Numerische Untersuchungen einer Öl-Wasser-Strömung in einem horizontalen Rohr. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
In der heutigen Zeit sind experimentelle Untersuchungen sehr zeitaufwendig sowie kostenintensiv. Aus diesem Grund gewinnt der Einsatz von Simulationssoftware mehr an Bedeutung. Die allgemeine Entwicklung der letzten Jahre im Bereich Software und Hardware hat sich sehr vorteilhaft auf die Genauigkeit, die Flexibilität und der Berechnungszeit von Simulationsvorgängen ausgeübt. Gegenwärtig ist deshalb der Einsatz von Simulationssoftware weit verbreitet, welche auch in dieser Abschlussarbeit verwendet werden. Diese Masterarbeit umfasst die Untersuchung der Mehrphasenströmung in einem Rohr mit Durchmesser von 0,0445 m und Länge 1,1125 m. Dabei erfolgt der Zustrom der beiden Fluide, Öl und Wasser T-förmig. Die Validierung von Ansys Fluent und Ansys CFX mit der Anwendung des AIAD (Algebraic Interfacial Area Density)-Modells wird für diese Öl-Wasser Mehrphasenströmung vollzogen. Die CFD-Abteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat in enger Zusammenarbeit mit ANSYS das AIAD-Modell für die Auflösung der Durchdringung bzw. die Wechselwirkung beider Phasen an der Grenzfläche der Mehrphasenströmung entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst 2D-Berechnungen mit verschiedenen Mehrphasenströmungsmodellen sowie mit verschiedenen Öl- und Wasser-Eintrittsgeschwindigkeiten in den beiden Lösern (Fluent & CFX) durchgeführt, um die passenden Modelle in Abhängigkeit von den vorhandenen experimentellen Ergebnissen für eine Öl-Wasser Strömung zu ermitteln. Die Ergebnisse der 2D-Berechnungen zeigen, dass das Euler-Euler Modell (Eulerian-Model) in ANSYS Fluent die Wechselwirkung an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen stärker als die anderen Modelle (VOF, Mixture) berücksichtigt. Das CSF-Modell (Surface Tension Model) in ANSYS CFX spielt eine große Rolle, um die Wechselwirkung an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen berücksichtigen zu können. Aus diesem Grund werden die 3D-Berechnungen mit dem Euler-Euler Modell in ANSYS Fluent und mit den beiden Modellen (CSF und AIAD) in ANSYS CFX bei verschiedenen Öl- und Wasser-Eintrittsgeschwindigkeiten und verschiedenen Randbedingungen durchgeführt. Danach werden die erreichten Ergebnisse der 3D-Berechnungen in den beiden Lösern (Fluent & CFX) mit den vorhandenen experimentellen Ergebnissen zur Validierung verwendet. Die Ergebnisse der 3D-Berechnungen zeigen, dass das Euler-Euler Modell in ANSYS Fluent und das AIAD-Modell in ANSYS CFX, die Öl-Wasser Strömung im horizontalen Rohr modellieren können. Allerdings ist die Anwendung des AIAD-Modelles in ANSYS CFX gegenüber dem Euler-Euler Modell in ANSYS Fluent vorteilhaft, da das AIAD-Modell die turbulenten Strukturen an der Grenzfläche zwischen dem Öl und dem Wasser besser als das Euler-Euler Modell in ANSYS Fluent auflöst.
Flüssigmetallbatteriemodellierung mit Comsol-Multiphysics. - Ilmenau. - 29 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Die Flüssigmetallbatterie ist ein günstiger und gut skalierbarer Energiespeicher mit hoher Lebensdauer und wird deshalb auch in Zukunft weiter erforscht werden. Die für die Simulationen genutzten mathematischen Modelle beschreiben einige relevante Prozesse, die in dem betrachteten Dreischichtensystem stattfinden. Allerdings berücksichtigt dieses Modell noch nicht alle für eine detaillierte Berechnung notwendigen Mechanismen, weswegen es einer Erweiterung der mathematischen Modelle, um die noch nicht beschriebenen Prozesse, bedarf. Als Beispiel sei hierfür der Ionentransfer genannt, der bereits von Mutschke [Mut13] in einem mathematischen Modell berücksichtigt wurde und auch in zukünftigen Untersuchungen eine wichtige Rolle einnehmen wird. In dieser Arbeit ist in Abschnitt 2.4 ein derartiges mathematisches Modell erfolgreich erstellt worden. Weiterhin wurde eine Simulation in dem Programm COMSOL-Multiphysics durchgeführt, um das Leistungsvermögen des Programms im Hinblick auf die untersuchten Probleme zu bewerten. Das Programm stellt viele erweiterbare Module, inklusive Chemical Reaction Engineering Module, Chemical Reaction Engineering Module, bzw. Chemical Species Transport zur Verfügung, und bietet sich für die weitere Arbeit mit Dreischichtensystemen an. Für die Vereinfachung der Simulation wurden einige Annahmen getroffen. Diesbezüglich sind insbesondere die Temperaturunabhängigkeit aller physikalischen Größen außer der Dichte, die ideale thermische und elektrische Isolierung der vertikalen Wände, die konstante Größe der Schichtendicke und die Undurchlässigkeit der Übergangsgrenzen zwischen den Schichten zu nennen. Die vollständige Liste der getroffenen Annahmen ist im Abschnitt 3.2 beschrieben. Die für die Simulation benötigten Parameter sind den Publikationen von Shen und Zikanov [SZ16] und Köllner et al. [KBS17] entnommen worden. Das Modell wird in einer axialsymmetrischen Darstellung erstellt, um die Berechnungseffizienz zu erhöhen. Die Strömungsprozesse werden mit dem Turbulenzmodell RANS-Type SST beschrieben und die Ohmsche Erwärmung ersetzt die Wärmequelle in der Elektrolytschicht. Die Ergebnisse der Simulation sind zeitabhängig. In der Anoden- bzw. der Elektrolytschicht werden Konvektionsbewegungen beobachtet, die durch Temperaturunterschiede in den Schichten erzeugt wurden. Diese Ergebnisse entsprechen denen vergleichbarer Studien. Die für diese Arbeit entwickelte Simulation berücksichtigt nicht die elektromagnetischen Prozesse, die in der Zelle ablaufen. Aus diesem Grund ist sie nur ein erster Schritt, der im Rahmen zukünftiger Studien weiterentwickelt werden muss. Hierfür können beispielsweise zunächst können die elektromagnetischen Prozesse und der Ionentransfer in der Simulation berücksichtigt und die Temperaturabhängigkeit anderer physikalischer Größen eingeführt werden. Abschließend bleibt festzuhalten, dass die Erweiterung der in dieser Arbeit entwickelten Simulation um die elektromagnetischen Prozesse besonders wichtig ist, weil durch diese Vorgehensweise viel mehr Materialeigenschaften berücksichtigt werden., weil durch diese Vorgehensweise viel mehr Materialeigenschaften berücksichtigt werden.
Statische Untersuchung von Geschwindigkeitszeitreihen in einer turbulenten Konvektionsströmung bei einer Rayleighzahl von Ra=6*10^11. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In der vorliegenden Arbeit wurde eine statistische Untersuchung von Geschwindigkeitszeitreihen durchgeführt. Diese Messdaten wurden mit einem neuartigen Pappus-Sensor, der für die Messung der Wandschubspannung und der Komponenten des Wandschubspannungsvektors angewendet werden soll über der beheizten Bodenplatte im "Ilmenauer Fass" aufgenommen. Die neuartigen optischen Messungen erfolgten im Zentrum der Bodenplatte in einer turbulenten Konvektionsströmung bei einer Rayleighzahl von Ra=6*10^11 im "Ilmenauer Fass". Für die Arbeit wurden drei Messreihen mit jeweils 10000 Bildern und die Kalibrierdaten des Sensors zur Verfügung gestellt. Auf den Fotos wurde die Bewegung des Sensors innerhalb von 333 s für jede Messung in einer turbulenten Konvektionsströmung untersucht. Die Bilder wurden in Matlab bearbeitet und die Koordinaten der Mittelpunkte des Sensors und des Referenzpunkts berechnet. Da die berechneten Mittelpunkte des Sensors und des Referenzpunkts in kleinen Zeitabständen schwankten, wurde für diese schwankenden Koordinaten der gleitende Mittelwert ermittelt (dementsprechend beträgt das Zeitintervall für den Referenzpunkt 3,3 s, respektive für den Sensor 0,1 s). Weiter wurde aus diesen Daten mit Hilfe zweier Methoden (Interpolation und Lösungsellipse) die horizontale Geschwindigkeitskomponente der Strömung und der Ausschlagwinkel des Sensors berechnet. Bei der Analyse der Ausschlagwinkel des Sensors über der Zeit wurden große und plötzliche Sprünge im Signal gefunden. Deswegen musste dieses Signal nachbearbeitet werden. Die Sprünge wurden detektiert und durch Werte aus einer quadratischen Interpolation der benachbarten Datenpunkte ersetzt. Danach wurde eine statistische Analyse der Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung der Winkel durchgeführt. Weiterhin wurden die Geschwindigkeit, Fluktuationen der beiden horizontalen Geschwindigkeitskomponenten und deren Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung analysiert. Die Fluktuation beschreibt die Abweichung der Momentangeschwindigkeit von der linearen Funktion des Zeitmittels. Daraus lässt sich bestimmen, dass der Sensor ziemlich stark fluktuiert. Dies wiederum gibt Auskunft über das Vorhandensein einer großskaligen Zirkulation im Fass, die sich dreht und oszilliert. Weiterhin wurde die Wandschubspannung unter folgenden Annahmen berechnet: Es wurde approximiert, dass der Sensor im linearen Teil des Geschwindigkeitsprofils bleibt, während die reale Sensorhöhe größer als die Grenzschichtdicke ist ([Delta]_= 4,9 mm und l_s=12 mm). Idealerweise sollte der Sensor nicht höher als die Grenzschichtdicke sein. In dieser Arbeit und im Experiment wurden die elastischen Eigenschaften des Stabes des Sensors nicht berücksichtigt und dieser wurde als ideal steif angenommen. Für zukünftige Messungen sind eine Berücksichtigung dieser, sowie eine entsprechende Kalibrierung unabdingbar. Für das Experiment und die Auswertung wurde die Annahme getroffen, dass der Stab sich linear verbiegt. Momentan lässt sich folglich die Wandschubspannung mit der untersuchten Methode nicht exakt bestimmen. Die hier genutzte Methode zur Messung der Wandschubspannung ist deshalb beschränkt gültig und der auftretende systematische Fehler kann folglich nicht genau bestimmt werden. Hierzu müsste die Kraft auf den Sensor über die Länge dieses integrieren werden, um bei Kenntnis der Steifigkeit eine Auslenkung ermitteln zu können. Die Steifigkeit des Sensors ist jedoch unbekannt und kann auch mathematisch nicht berechnet werden. Zukünftig müsste der Sensor noch kleiner gemacht werden, um diese Fehler zu minimieren. Je näher man mit einem solchen Sensor an der Wand messen kann, desto kleiner ist der Fehler. Die Untersuchung der Eigenschaften der viskosen Grenzschicht war aufgrund der Randbedingungen dieser Arbeit nicht möglich.
Numerische Simulation der Lasten auf den Schwimmkörper eines neuartigen Wellenkraftwerks. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden die Wellenbelastungen auf einen Punktabsorber des Wellenkraftwerks der Firma SINN Power GmbH untersucht. Für die Entwicklung des Wellenkraftwerks wurden Experimente in einem Wellenkanal in Florenz durchgeführt. Diese sollen im Rahmen dieser Arbeit aufbereitet und analysiert werden. Nach der Fehlerbereinigung der Messergebnisse, werden die aufgearbeiteten Wellenverläufe mit theoretischen Wellentheorien verglichen. Die Kraftverläufe werden nach der Ermittlung der hydrodynamischen Koeffizienten mithilfe der Morison Gleichung analytisch beschrieben. Da die Morison Gleichung nicht alle Strömungseffekte berücksichtigt, werden durch CFD-Untersuchungen zusätzliche Einflüsse untersucht. Der Wellenkanaltest wird weiterhin in der Simulationsumgebung ANSYS Fluent nachgebildet. Letztendlich wird die CFD-Simulation mit den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen verglichen und validiert. Durch die erhaltenen Ergebnisse erfolgt eine genauere Beschreibung der Lasten auf den Schwimmkörper. Die gewonnenen analytischen Formeln der Kräfte geben die gemessenen Kraftverläufe mit geringen Abweichungen wieder. Es stellt sich heraus, dass die dynamischen Kräfte wesentlich durch die Trägheitskräfte im Strömungsgebiet bestimmt sind. Die differenziertere Beschreibung der nutzbaren Auftriebskraft dient dazu, die Wellenlasten im Mehrkörpersimulationsmodell des Wellenkraftwerks realitätsnah einzustellen, um daraufhin eine bessere Regelungsstrategie entwickeln zu können. Die CFD-Ergebnisse stimmen gut mit den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen überein. Der Aufbau kann dazu genutzt werden, unterschiedliche Geometrien zu testen und die Koeffizienten zu ermitteln, sodass die Morison Gleichung anwendbar ist. Dadurch können zukünftig Wellenkanaltests durch CFD-Untersuchungen abgelöst werden und Kräfte exakter bestimmt werden.
Numerische Untersuchung einer zweidimensionalen Kanalströmung im räumlich periodischen äußeren Feld. - 64 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Bei einer druckgradientengetriebenen, zweidimensionalen Kanalströmung einer leitfähigen Flüssigkeit im räumlich periodischen äußeren Feld kann es unter bestimmten Umständen zur Flussverdrängung kommen. Verkleinert man bei konstantem Druckgradient die Stuart-Zahl, nimmt diese Verdrängung des magnetischen Feldes ab einem kritischen Wert schlagartig zu, so dass die Strömung in der Mitte des Kanals kaum noch durch die Lorentzkraft gebremst wird und somit stark beschleunigt. Das Geschwindigkeitsprofil ähnelt dann dem einer Poiseuille-Strömung. Wird die Stuart-Zahl dann wieder erhöht, so verfällt die Strömung erst nach Durchlaufen einer Hysterese wieder in ihren ursprünglichen Zustand vor dem "Sprung". Für die Beschreibung dieses Phänomens wird in der Literatur ein Modell hergeleitet, das lediglich von der Stuart-Zahl, der kinematischen und der magnetischen Reynolds-Zahl und einem Geometrieparameter abhängt. Um dessen Richtigkeit zu überprüfen, werden die dort präsentierten Ergebnisse mit Direkten Numerischen Simulationen (DNS) nachgerechnet und Unterschiede diskutiert. Die Ergebnisse aus Modell und DNS ähneln sich qualitativ, es sind jedoch deutliche quantitative Unterschiede vorhanden. Das Modell sagt den Umschlagspunkt relativ genau vorher. Auch der Hystereseeffekt bei der Variation der Stuart-Zahl kann bestätigt werden. Die erreichten Geschwindigkeiten liegen im Modell jedoch deutlich zu hoch. Dies liegt vor allem am nichtlinearen Term in der Navier-Stokes-Gleichung, dessen Einfluss im Modell vereinfachend vernachlässigt wird. Es stellt sich heraus, dass nach dem Umschlag vom Hartmann-ähnlichen auf ein Poiseuille-ähnliches Profil oberhalb einer Reynolds-Zahl von Re [rund] 1000 Instationaritäten auftreten, die vom Modell nicht erfasst werden. Im Poiseuille-Bereich ist die asymptotische Lösung, anders als es die Modellgleichungen erwarten lassen, deutlich abhängig von der magnetischen Reynolds-Zahl. Im Hartmann-Bereich ist dies jedoch nicht der Fall, womit das Modell zumindest teilweise bestätigt werden kann.
Mixing of passive scalars in three-dimensional synthetic turbulence. - 80 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011
Wärme- und Stofftransport in turbulenten Strömungen ist ein grundlegendes Problem in vielen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Bereichen. Die Vorhersage des Mischens einer passiven Substanz in einer isotropen, homogenen turbulenten Strömung innerhalb einfachster Geometrien stellt die Forschung noch immer vor große Probleme. Die Schwierigkeit erwächst aus dem großen Spektrum an aufzulösenden Längenskalen und dem stochastischen Charakter der unterliegenden Strömung, sowie der gemischten Substanz. In der folgenden Master-Arbeit wird das Mischen einer passiven Substanz in einer dreidimensionalen turbulenten synthetischen Strömung mit Hilfe von numerischen Untersuchungen erforscht. Die Nutzung einer synthetischen Strömung erlaubt die Kontrolle aller statistischen Eigenschaften des Strömungsfeldes und erfordert viel weniger Rechenaufwand im Gegensatz zur Integration der Navier-Stokes-Bewegungsgleichungen.