen Emissionsgrad, wie die im "Ilmenauer Fass" vorhandenen Materialien besitzen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind wichtig, um bereits durchgeführte Messungen mit Hilfe einer Wärmebildkamera und der erwähnten Wärmestromsensoren bewerten zu können und Möglichkeiten zur Weiterentwicklung des Experiments zu finden.



Schenk, Manuel;
Numerische Untersuchung des Einflusses der Vorderkantenausführung auf die Start-Machzahl eines generischen Überschalllufteinlaufs. - 95 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014

Diese Master-Arbeit beleuchtet die Fragestellung, ob die Startmachzahl eines Überschalltriebwerkseinlaufs durch eine geeignete Vorderkantenausführung verringert werden kann. Um diese Frage zu beantworten, wurde eine stationäre, zweidimensionale, numerische Strömungssimulation durchgeführt. Das ausgewählte kompressible, RANS-Verfahren konnte durch aktuelle Versuchsergebnisse erfolgreich validiert werden. Anschließend wurde eine Parameterstudie hinsichtlich der Dicke der Vorderkante, deren Rampenwinkel und des Kontraktionsverhältnisses des Einlaufs durchgeführt. Die Untersuchungen zeigen, dass die Startmachzahl durch Variation dieser Größen beeinflusst werden kann. Eine Vergrößerung der Vorderkantendicke führt zu einem überproportionalen Anstieg der Startmachzahl. Der Rampenwinkel verhält sich genauso und sollte demnach möglichst gering sein. Eine sehr dünne Kante mit einem erst stetig anwachsenden Rampenwinkel erwies sich in diesem Kontext als besonders geeignet. Ein höheres Kontraktionsverhältnis vergrößert die Startmachzahl über die Erwartungen hinaus. Zusätzlich fielen durch diese Untersuchungen besonders die starken Wechselwirkungen der Parameter mit der Diffusorgeometrie auf. Die Ergebnisse der Arbeit bestätigen das Potenzial von RANS-Simulationen bei den hier vorliegenden Randbedingungen, zeigen aber auch dessen Grenzen bei instationärem Verhalten der Strömung auf.



Döring, Daniel;
Entwicklung eines alternativen Konzepts der adaptiven, regelbaren Luftführung am Beispiel des Porsche Cayenne. - 160 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014

Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines alternativen Konzepts einer aktiven Aerodynamikmaßnahme am Beispiel des Porsche Cayenne. Auf Basis der Betrachtung von allgemeinen aerodynamischen Grundlagen zeigt ein Benchmark verschiedene aktive Aerodynamikmaßnahmen. Diese werden bezüglich ihres Potentials zur cW-Wertreduzierung bewertet. Daraus resultiert, dass ein aktiver Kühlluftverschluss zu diesem Zeitpunkt das höchste Potential bietet, um den Luftwiderstand zu reduzieren. Mit den spezifischen theoretischen Grundlagen zum aktiven Kühlluftverschluss und einer Marktübersicht werden die Voraussetzungen zur Konzeptfindung geschaffen. Bei der anschließenden Konzeptentwicklung werden vorher festgelegte Anforderungen beachtet. Die Auswahl des finalen Konzepts erfolgt im Vergleich zu einem Serienkonzept der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG unter Zuhilfenahme festgelegter Kriterien. Für das ausgewählte Konzept werden nachfolgend ein CAD-Modell, eine Windkanalmessung und CFD-Simulationen angefertigt. Die Untersuchungen bestätigen das Potential des entwickelten alternativen Konzepts eines aktiven Kühlluftverschluss eine cW-Wertreduzierung zu erreichen. Darüber hinaus werden positive Effekte auf die Auftriebskräfte und den Kühlluftdurchsatz nachgewiesen. Abschließend sind Aspekte aufgezeigt, die bei einer möglichen Serienumsetzung des entwickelten Konzepts beachtet werden müssen.