Entwicklung eines optischen 2D-Temperaturfeld-Messsystems mit hoher Sensitivität auf Basis von Zweifarben-Laserinduzierter Fluoreszenz. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Um eine Messung von Temperaturfeldern mit hoher Temperatursensitivität und geringer Messunsicherheit über einen großen Temperaturbereich zu ermöglichen, wurde ein Messaufbau auf Basis der Zweifarben planaren laserinduzierten Fluoreszenz-Messmethode mit einem Nd:YAG-Laser entwickelt und realisiert. Hierfür wurden die grünemittierenden Farbstoffe Fluoreszin 27 und Fluoreszin, sowie die rotemittierenden Farbstoffe Kiton Red und RuPhen untersucht. Im Ergebnis konnten zwei geeignete Farbstoffkombinationen bestehend aus Fluoreszin 27 und Kiton Red, sowie Fluoreszin und Kiton Red erfolgreich eruiert werden. Dabei zeichnete sich insbesondere Kiton Red als sehr guter rotemittierender Farbstoff aus, der gegenüber dem neuartigen RuPhen ein hohes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis aufwies. Für die Farbstoffkombination Fluoreszin 27 und Kiton Red wurde ein Temperatursensitivitätswert von +3,65 %/K ermittelt, für Fluoreszin und Kiton Red eine Sensitivität von +5,19 %/K. Es wurde ein entsprechender Messaufbau mit der Farbstoffkombination mit Fluoreszin 27 und Kiton Red realisiert. Dessen Funktionalität konnte mithilfe eines abschließenden Experiments am Peltier-Element erfolgreich demonstriert werden.
Numerische Berechnungen akustischer Wellenfelder in dreidimensionalen Geometrien. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Das Ziel dieser Arbeit ist es, dreidimensionale numerische Modelle zur Berechnung akustischer Felder zu entwickeln und diese auf Basis ihrer Effizienz und der Qualität der Ergebnisse zu vergleichen. Die Modelle basieren auf einem Wasser-Glyzerin-Gemisch gefülltem Mikrokanal, in welchem ein pseudo-stehendes akustisches Wellenfeld durch zwei auf einem Lithiumniobat-Substrat aufgebrachten Interdigitalwandlern mittels einer akustische Oberflächenwellen angeregt wird. Das Modell wird zu Nutzung der Akustophorese, d. h. der Partikelmanipulation durch die akustische Strahlungskraft sowie die akustisch angetriebene Strömung entwickelt. Es werden verschiedene Vereinfachungen getroffen, welche die Berechnungszeit so gering wie möglich halten. Die Modelle unterscheiden sich in der Implementierung der Grenzschichtverluste an der Substratoberfläche, da die für thermoviskose Grenzschichten benötigten Berechnungen eine starke Vergrößerung der Anzahl der Freiheitsgrade bedeuten und dies zu einer Steigerung der Berechnungszeit führt. Um die Modelle miteinander vergleichen zu können, werden mithilfe von validierten zweidimensionalen Modellen Korrelationskoeffizienten und Abweichungen der Mittelwerte sowie der Maxima der akustischen Felder ermittelt. Um eine Unabhängigkeit des numerischen Gitternetzes zu gewährleisten, werden eine Gitternetzunabhängigkeitsstudie durchgeführt. Darüber hinaus werden die Kanalhöhe und die Wellenlänge variiert, woraus ein Einfluss auf die Struktur sowie die Stärke der akustischen Felder nachgewiesen wird. Für ein in der Kanalgeometrie modifiziertes Modell, welches einer dreidimensionalen Lösung der akustischen Felder bedarf, wurde eine Berechnung der akustisch angetriebenen Strömung durchgeführt, um den dreidimensional Charakter der akustisch induzierten Strömung im Mikrokanal aufzuzeigen. Die Vergleiche der Ergebnisse zeigen, dass die Modelle durch Erhöhung der Wellenlänge trotz gleichen Rechenaufwandes eine höhere Ähnlichkeit in struktureller und betragsmäßiger Hinsicht liefern. Vereinfachungen der Grenzschicht Implementierung zeigen marginale Abweichungen der numerisch berechneten akustischen Felder zum Referenzmodell. Aus diesem Grund sind Modelle, welche die Grenzschicht der durch die Oberflächenwelle aktivierten Kanalwand nicht berücksichtigen, die effizientesten Modelle. Da für kleiner werdende Wellenlängen die Grenzschichtverluste einen steigenden Einfluss haben, treten größere Abweichungen zum validierten Modell auf. Die Modelle liefern für Wellenlängen größer gleich 90 μm strukturell und betragsmäßig übereinstimmende Ergebnisse. Für einen Ausblick wir für die Untersuchung von Wellenlängen im Bereich von 20 μm und kleiner die Implementierung der Grenzschichtverluste aller Kanalwände empfohlen.
Untersuchung einer membranlosen Brennstoffzelle mit einem gekrümmten Mikrokanal. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Mikrofluidische Brennstoffzellen (MFCs) könnten bald eine Alternative zu konventionellen Batteriesystemen darstellen. Sie verfügen theoretisch über deutlich höhere Energiedichten und sind daher für die Anwendung in leistungsstarken, portablen Geräten von großem Interesse. MFCs haben einen mit Elektroden ausgestatteten Mikrokanal, durch den flüssiger Brennstoff und Oxidant geleitet werden. Die Reaktanden strömen parallel zueinander durch den Kanal, ohne sich konvektiv zu durchmischen. Auf eine Membran kann somit verzichtet werden. Allerdings werden in MFCs bisher nur geringe Stromdichten erreicht. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass sich an den Oberflächen der Elektroden Verarmungsschichten ausbilden. Sie entstehen aufgrund des diffusionsbegrenzten Massentransports neuer Spezies an die Elektrodenoberfläche. Aus diesem Grund wurde am Fachgebiet Technische Thermodynamik der TU Ilmenau eine mikrofluidische Brennstoffzelle mit einem gekrümmten Mikrokanal entwickelt, durch den ein zusätzlicher konvektiver Massentransport induziert wird. In der Kurve des Kanals bilden sich durch die Zentrifugalkraft zwei symmetrische Wirbel quer zur Hauptströmungsrichtung aus, die das verarmte Fluid aus der Umgebung der Elektroden abtragen. Außerdem verfügt die MFC im Einlassbereich über eine Lippe, die eine Vermischung der beiden Reaktanden in diesem Bereich verhindern soll. Ziel dieser Arbeit ist es, die MFC mithilfe elektrochemischer Charakterisierungsmethoden sowie der astigmatischen Particle Tracking Velocimetry zu untersuchen. Die Abhängigkeit des Volumenstroms auf die Stärke der Dean-Wirbel, und der daraus resultierende Einfluss auf die Stromdichte der MFC wird untersucht. Außerdem wird betrachtet, ob die Lippe im Einlassbereich eine Vermischung der Reaktanden verhindert. Der untersuchte Reynoldszahlenbereich liegt zwischen 2,6 und 26, die Deanzahlen, die die Ausprägung der gleichnamigen Wirbel ausdrücken, bewegen sich zwischen 1,1 und 11,1. Messungen werden stets sowohl in der Kurve, als auch im geraden Teilstück des Kanals durchgeführt. Zunächst konnte beobachtet werden, dass die Lippe eine konvektive Vermischung am Einlass sehr gut unterbindet. Während im geraden Teilstück des Mikrokanals keine Querkomponenten der Strömung auftreten, bilden sich die Dean-Wirbel in der Kurve wie erwartet aus. Eine Erhöhung des Volumenstroms führt zu einer überproportional stärker ausgebildeten Sekundärströmung. Allerdings konnte der positive Effekt der Dean-Wirbel auf die Stromdichte der MFC allerdings nicht endgültig nachgewiesen werden. Vielmehr weisen elektrochemische Untersuchungen mit unterschiedlichen Volumenstromverhältnissen und Konzentrationen darauf hin, dass es offenbar zu einem Crossover der Reaktanden kommt. Der Grund hierfür liegt in der sich zwischen den beiden Reaktanden ausbildenden Diffusionsschicht. Somit transportieren die Dean-Wirbel Reaktanden zur gegenüberliegenden Elektrode. Im Ergebnis lässt sich konstatieren, dass für eine weitere Untersuchung der MFC eine genauere Betrachtung der Diffusionsschicht zwischen den Reaktanden notwendig ist. Hierfür bietet sich eine numerische Simulation an. Darüber hinaus wird die Nutzung eines anderen elektrochemischen Systems empfohlen. Wie festgestellt werden konnte, eignen sich Pd-beschichtete Elektroden und die Lösung der Methansäure in 0,025 M Natriumhydroxid und 0,1 M Natriumsulfat bereits besser. Auch der Ersatz des Kaliumpermanganats, das zerfällt und dabei Sauerstoff in das System einbringt, erscheint sinnvoll.
Numerische Simulation zur Rayleigh-Bénard Konvektion von Salzschmelzen unter dem Einfluss von Wärmestrahlung. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
In der vorliegenden Arbeit wird numerisch der Einfluss der Wärmestrahlung in einem optisch dichten Fluid auf die Rayleigh-Bénard Konvektion untersucht. Dazu werden die Reynolds-Gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen genutzt. Als geometrisches Modell wird eine zylindrische Zelle verwendet. Der Hauptteil der Untersuchungen bezieht sich auf einen Modellraum mit dem Aspektverhältnis Γ=1,0 bei einer Höhe H=0,2 m und einem Durchmesser D=0,2 m der oberen und unteren Begrenzungsfläche. Um ebenfalls den geometrischen Einfluss unter Berücksichtigung von Strahlung zu untersuchen, werden zusätzlich Modellräume mit Γ=0,5 und Γ=2,0 untersucht. Die Simulationen werden für Prandtl-Zahl Pr=7, Rayleigh-Zahlen Ra=10^4-10^8 und Wärmeleitung-zu-Strahlungs-Zahlen N_R=0,5-1,0 durchgeführt. Zur Modellierung des Strahlungstransports wird die Rosseland-Approximation verwendet. Die Auswertung zeigt, dass die Strahlung zu einem Anstieg der Nusselt-Zahl führt. Zur Beschreibung der Abhängigkeit der Nusselt-Zahl von der Rayleigh-Zahl und Wärmeleitung-zu-Strahlungs-Zahl werden in der vorliegenden Arbeit verschiedene nichtlineare Regressionsfunktionen entwickelt. Bei der Analyse der thermischen Grenzschichten wird deutlich, dass leicht instabile (Ra=10^4) und stark instabile Systeme (Ra=10^6 und Ra=10^8) differenziert betrachtet werden müssen. In leicht instabilen Systemen führt die Strahlung dazu, dass sowohl die kalte als auch die heiße Grenzschicht mit zunehmendem Strahlungsterm zunimmt. Allerdings stellt sich eine Diskrepanz in der Dicke zwischen der heißen und kalten thermischen Grenzschicht ein. Die heiße Grenzschicht bildet dabei die dominierende Grenzschicht. Mit zunehmendem Strahlungsterm wächst die Diskrepanz zwischen den Grenzschichten an. In stark instabilen Systemen führt Strahlung ebenfalls zu einem Anwachsen der thermischen Grenzschichten. Zusätzlich zeigt sich auch dafür eine Diskrepanz zwischen kalter und heißer Grenzschicht. Allerdings kann sowohl die heiße als auch die kalte thermische Grenzschicht ein dominierendes Verhalten aufweisen. Anders als bei Ra=10^4 wächst die Diskrepanz nicht zwangsläufig mit zunehmendem Strahlungsterm. Ein weiterer Effekt welcher beobachtet wird ist, dass leicht instabile Systeme durch Strahlung stabilisiert werden. Stark instabile Systeme hingegen werden zusätzlich destabilisiert. Eine Auswertung des Einflusses von Geometrieparametern hat für Ra=10^5 gezeigt, dass die Strahlung für die untersuchten Geometrien unabhängig vom Aspektverhältnis zu einer Grenzschichtzunahme führt.
Numerische Simulation zur Rayleigh-Bénard Konvektion von Salzschmelzen unter dem Einfluss von Magnetfeldern. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
In der vorliegenden Arbeit wurde die Wechselwirkung zwischen einer elektrisch leitfähigen Salzschmelze und einem Magnetfeld untersucht. Sie ist auf solarthermische Anwendungen fokussiert, da hier Salz als Speichermedium verwendet wird. Dieses unterliegt in entsprechenden Speichern hohen Temperaturschwankungen, wodurch es zu thermischen Instabilitäten kommt und dadurch Konvektionsprozesse hervorgerufen werden. Die Kombination dieser thermischen Konvektion unter dem Einfluss eines Magnetfelds wird als Magnetokonvektion bezeichnet und ist von großer Relevanz für eine Vielzahl an physikalischen Systemen. Die dafür durchgeführten dreidimensionalen numerischen Simulationen erfolgen auf Basis der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichungen. Diese werden mit den Gleichungen aus der Magnetohydrodynamik verknüpft. Dabei wird die zu lösende Induktionsgleichung aufgeführt und entsprechende Randbedingungen angebracht. Sämtliche Berechnungen werden für 5∙10^5≤Ra≤5∙10^7, 0≤Ha≤1000 und Pr=7 durchgeführt. Das Geometrieverhältnis der zylindrisch aufgebauten Zelle wird in erster Linie auf Γ=1 festgelegt, ein Vergleich mit Γ=2 wird auch aufgeführt. Die Orientierung des Magnetfelds wird stets vertikal und entgegen der Schwerkraft angenommen. Die Analyse der Ergebnisse beschäftigt sich überwiegend mit den Veränderungen in der Strömungsstruktur und dessen Auswirkung auf den globalen Wärme- und Impulstransport in der Zelle. Die dabei auftretenden Effekte für unterschiedliche Hartmann-Zahlen werden erläutert und miteinander verglichen.
Unsteady temperature measurement in hot/cold heated cavity filled with liquid metal. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Flüssigmetallgekühlte Kernreaktoren sind ein wichtiger Bestandteil der europäischen Energiestrategie zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Die Auslegung und Sicherheitsbeurteilung solcher Reaktoren stützt sich im Regelfall auf computergestützte Strömungssimulationen (CFD). Die Modellierung der Wärmeübertragung in turbulenten Strömungen von flüssigen Metallen und anderen Fluiden mit niedrigen Prandtl-Zahlen (Pr < 0,1) ist jedoch eine große Herausforderung und Gegenstand aktueller Forschung. Aufgrund dessen werden experimentelle Daten von Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldern solcher Fluidströmungen zur Validierung von Simulationen benötigt. Für die Validierung von Modellen für natürliche Konvektion und Mischkonvektion sollen unter anderem Messungen von Temperaturmessungen in einer mit Flüssigmetall gefüllten, seitlich beheizten und gekühlten Zelle beitragen. Um solche Messungen zu ermöglichen, wird in dieser Arbeit ein Hochfrequenz-Temperaturmesssystem entwickelt, welches in der Lage ist, Temperaturfluktuationen bis zu 60 Hz in Flüssigmetallen zu messen. Zur Realisierung eines solchen Messsystems werden mehrere Thermoelemente und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG Sensoren) statisch und dynamisch kalibriert, um ihre Genauigkeit und ihr dynamisches Verhalten zu untersuchen. Die statische Kalibrierung wird nach dem Vergleichsverfahren in einer Klimakammer mit einem Referenzthermometer durchgeführt. Das dynamische Verhalten der Sensoren wird untersucht, indem die Ansprechzeit der Sensoren experimentell mit der Eintauch- und der Tropfenmethode bestimmt wird. Diese dynamischen Kalibrierungen werden mit Wasser, Glyzerin, Öl und einer GaInSn-Legierung als Kalibrierflüssigkeit durchgeführt, um deren Einfluss auf das dynamische Verhalten der Temperatursensoren zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Reaktionszeit der Sensoren von den physikalischen Eigenschaften der Kalibrierflüssigkeit sowie von der Geschwindigkeit der Sensorumströmung abhängt. Außerdem wird festgestellt, dass ummantelte 0,25 mm Thermoelemente vom Typ K und 0,10 mm FBG Sensoren von den getesteten Sensoren am geeignetsten sind, um Temperaturen mit hoher Frequenz in Flüssigmetallen zu messen. Sie können Temperaturschwankungen mit einer Frequenz von 20 Hz in Wasser und 60 Hz in GaInSn bei Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als 20 mm/s aufzeichnen. Als Funktionsnachweis beider Systeme werden zudem Hochfrequenz-Testmessungen in einer mit Wasser gefüllten, seitlich beheizten und gekühlten Zelle durchgeführt. Dabei wurden Temperaturfluktuationen mit einer Frequenz von 0,15 Hz nahe der thermischen Grenzschicht der beheizten Seitenwand von beiden Sensoren durch eine Frequenzanalyse erfasst. Dadurch wird gezeigt, dass die Systeme unter anderem dafür geeignet sind, charakteristische Strömungsfrequenzen in natürlicher Konvektion zu bestimmen. Im Anwendungsfall mit Flüssigmetall werden deutlich höhere charakteristische Frequenzen erwartet, wodurch dann die Hochfrequenzmessungen zwingend erforderlich sind.
Positionsbestimmung und Klassifizierung astigmatisch verzerrter Partikelbilder durch mehrschichtige neuronale Netzwerke. - Ilmenau. - 165 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2022
Das kontrollierte Mischen von Mikropartikeln spielt in vielen industriellen Anwendungen eine wesentliche Rolle. Die Erkennung der Partikelgrößen ist von großer Bedeutung für die Steuerung der Herstellungsprozesse. In dieser Arbeit wird die Anwendung von Deep Neural Networks (DNNs) für die 3D-Positionsbestimmung und Größenklassifizierung von Mikropartikeln untersucht. Die Trainingsdaten werden von sedimentierten oder abgetrockneten Partikeln unterschied- licher Größe in einer Mikrokammer gewonnen. Die Mikrokammer wird in drei Dimensionen bewegt, um einen umfangreichen Datensatz verschiedener Partikelbilder zu erzeugen. Ein DNN zur Objekterkennung in Form eines Faster R-CNN wird verwendet, um die Position in der Ebene und die Größenklasse zu bestimmen. Die Tiefenposition der einzelnen Partikelbilder wird mit einem zweiten DNN extrahiert. Die Leistung der DNNs wird mit einer Hyperparametersuche optimiert und für verschiedene Konstellationen von Pariktelgrößen und variierender Bildqualität analysiert. Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Leistung der Größenklassifizierung in allen Anwendungen. Die Klassifizierung hat eine Genauigkeit von 99%, wobei häufig mehr als 90% der Partikel wiedergefunden wird. Diese Werte sind nicht an eine bestimmte Kombination von Partikelgrößen gebunden, sondern gelten auch für sich überlappende Partikelbilder und wenn Partikel ähnlicher Größe verwendet werden. Die Fehler bei der Position in der Ebene liegen innerhalb der Grenzen des Fehlers der gegebenen Beschriftungen, und der Fehler bei der Tiefenposition beträgt weniger als 1% des Messvolumens für alle Konstellationen.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Im Fokus der aktuellen Mobilitätswende und als zentraler Bestandteil von Speichermöglichkeiten für erneuerbare Energien stehen Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen, die Wasserstoff und Sauerstoff mittels einer Redox-Reaktion emissionsfrei zu Energie wandeln können. Damit die in einer solchen Brennstoffzelle verbaute Membran-Elektroden-Einheit bei verschiedenen Lastpunkten nicht austrocknet, müssen sowohl das Brenngas Wasserstoff als auch das Oxidationsgas Luftsauerstoff definiert befeuchtet werden. Um die Zellkomponenten und ganze Systemlösungen von Brennstoffzellen in stationären Prüfständen testen zu können, kann ein Blasensäulenreaktor zur Gasbefeuchtung verwendet werden, wobei ein trockener Gasstrom bei verschiedenen Temperatur- und Druckniveaus bis zum Sättigungspunkt befeuchtet werden kann. Dieser befeuchtete Gasstrom wird anschließend mit einem trockenen Gasstrom definiert gemischt, um einen Taupunkt oder eine relative Feuchte nach Wahl erhalten zu können. In dieser Arbeit wurde solch ein Blasensäulenreaktor mit Nebenaggregaten aufgebaut, verkabelt und hinsichtlich der Funktionsweise der Taupunktregelung getestet. Besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Hinterdruckregelung, die Wasserzufuhr, die Kondensatabscheidung und die Messstrecke gelegt. Bei den durchgeführten Messreihen, die Versuche zur relativen Feuchte, zum Taupunkt und Langzeitversuche umfassten, konnte der Erfolg des Gasbefeuchtungsverfahrens nachgewiesen werden.
Numerical studies of turbulent convective heat and momentum transport in molten salt tube coupled with concentrated solar power. - Ilmenau. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
In dieser Masterarbeit werden der turbulente konvektive Wärme-und Impulstransport in einer Rohrströmung mit Salzschmelze für solartechnische Anwendungen numerisch untersucht. Nur die Hälfte der Umfangsfläche des Absorberohrs wird durch Vorgabe einer vom Polarwinkel φ im Bereich – π/2 < φ < π/2 abhängigen Wärmestromdichte [q](φ) = [q]0 cos(φ) an der Rohraußenseite beheizt, die Rückseite wird komplett adiabat gehalten. Die Simulationen werden in hydrodynamisch glatten und hydrodynamisch rauen Rohren durchgeführt. Das Ziel in hydrodynamisch glatten Rohren ist, den Einfluss des Wärmestroms [Q], der Reynolds-Zahl [Re], Biot-Zahl [Bi] und Planck-Zahl [Pl] auf die Temperaturdifferenz [Tout – Tin], den Druckverlustbeiwert [Zeta], den konvektiven Wärmeübergangskoeffizent [havg], die turbulente kinetische Energie [k], die turbulente kinetische Dissipationsrate [Epsilon] und auf externe Wärmeverluste über Konvektion und Strahlung numerisch zu untersuchen. Die Geschwindigkeits- und Temperaturprofile an drei Positionen: Einlass, Mitte und Auslass des Rohres werden dimensionslos aufgetragen und anhand der Kennzahlen formuliert. Das Ziel im hydrodynamisch rauen Rohr war es, den Einfluss der relativen Rauheit [Epsilon]/[D] oder der Rauheit Reynolds-Zahl [Rex] auf den Druckverlustbeiwert [Zeta], den konvektiven Wärmeübergangskoeffizient [havg], die Wärmeverluste [Qverluste], die Planck-Zahl [Pl] und den mittleren inneren Oberflächentemperatur [Ts,i] numerisch zu untersuchen. Das Wärmeträgermedium für die Experimente ist geschmolzenes Salz und wurde aufgrund seiner guten thermischen Eigenschaften ausgewählt. Die Experimente werden mit Reynolds-Zahlen im Bereich von [Re]1) = 9741, [Re](2) = 0,821[Re](1), [Re](3) = 0,726[Re](1), [Re](4) = 0,533[Re](1) durchgeführt. Die winkelabhängige konzentrierte Solarstrahlung variiert zwischen [Q]1 = 1000 Sonnen, [Q]2 = 0,8[Q]1, und [Q]3 = 0,6[Q]1. Die Simulationen werden mit dem CFD-Programm ANSYS-Fluent durchgeführt. Das geometrische Modell hat eine konstante Länge von 3,0 m und eine konstante Rohrwanddicke von 1,5 mm mit den Innendurchmessern [Din](1) = 0,023 m,[Din](2) = 0,8697[Din](1) und [Din](3) = 0,7393[Din](1). Die Rohre werden charakterisiert mit dem Wandwärmeleitparameter [Lambda] = ([lambda][wall]/[d])/([lambda][salt]/[Din]) im Bereich [Lambda]1 = 713,2, [Lambda]2 = 0,8695[Lambda]1, [Lambda]3 = 0,7393[Lambda]1 für [Din](1), [Din](2), [Din](3). Das Schubspannungstransport (SS-K-[omega]) Turbulenzmodell wurde zur Simulation der Wärmeübertragung bei turbulenter Strömung verwendet, und das Strahlungsmodell mit diskreten Koordinaten wurde verwendet, um die Strahlung zu modellieren. Am Ende werden die Ergebnisse bei gleichmäßiger und ungleichmäßig winkelabhängiger Wärmestromdichte gegenübergestellt und die Unterschiede und Ähnlichkeiten herausgearbeitet.
Numerische Untersuchungen zum Wärme- und Impulstransport in turbulenter Mischkonvektion in der SCALEX-Anlage. - Ilmenau. - 97 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Konvektion bezeichnet einen Mechanismus zum Transport von Wärmeenergie innerhalb eines Gases oder einer Flüssigkeit. Im Gegensatz zur Wärmeleitung beruht der Wärmetransport durch Konvektion auf dem makroskopischen Transport der molekularen Bestandteile des Fluids. Die Mischkonvektion tritt auf, wenn in einem System eine räumliche und zeitliche Überlagerung von natürlicher und erzwungener Konvektion vorliegt. Dieses Phänomen findet zum Beispiel bei der Klimatisierung der Passagierkabine eines Flugzeuges statt und sein Verständnis würde es ermöglichen, einen thermischen Komfort während des gesamten Fluges zu schaffen. In dieser Arbeit wurde eine numerische Simulation eines Modellexperiments, das eine Flugzeugkabine in stark verkleinertem Maßstab nachbildet, mithilfe des kommerziellen CFDCodes ANSYS/FLUENT durchgeführt. Experimentell befindet sich der Modellraum in der SCALEX-Anlage, in der Modellexperimente in verkleinertem Maßstab durch Aufprägen eines Überdrucks durchgeführt werden können. Ziel war hier die verschiedenen Strömungsstrukturen (Temperatur-und Geschwindigkeitsfelder) innerhalb dem Modellraum im Bereich der gemischten Konvektion zu identifizieren. Hierfür wurde durch Änderung der Temperaturdifferenz und des Arbeitsdrucks die dimensionslosen Kontrollparameter Rayleigh-Zahl und Reynolds-Zahl variiert. Der Zustand der Mischkonvektion wird durch die Archimedes-Zahl beschrieben, die physikalisch das Verhältnis der thermisch induzierten Auftriebskraft zur Trägheitskraft der druckgetriebenen Strömung darstellt. Die Archimedes-Zahl beträgt hier 0, 1 ≤ Ar ≤ 5. Als Arbeitsgas wurde trockene Luft bei einem Druck von 1 ≤ p ≤ 9 bar eingesetzt. Die Temperaturdifferenz liegt hier bei 5 ≤ ∆T ≤ 10 K. Somit konnte, ausgehend von einer Hypothese zur Strukturbildung, die auftretenden Strömungsstrukturen im Modellraum klassifiziert und Vorhersagen zur Strukturbildung im Bereich der gemischten Konvektion gemacht werden.