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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.