Studentische Arbeiten

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Erstellt: Sun, 17 Oct 2021 14:12:42 +0200 in 0.0666 sec


Mai, Vinh Hieu;
Numerische Untersuchungen zum konvektiven Wärmeübergang an angeströmten, rotierenden Zylindern mit rauer Oberfläche. - Ilmenau. - 78 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Strömung um einen rotierenden Kreiszylinder und die damit verbundenen Phänomene wie der Wärmeübergang, der Magnus-Effekt und die Kármánsche Wirbelstraße treten in einer Vielzahl technischer Anwendungen auf. Diese Phänomene treten nicht in allen Fällen auf die gleiche Weise auf und werden hauptsächlich durch die Faktoren Temperaturdifferenz, Strömungsgeschwindigkeit, Drehgeschwindigkeit und Oberflächenrauheit des Zylinders beeinflusst. Um die Einflüsse dieser Faktoren auf die oben genannten Phänomene zu untersuchen, wurden die numerischen Untersuchungen mit dem CFD-Programmpaket ANSYS Fluent durchgeführt. Gegenstand dieser Arbeit ist ein Luftstrom mit den Geschwindigkeiten 0, 0,1295, 1,0724 und 2,6044 m/s, der auf einen beheizten horizontalen Zylinder mit einem Durchmesser von 0,1 m trifft. In Kombination mit der Temperaturdifferenz, der Drehgeschwindigkeit und der Rauheit wurden ihre individuellen und kombinierten Einflüsse auf den Wärmeübergang, den Magnus-Effekt und die Kármánsche Wirbelstraße untersucht.



Hübner, Maria;
Characterisation of a pressure chamber loading element with aerostatic seals. - Ilmenau. - 83 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In unserer heutigen Gesellschaft ist die Reduktion des Energieverbrauches der Bevölkerung und der Industrie eine globale Herausforderung und ein integrales Forschungsgebiet des Ingenieursberufes. Durch den momentan stark an Bedeutung gewinnenden Online- und Versandhandel und das Streben nach weniger Kunststoffverpackungen steigt die Nachfrage nach Karton als Verpackungsmaterial stetig, wobei die Produktion sehr energieaufwändig ist und große Reibungsverluste hat. Eine Verbesserung des Biegeausgleichssystemes hat das Potential, die Reibung signifikant zu reduzieren. Dieses besteht meist aus einem sich verbiegendem inneren, stationärem Schaft und einem äußeren, unverformten, sich bewegenden Mantel sowie ein oder mehrere abgedichtete Ölkammern dazwischen zur Kompensierung der Durchbiegung. Eine mögliche Umsetzung der Reibungsreduzierung ist das Ersetzen der Ölkammer mit einer druckbeaufschlagten Luftkammer mit umschließender poröser Dichtung. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, ein Designwerkzeug zu implementieren, welches die Auslegung von Prototypen eines Biegeausgleichssystems mit Luft als Arbeitsmedium vereinfacht. Im ersten Teil der Arbeit wurde untersucht, welche Formeln zur Beschreibung der Fluiddynamik und der Berechnung der Permeabilität geeignet sind. Anschließend wurde ein numerisches Modell einer Luftkammer mit umschließender poröser Dichtung und Gegenplatte aufgesetzt und mittels experimenteller Daten validiert. Eine systematische Variation von acht Eingangsvariablen wurde durchgeführt, um den Einfluss dieser Eingangsparameter auf die Leistungsparameter Verlustvolumenstrom, Tragfähigkeit und Steifigkeit zu identifizieren. Die Ergebnisse der Vorstudie zeigten qualitative Übereinstimmung für alle Leistungsparameter, wenn die Permeabilität mit der Darcy-Gleichung basierend auf dem Volumenstrom berechnet wurde. Das Strömungsverhalten wurde in dem porösen Material mittels der Darcy-Gleichung und in dem Luftspalt mittels Navier-Stokes-Gleichung beschrieben. Die Resultate des numerischen Modells der Luftkammer mit poröser Dichtung stimmten qualitativ mit den experimentellen Ergebnissen überein. Die systematische Variation ermöglichte Aussagen zum Verhalten des Systems bei Variation der Eingangsparameter. Zusammenfassend ist das implementierte Modell geeignet für eine unkomplizierte und kostengünstige Untersuchung von unterschiedlichen Eingangsparametern und kann somit den Entwicklungsprozess eines Biegeausgleichssystems mit Luft als Arbeitsfluid unterstützen.



Ennayar, Hatim;
Numerische Simulation des 2. Stokesschen Problems unter Magnetfeldeinfluss. - Ilmenau. - 76 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In der Astrophysik und Geophysik werden magnetohydrodynamische Wellen, sog. Alfvén-Wellen, als ein Schlüsselelement beim Transport von Impuls und Energie angesehen. Aufgrund ihrer wichtigen Rolle in der Plasmaphysik haben sie in den letzten Jahrzehnten großes Interesse geweckt. Das Anfachen von Alfvén-Wellen in flüssigen Metallen im Labormaßstab ist jedoch nach wie vor von hohem Schwierigkeitsgrad, insbesondere bei mechanischer Anregung. Diese Arbeit untersucht numerisch unter Verwendung des kommerziellen Simulationsprogramms ANSYS-Fluent die Möglichkeit, Alfvén-Wellen in einem elektrisch leitfähigen Fluid in Bewegung mittels einer oszillierenden Wand unter Magnetfeldeinfluss zu erzeugen. Die numerischen Simulationen können den gleichen Einfluss der magnetischen Reynolds-Zahl auf die Ausbreitung der Wellen wie theoretisch reproduzieren. Darüber hinaus beeinflusst das magnetische Prandtl-Verhältnis die Geschwindigkeit jenseits der Hartmann-Schicht sowie die Reflexionseigenschaften von Alfvén-Wellen an isolierenden Wänden stark. Die Auswirkungen der Lundquist-Zahl und des ohmschen Dämpfungsverhältnisses auf die Intensität der Wellen stimmen mit der Theorie überein. Die Wirkung perfekt leitender Wände auf Grenzschichten und Reflexion wird ebenfalls diskutiert.



Einfluss von Oberflächenrauigkeiten auf den Magnus-Effekt anhand von numerischen Simulationen. - Ilmenau. - 51 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses von Oberflächenrauigkeit auf den Magnus-Effekt. Die Arbeit ist dabei Teil der Entwicklung eines neuartigen Spoilers für Fahrzeuge, der den Magnus-Effekt nutzt.Für die Untersuchung wurden numerische Berechnungen mit Hilfe des Programms Ansys Fluent gemacht. Dabei wurde die Rotationsgeschwindigkeit variiert und jede Berechnung einmal mit und einmal ohne Rauigkeit durchgeführt. Für die Auswertung wurden der Widerstandskoeffizient und der Auftriebskoeffizient im zeitlichen Verlauf herangezogen. Im Ergebnis konnte ein Einfluss der Oberflächenrauigkeit festgestellt werden, der sich sowohl positiv als auch negativ auf den Effekt auswirkt. Die Rauigkeit wirkt sich bei einem niedrigen Verhältnis von Oberflächengeschwindigkeit (V) zur Strömungsgeschwindigkeit (U) von bis zu V/U = 2 positiv aus. Über diesem Verhältnis, wirkt sich die Rauigkeit negativ aus. Zusätzlich wurde festgestellt, dass die durch den Magnus-Effekt erzeugte Kraft nicht kontinuierlich anliegt, sondern in gleichbleibender Frequenz schwingt.



Käufer, Theo;
Charakterisierung verschiedener Einflussfaktoren auf die Messung von Temperaturfeldern mittels thermochromer Flüssigkristalle. - Ilmenau. - 47 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Zur Untersuchung temperaturgetriebener Strömungen ist die genaue Kenntnis der zeitlich und räumlich aufgelösten Temperatur von großer Bedeutung. Eine Messtechnik, mit welcher solche Temperaturdaten bestimmt werden können, ist die thermochrome Flüssigkristall-basierte Partikel-Bild-Thermometrie (TLC-PIT). In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz vorgeschlagen, der eine Multispektralkamera mit bis zu zwölf verschiedenen Farbkanälen verwendet, um das temperaturabhängige Farbbild der thermochromen Flüssigkristalle aufzuzeichnen. Außerdem wird ein neues Verarbeitungsschema vorgestellt, das auf maschinellem Lernen basiert und die mit der Multispektralkamera aufgenommenen Intensitätsdaten verarbeiten kann. Die neuartige Technik wird mit einer konventionellen Methode verglichen, die eine Kamera mit einem roten, grünen und blauen Farbkanal zur Bilderfassung verwendet. Dazu wurde ein Experiment aufgebaut, mit dem die auftretenden Temperaturn in der wassergefüllten Zelle durch Einstellen der Temperaturen der unteren und oberen Begrenzung kontrolliert werden können. Um die optimale experimentelle Konfiguration und Parameter zu bestimmen, wird der Einfluss des Beobachtungswinkels auf das Farbbild der thermochromen Flüssigkristalle durch die transparente Seitenwand der Zelle analysiert. Es wurden Bilddaten von verschiedenen Temperaturkonfigurationen aufgenommen, die entweder Rayleigh-Bénard-Konvektion oder eine stabile thermische Schichtung generieren. Verschiedene Verarbeitungsansätze mit unterschiedlichen Techniken des maschinellen Lernens wurden auf die Daten angewendet, um deren Eignung zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwendung einer Multispektralkamera für TLC-PIT vielversprechend und ein künstliches neuronales Netz gut geeignet ist, die Multispektraldaten zu verarbeiten. Da jedoch die in dieser Studie verwendete Multispektralkamera die Farbkanäle nacheinander aufzeichnet, bleibt ihre Anwendung auf Rayleigh-Bénard-Konvektion aufgrund der begrenzten Aufzeichnungsfrequenz eine Herausforderung. Weitere Entwicklungen sollten sich daher auf die Reduzierung der benötigten Aufnahmezeit oder die Verwendung einer Kamera, die alle Farbkanäle gleichzeitig aufnimmt, konzentrieren. Zusätzlich könnte der Temperaturmessbereich durch die Kombination eines Superkontinuum-Lasers mit einem breiten Beleuchtungsspektrum und einer Multispektralkamera erweitert werden.



Großhauser, Alexander;
Untersuchung von magnetisch angeregten Grenzflächenschwingungen in einem 3-Fluid-System. - Ilmenau. - 50 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Ein großes Problem von Flüssigmetallbatterien stellt die Durchbrechung der Elektrolytschicht durch Grenzflächenschwingungen dar, da dies zu einem Kurzschluss führt und somit die Batterie beschädigen kann. In der folgenden Arbeit wird die resultierende Wellenbewegung, die hydrodynamisch der Mode der Metal Pad Instabilität sehr ähnlich ist, untersucht. Die Grenzflächenschwingungen werden mittels Ultraschall-Doppler-Velozimetrie aufgenommen und anhand der Schwingungsmoden an den inneren Grenzflächen durch Resonanzfrequenzen und räumliche Amplitudenverteilung charakterisiert. Zudem wird ein geeignetes Ersatzfluid für das in früheren Versuchen benutzte 3M Novec ausgewählt, da dies Mischungseffekte mit dem Silikonöl aufzeigte.



Naumann, Clemens;
Untersuchungen zur Verblockung in Wanderbett-Wärmeübertragern. - Ilmenau. - 54 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Solarthermische Kraftwerke sind wesentlicher Bestandteil regenerativer Technologien zur Energieerzeugung. In Zeiten des Klimawandels gewinnen diese Energiequellen zunehmend an Bedeutung. Um die Effizienz dieser Kraftwerke zu maximieren, sind hohe Prozesstemperaturen erforderlich. Damit diese hohen Temperaturen erreicht werden können, wird ein hochtemperaturstabiles Wärmeträgermedium benötigt. Vielversprechend dafür ist die Benutzung von Sinterbauxit in Form von kleinen keramischen Partikeln als Wärmeträger- und Speichermedium. Um die gespeicherte Wärme zu entkoppeln, können Wanderbettwärmeübertrager (WBWÜ) verwendet werden. Diese bestehen aus horizontal angeordneten Rohren, in denen Wasser aufgrund der äußeren Umströmung mit heißen Partikeln verdampft wird. Bei hinreichend kleinen Rohrabständen kann es zu Verblockungen im Schüttgut kommen, welche zu unkontrolliertem Leistungsabfall des Wärmeübertragers führen. Um diesen kritischen Abstand zu bestimmen, werden in dieser Arbeit Verblockungsuntersuchungen an einem Teststand durchgeführt, bei denen der Massenstrom in Abhängigkeit einer variablen Rohranordnung gemessen wird. Zusätzlich wird der maximale Massenstrom für verschiedene Rohrabstände gemessen, um die zukünftige Dimensionierung von WBWÜs zu optimieren. Die Ergebnisse zeigen, dass zwischen Rohren mit einem Durchmesser von 19 mm bei horizontalen Rohrabständen von weniger als 1,7 mm kein kontinuierlicher Partikelfluss möglich ist. Außerdem wird gezeigt, dass es mithilfe der Massenstrom-Messwerte von ausgewählten größeren Abständen möglich ist, den maximalen Massenstrom für beliebige andere Rohrabstände theoretisch zu bestimmen. Granulare Particle Image Velocimetry (g-PIV) wird zudem an den Stirnseiten der Rohre eingesetzt, um zu zeigen, dass sich die Fließeigenschaften der Partikel in Abhängigkeit des vertikalen Rohrabstands ändern.



Breuer, Simon Sebastian;
Voruntersuchungen zum Einsatz akustischer Oberflächenwellen in Brennstoffzellen. - Ilmenau. - 65 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die Brennstoffzelle (BSZ) ist einer der Hoffnungsträger in der Energiewende. Allerdings ist die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit gegenüber anderen Technologien durch den diffusionsbegrenzten Massentransport sowie eine lange Aufheizphase zum Erreichen der Betriebstemperatur nur bedingt gegeben. Abhilfe können akustische Oberflächenwellen (SAW, engl. surface acoustic wave) bieten, die in der Mikrofluidik zum gezielten Anregen von Strömungen durch den Acoustic Streaming Effekt (ASE) verbreitet sind. Allerdings besitzt der ASE einen niedrigen Wirkungsgrad, weshalb ein Großteil der akustischen Energie in Wärme umgewandelt wird. Für einen gezielten Massentransport bei gleichzeitiger Erwärmung des Fluids könnten somit SAWs in Brennstoffzellen eine wertvolle Anwendung darstellen. Durch die experimentelle Charakterisierung akustischer Strömungen in Elektrolyten mit unterschiedlicher spezifischer elektrischer Leitfähigkeit und durch die Charakterisierung des Wärmeeintrags in akustischen Strömungen einer Wasser-Glycerin-Lösung soll ein potentieller Nutzen von SAWs in Brennstoffzellensystemen abgeleitet werden. Dabei wurden Geschwindigkeits- und Temperaturmessungen mit partikelbasierten Messmethoden wie der Micro Particle Image Velocimetry ([my]PIV), Astigmatischen Particle Tracking Velocimetry (APTV) und der Lumineszenz-Lifetime-Methode in akustischen Strömungen in Ersatzsystemen aus PDMS-Mikrokanälen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei den betrachteten Elektrolyten kein signifikanter Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit auf die akustische Strömung nachzuweisen ist. Zudem konnte bei den Temperaturmessungen beobachtet werden, dass ein strömendes Fluid durch eine SAW in einem Mikrokanal erwärmt werden kann. In einer Ebene des Mikrokanals konnten Temperaturgradienten von bis zu etwa 5 ˚C/mm gemessen werden. Aus diesen Resultaten lässt sich ableiten, dass akustische Oberflächenwellen prinzipiell für einen gezielten Massentransport bei gleichzeitiger Erwärmung des Fluids zur Anwendung in Brennstoffzellen geeignet sind.



Petersen, Nils Ole;
Optimierung der Welleninnenbeölung für Doppelkupplungsgetriebe. - Ilmenau. - 105 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

Für die Weiterentwicklung des 8-Gang Doppelkupplungsgetriebes von Mercedes soll die Schmierung der Wellenbauteile über die Abtriebswellen optimiert werden. Mittels eigens hierfür angefertigten Blenden für die radialen Schmierbohrungen wurden die Einflüsse der Verkleinerung dieser Bohrungen auf den Ölstrom mithilfe eines Wellenprüfstandes untersucht. Unterstützt wurden die Untersuchungen durch eine vereinfachte fluidmechanische Modellierung des Systems und softwarebasierte Simulierungen der Versuche. Ziel der Versuche ist eine gleichmäßige Verteilung des Schmieröls auf die radialen Bohrungen und die Behebung der auftretenden Mangelschmierung am hinteren Teil der unteren Abtriebswelle bei geringem Eingangsvolumenstrom. Es wurde ein variabler Versuchsplan und ein Bewertungssystem für die Versuche ausgearbeitet. Die Auswertungen der Messreihen zeigen deutliche Verbesserungen im Vergleich zum Ausgangszustand. Das Ergebnis ist jedoch nicht vollständig zufriedenstellend, da die Versuche nicht beendet werden konnten. Durch das fluidmechanische Modell konnte der Einfluss der Drehzahl und der Blendengeometrie auf die Volumenströme klassifiziert werden. Für eine genaue Bestimmung der Fluidfilmströmung in einer rotierenden Hohlwelle bedarf es jedoch noch näheren Untersuchungen. Die Ergebnisse der Arbeit fließen in die Optimierung des Serien- und des Nachfolgergetriebes ein.



Baierl, Cornelius;
Untersuchungen zum Einfluss der Magnetfeldgradientenkraft auf Flüssigkeitsströmungen in Mikrokanälen. - Ilmenau. - 122 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

Zum Aufkonzentrieren oder Bündeln von Lösungen mit paramagnetischen Ionen oder zum gezielten Steuern von Volumenströmen auf mikrofluidischen "Lab-on-a-Chip" - Systemen können magnetische Volumenkräfte genutzt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss einer magnetischen Volumenkraft auf ein Fluid mit konzentrationsabhängigem magnetischen Verhalten innerhalb eines Mikrokanals zu untersuchen. Diese Volumenkraft ist als Magnetfeldgradientenkraft bekannt. Mithilfe von Simulationsmodellen werden für ein in der Herstellung befindliches Mikrosystem, mit ferromagnetischen Mikrostrukturen, Vorbetrachtungen zur experimentellen Charakterisierung vollzogen. Durch den Konzentrationsunterschied von im Fluid gelösten Ionen wird besonders in der Nähe eines in der Kanaldecke eingegrabenen ferromagnetischen CoFe - Streifens eine Querströmung senkrecht zur volumenstromgeregelten Hauptströmungsrichtung erzeugt. Ein Permanentmagnet generiert hierbei das benötigte, stationäre Magnetfeld. Die Fragestellung lautet, wie sich die Magnetfeldgradientenkraft in Kombination mit weiteren Volumenkräften auf die hervorgerufene Querströmung auswirkt und welche experimentellen Randbedingungen es zu deren Beeinflussung geben könnte. Um die experimentelle Charakterisierung des vorhandenen mikrofluidischen Systems vorzubereiten, wird zunächst eine Chiphalterung entworfen und die "Astigmatic Particle Tracking Velocimetry (APTV)" zur Messung aller drei Geschwindigkeitskomponenten ausgewählt. Im Rahmen dieser Arbeit werden Simulationen zum mikrofluidischen Chip, bestehend aus einem Y-Kanal mit Elektroden und in der Wand eingelassenen CoFe-Mikrostrukturen, erstellt. Einerseits wird das dreidimensionale Simulationsmodell unter Berücksichtigung eines überlagerten elektrischen Feldes und elektrochemischer Reaktionen an den Elektroden in der Umgebung des CoFe betrachtet. Andererseits wird das Modell ohne elektrochemischen Stoffumsatz untersucht, wobei ein Konzentrationsunterschied an paramagnetischen Ionen durch das Zuführen unterschiedlich konzentrierter Lösungen auf Wasserbasis über die beiden Inlets des Y - Kanals generiert wird. In diesem passiven System wirkt keine Lorentzkraft. Allerdings wird die Strömung der Magnetfeldgradientenkaft durch eine konzentrationsabhängige, dichtegetriebene Strömung überlagert. Hierbei wird festgestellt, dass die konzentrationsabhängige Auftriebskraft für die Strömungsrichtung und die Stärke der resultierenden Querströmung nicht vernachlässigbar ist. Hinsichtlich Stärke der Querströmung und verwendeter Messtechnik wird ein geeigneter Betriebspunkt durch Variation der experimentellen Randbedingungen, wie Position und Größe des Permanentmagneten, Verhältnis der beiden eingespeisten Volumenströme und Gesamtvolumenstrom, gesucht. Für das passive System ist ein zum Mittelpunkt der CoFe - Mikrostruktur zentrierter, zylindrischer Permanentmagnet mit d=12 mm am besten geeignet. Für die experimentelle Charakterisierung des Einflusses der Magnetfeldgradientenkraft sollte ein symmetrischer Zufluss über die beiden Inlets gewählt werden. Es wurde festgestellt, dass der Gesamtvolumenstrom den größten Einfluss auf die Querströmung ausübt. Daher wird der betrachtete Gesamtvolumenstrom durch die mittlere Geschwindigkeit von 1 mm/s in der Hauptströmungsrichtung festgelegt. Im Vergleich zu 0.22 mm/s verändert sich die Stärke der Querströmung, nach oben hin, deutlicher, als jeweils durch die Variation der zuvor aufgeführten Parameter. Um den signifikanten Einfluss der dichtegetriebenen Querströmung zu überprüfen, wurde auf Basis der Laser induzierten Fluoreszenz Technik ein vereinfachtes Experiment für vergleichbare Konzentrationsverhältnisse durchgeführt und qualitativ dokumentiert. Dabei zeigte sich für Flüssigkeiten mit einem geringfügigen Dichteunterschied von 3.3 % eine deutlich größere Durchmischung als bei gleicher Dichte, wo nur Diffusion zu wirken scheint. Das passive Setup bietet mit dem einstellbaren Gesamtvolumenstrom einen gut zugänglichen Parameter für eine anzupassende Querströmung. Gleicht man die Dichte der beiden zugeführten Volumenströme an, so kann die Auftriebskraft vernachlässigt und der Einfluss der Magnetfeldgradientenkraft auf die Querströmung explizit untersucht werden.