Studentische Arbeiten und Assistenten

Akustische Oberflächenwellen (SAW) besitzen viele Anwendungsmöglichkeiten in der heutigen Technik, wie zum Beispiel Partikel zu fokussieren und zu transportieren. Beispielsweise lassen sich mit diesen akustische Pinzetten realisieren, um darin befindliche Partikel zu fokussieren. Das Kanalmaterial ist dabei zumeist aus Soft-PDMS. Soft PDMS ist ein Polymer auf Siliziumbasis und erlaubt mikrofluidische Strukturen schnell und reproduzierbar herzustellen. Aufgrund des geringen E-Moduls von Soft-PDMS werden die SAW stark gedämpft und Schallwellen in der Flüssigkeit schwach an den Wänden reflektiert. Zum einen führt dies zu einer geringen akustischen Energiedichte, zum anderen zu einer nicht optimalen Druckverteilung in der Flüssigkeit, um zum Beispiel Partikel zuverlässig zu trennen. Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Bachelorarbeit zwei akustische Pinzetten mit einem zweidimensional stehenden SAW-Feld untersucht. Dabei wurde eine aus Soft-PDMS und eine aus Hard-PDMS gefertigt. Das Hard-PDMS ist ein ähnliches Polymer auf Siliziumbasis mit einem zwei bis dreimal höheren E-Modul als Soft-PDMS. Zur Untersuchung des Einflusses vom Material auf das Druckfeld, wurden die dreidimensionalen Partikelfokussierungen in den zwei akustischen Pinzetten mithilfe der astigmatischen Particle Tracking Velocimetry (APTV) bestimmt und verglichen. Mit der Fokussierung von drei unterschiedlichen Partikelgrößen konnten zunächst Ergebnisse aus der Literatur bestätigt werden. Eine Abhängigkeit der Partikelfokussierung von dem verwendeten Kanalmaterial konnte jedoch nicht festgestellt werden. Um dieses Ergebnis zu bestätigen, wurden die Partikelfokuspositionen zweier akustischer Pinzetten mit einem eindimensional stehenden SAW-Feld aus beiden Materialien miteinander verglichen. Auch hier konnten keine wesentlichen Unterschiede der Partikelfokuspositionen festgestellt werden. Unabhängig von dem verwendeten Kanalmaterial wurden die Partikel in einer mittleren und einer oberen Höhenposition des Mikrokanals fokussiert.

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.

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.

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.

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.

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.

Nach der Durchführung und Auswertung der Benchmarkanalyse im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden in diesem Abschnitt noch einmal die aussagekräftigsten Ergebnisse vorgestellt. Die Hauptaufgabe war, die Gesamtleistung der Benchmark-Anlage sowie das allgemeine Design mit der Klimaanlage von MAHLE Industrial Thermal Systems zu vergleichen und die wichtigsten Unterschiede festzuhalten. Die Messung des Gebläses und der Anlage zur Ermittlung der Luftmenge lieferte Kennlinien, welche den Gebläsen von MAHLE im Wirkungsgrad überlagen. Aus reiner Betrachtung der Luftmenge ist ebenso der Druckabfall in der Benchmark-Anlage geringer, weshalb sie bessere Ergebnisse liefert. Das verbaute Gebläse ist also leistungsstärker als das Vergleichsobjekt. Die Ermittlung der Kälteleistung des Verdampfers im Klimaprüfstand zeigte, dass der im Benchmark-Objekt verbaute Flachrohr-Verdampfer hier unterdurchschnittliche Leistungen lieferte. Der luftseitige Druckabfall liegt mit ca. 15 % über dem nächsten Vergleichsobjekt deutlich über den Konkurrenzprodukten, auch über denen der Rundrohr-Bauweise, was negativ zu beurteilen ist. In der Kälteleistung konnte er ebenfalls nicht mit den Wettbewerbern konkurrieren. Auch hier liegen die Gesamtleistung und die sensible Leistung in allen gemessenen Umgebungen etwa 5 % unter dem leistungsstärksten Bauteil. Die Betrachtung des Temperaturprofils ergab verhältnismäßig hohe Temperatur-unterschiede von 9,1 K als Maximalwert auf der Bauteiloberfläche und damit eine ungleichmäßige Kühlung der durchströmenden Luft. Insgesamt gleicht der unterdurchschnittliche Verdampfer also die überdurchschnittliche Leistung des Gebläses fast vollständig aus, weshalb beide Klimaanlagen letztendlich eine ähnliche Gesamtleistung aufweisen. Beim Berstdruckversuch erfüllt der Heizkörper und Verdampfer die Anforderungen, wobei sich der Heizkörper schon bei 6 bar Berstdruck aufbläht, was als Versagen zu bewerten ist. Die metallografische Untersuchung beider Bauteile zeigt eine unzureichende Verlötung der Wellrippen am Verdampfer. Sonst ergeben sich jedoch keine Auffälligkeiten. Auch im Einschraubversuch besteht die Benchmark-Anlage bei vier von fünf getesteten Schraubverbindungen die Forderung von mindestens fünf Einschraubvorgängen ohne festgestellte Beschädigung am Kunststoffgehäuse. Die ausführliche Analyse zeigt somit, dass die Anlagen ähnliche Gesamtleistungen liefern, obwohl unterschiedliche Komponenten verwendet werden. Der größte konstruktive Unterschied ergibt sich in der Bauform des Verdampfers. Während die Benchmark-Anlage Flachrohr-Verdampfer verwendet, setzt MAHLE auf die konventionellen Rundrohr-Verdampfer. Die Benchmark-Analyse zeigt also, dass vor Allem das Gebläse in der Referenz-Klimaanlage ausbaufähig ist, um die Leistung zu erhöhen, während der Großteil der Komponenten bereits wettbewerbsfähig ist. Zudem ist vorstellbar, dass MAHLE-Projekte in Zukunft auch zu Flachrohr-Verdampfer übergehen, da diese eine flexiblere Bauform zulassen, jedoch keine Nachteile in Hinsicht auf deren Leistung aufweisen. Da jedoch hauptsächlich auf die Verwendung bereits eingesetzter Serienprodukte wertgelegt wird, da diese bereits bestimmte Validierungsprozesse durchlaufen haben, ist es unwahrscheinlich, für ein einzelnes Projekt neue Verdampfer herzustellen. Da die Kunden oft spezielle Anforderungen haben, existiert keine standardisierte Zusammenstellung von Komponenten, sondern wird spezifisch kombiniert. Die Benchmark-Analyse resultiert in einem Erfolg, da die Schwachstellen der eigenen Anlage ermittelt und auch Stärken gegenüber der Konkurrenz festgestellt werden konnten.

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.

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.

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.

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 &ring;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.

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.

Im Zuge des Klimawandel und der zunehmenden Urbanisierung rück batterieelektrische Stadtbusse verstärkt in den Fokus der Entwicklung. Bei diesen ist die Batterie der einzige Energiespeicher und muss diese begrenzte Energie für die Fahrleistung und Klimatisierung bereitstellen. Zusätzlich sind die verfügbaren Batterien sehr temperatursensibel. Um eine hohe Reichweite ohne Einbußen in der Betriebssicherheit zu erhalten ist es daher notwendig, die Temperatur der Batterie durch gezielte Zufuhr und Abfuhr von Wärme konstant zu halten. Dies muss bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Lastprofilen sichergestellt werden. Für das Thermomanagement ist daher die Kenntnis der Einflüsse auf die Batterietemperatur von größter Wichtigkeit. In dieser Arbeit wird das thermische Verhalten eines kühlmittelgekühltes Batteriesystem bestehend aus 150 Modulen á 12 Batteriezellen analysiert. Im Betrieb erzeugt der elektrische Strom Wärme, welche die Batteriezellen und diese das Kühlmittel erwärmt. Mittels numerischer Simulationen eines Batteriemoduls wird das thermische Verhalten von Batteriezelltemperatur auf Kühlmitteltemperatur und andersrum bestimmt. Aus den jeweiligen Verhalten werden durch Systemidentifikationen Übertragungsfunktionen erstellt. Diese stellen das Verhalten vom Wärmestrom zur Änderung der Kühlmittelauslasstemperatur, vom Wärmestrom zur Batteriezellwickeltemperatur, von der Kühlmitteleinlasstemperatur zur Batteriezellwickeltemperatur und von der Kühlmitteleinlasstemperatur zur Kühlmittelauslasstemperatur, dar. Des Weiteren wird der Einfluss der Batteriematerialparameter Wärmekapazität und -leitfähigkeit auf das Übertragungsverhalten dargestellt. Ferner wird ein Simulinkmodell vorgestellt, welches die Übertragungsfunktionen so miteinander verknüpft, dass ein Kühlkreislauf des Batteriesystems simuliert wird. Es werden transiente Berechnungen der Batteriezellwickel- und Kühlmitteltemperaturen anhand von Lastprofilen, welche auf standardisierten und realen Fahrprofilen basieren, durchgeführt. Aufgrund der geringen Dynamik des thermischen Systems kann eine einfache Regelung der Kühlmitteltemperatur mittels P-Regler die Batteriezelltemperatur anpassen.

Diese Abschlussarbeit konzentriert sich auf die experimentelle Untersuchung zur Charakterisierung einer Zweiphasenströmung in Mikrokanälen. Ziel war es, eine Methode zu entwickeln, die die zuverlässige Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb von Tropfen mittels einer berührungslosen laseroptischen Messtechnik erlaubt. Eine Tropfenströmung als reproduzierbarer Mikroreaktor wird in der Biomedizin und der Chemieindustrie immer häufiger eingesetzt. In dieser Arbeit wird eine Reihe von Tröpfchen als Forschungsobjekt erstellt, indem Distelöl als kontinuierliche Phase und Glyzerin/Wasserlösung als dispergierte Phase im Mikrokanal verwendet wird. Die Geschwindigkeitsverteilung im Tröpfchen soll mit Hilfe der Particle Image Velocimetry (PIV) bestimmt werden, insbesondere wird die Partikelbildverschiebung durch die Kreuzkorrelationsanalyse zweier benachbarter Bilder bestimmt. Dazu werden die Tracerpartikel im Tröpfchen mit einer Lichtquelle, die eine Wellenlänge von 532 nm aufweist, gleichmäßig beleuchtet. Ein externes Triggersignal wird an die programmierbare Zeiteinheit (PTU) übertragen, um die Lichtquelle und die Kamera zu synchronisieren. Durch die zusätzliche Identifizierung der Phasengrenze zur Einschränkung des zu analysierenden Bereichs wird der Einfluss des Geschwindigkeitsfeldes außerhalb der Tröpfchen eliminiert. Ein externer Trigger und die Identifizierung der Phasengrenze stellen sicher, dass die Tröpfchen an der gleichen Position im Bild abgebildet werden können.

In dieser Arbeit wurde ein bestehender Experimentalaufbau zur Messung von thermischen Konvektionsströmungen um das Verfahren der Background Oriented Schlieren Methode (BOS) ergänzt. Damit wurde gezeigt, dass die BOS Messmethode die Berechnung von zweidimensionalen Temperaturfeldern innerhalb thermisch getriebener Strömungen aufgrund des temperaturabhängigen Brechungsindex des Fluids und des daraus resultierenden veränderten Strahlengangs des Lichts ermöglicht. Das zu untersuchende Fluid wird auf der Messstrecke zwischen Kamera und einem strukturierten Hintergrundbild positioniert. In einer ersten Messung wird das Hintergrundbild mit einer Kamera aufgezeichnet, ohne dass die zu bestimmende Strömung und Temperaturdifferenzen auftreten dürfen. Diese Referenzaufnahme dient zur späteren Korrelation mit einer Messaufnahme und gleichzeitig als Kalibrierung des Messsystems. Bei der Messaufnahme wird die Strömung erzeugt und das Hintergrundbild erneut aufgezeichnet. Temperaturdifferenzen im Fluid erzeugen Änderungen im Brechungsindex und daraus folgend eine scheinbare Verschiebung der Strukturen auf dem Hintergrundbild. Diese scheinbaren Verschiebungen zwischen Mess- und Referenzbild werden mit einem Particle Image Velocimetry (PIV) Algorithmus korreliert und eine Verschiebungsmatrix berechnet. Diese kann in ein Brechungsindexgradientenfeld umgerechnet werden. Aus den physikalischen Zusammenhängen zwischen Brechungsindex und Dichte können final Dichte- und Temperaturfelder berechnet werden. Das BOS Verfahren kann parallel zu Strömungsgeschwindigkeitsmessungen mit dem PIV Messverfahren angewendet werden. Das berechnete Temperaturfeld wurde nach erfolgreicher Implementierung der Messmethode durch das Anbringen von weiteren Temperaturmessstellen innerhalb der verwendeten Messzelle validiert und zeigt sehr gute Übereinstimmungen mit diesen. Die Differenzen zwischen gemessenen und mittels BOS Methode berechneten Temperaturen befinden sich innerhalb der Messgenauigkeit (0,15 K) der Temperatursensoren.

Ein Blockheizkraftwerk (kurz: BHKW) bietet zum derzeitigen Stand der Technik eine der effizientesten Möglichkeiten, die Energie fossiler Brennstoffe in Elektrizität und Wärme umzuwandeln. Durch die motorische Verbrennung entstehen jedoch zum Teil schädliche Abgase für die Umwelt, welche vom Anlagenbetreiber durch gesetzliche Grenzwerte zu minimieren sind. Mit Herabsetzung des Grenzwertes für Stickoxide (NO_x) durch die Verabschiedung der 44. Bundes-Immissionsschutzverodnung, wird die Verwendung der selektiven katalytischen Reduktion (kurz: SCR) erforderlich. Für diese Konvertierungsart wird eine wässrige Harnstofflösung (AdBlue®) in den Abgasstrom eindosiert und muss ein möglichst homogenes Gemisch bilden, damit eine hohe Konvertierungsrate im SCR-Katalysator erreicht werden kann. Ein großes Problem für die Anlagenbauer besteht dabei, die aktuellen Systeme in den vorhandenen Bauraum eines BHKW-Modul zu integrieren. Durch die Entwicklung, Konstruktion und Simulation wurden mit dieser Arbeit neue kompakte Konzepte zur gleichmäßigen Verteilung des Harnstoffs im Abgas untersucht. Das Konzept eines Helixturbulators erfüllt als einziges die Vorgaben der Analyse und wird deshalb für weitere Untersuchungen und Versuche im Feld empfohlen.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Charakterisierung einer Kanalströmung mittels kommerzieller PIV-Messtechnik sowie die Untersuchung des Einsatzes von Smartphones in der PIV. Bisher werden für diese Technik im Normalfall kostspielige spezielle Kameras für die Bildaufnahme verwendet, weshalb die Nutzung von Smartphones eine kostengünstige Alternative wäre, insofern die Qualität der Messungen an die der herkömmlichen Hardware heranreicht. Dies wird hier anhand von Vergleichsmessungen untersucht. Dazu werden Messungen an einem umlaufenden Wasserkanal in einer 1500 mm langen Messstrecke mit quadratischem Querschnitt durchgeführt. Das Strömungsprofil wird dabei für fünf unterschiedliche Geschwindigkeiten an zwei Messstellen untersucht. Für die Experimente wird ein Dauerstrichlaser gepulst und Tracer-Partikel mit einer Größe von 50 [my]m verwendet. Die Rohbilder für die spätere Auswertung werden jeweils einmal mit einer kommerziellen für den Einsatz bei PIV-Messungen vorgesehenen Kamera und einmal mit einem Smartphone aufgenommen. Die Charakterisierung der Kanalströmung erfolgt auf Grundlage der ermittelten gemittelten Geschwindigkeitsvektorfelder und daraus erhaltenen Strömungsprofile für die einzelnen eingestellten Parameter. An den Ergebnissen fällt eine nicht symmetrische Form der Profile auf. Zudem verändern diese sich bei steigender Geschwindigkeit und im Laufe des Kanals. Dort nimmt die Maximalgeschwindigkeit im Verlauf der Messstrecke zu, woraus sich eine noch nicht eingelaufene Strömung an den Messstellen folgern lässt. Für die PIV-Messungen mittels Smartphone wird die Videofunktion "Slow Motion" mit einer Bildfrequenz von 240 Hz genutzt. Es zeigt sich, dass die Smartphone-Kamera nicht exakt die angegebene Bildfrequenz besitzt. Außerdem fehlt die Möglichkeit das Smartphone mit dem verwendeten Laser zu synchronisieren. Des Weiteren tritt durch zeilenweises Auslesen des CMOS-Sensors der Rolling-Shutter-Effekt auf. Die genannten Punkte wirken sich im Vergleich zur herkömmlichen Kamera negativ auf die Messungen aus und führen zu ungenaueren Ergebnissen bei der Smartphone-PIV. Für niedrige Geschwindigkeiten entsprechen die in den Smartphone-Messungen erhaltenen Ergebnisse denen aus den Kamera-Messungen dennoch relativ gut, sodass ein guter erster Eindruck der Strömung vermittelt werden kann. Dies bestätigt insgesamt die prinzipielle Möglichkeit, Smartphones als preiswerte Alternative zu hochwertiger Hardware für PIV-Messungen einzusetzen.

In dieser Arbeit wurde eine neue Methode zur Kalibrierung von Kameras für die stereoskopische Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht. Ziel der untersuchten Methode ist es, die Kalibrierung zu beschleunigen oder in komplexen, schwer zugänglichen Geometrien erst zu ermöglichen. Die Besonderheit der untersuchten Methode besteht darin, dass die Kalibrierung der Kameras anhand von Bildern erfolgt, die nicht von den Kameras aufgenommen, sondern auf Grundlage eines digitalen Modells mittels Raytracing erstellt wurden. Dazu wurden die Eigenschaften der Kameras und der Objektive mit den Brennweiten f = 50 mm, f = 35 mm und f = 28 mm ermittelt und in ein Kameramodell zur computergestützten Bilderzeugung übertragen. Zur Validierung dieser Methode wurde ein Versuch, bestehend aus einem wassergefüllten PMMA-Beobachtungsstück und einer darin platzierten Zwei-Ebenen-Kalibrierplatte mit einem Durchmesser von D = 370 mm, aufgebaut. Bilder der Kalibrierplatte wurden mit den verschiedenen Objektiven in verschiedenen Winkeln im Bereich von [psi] = 20 &ring; bis [psi] = 40 &ring; zur Horizontalen aufgenommen und ebenso mit der Methode des Raytracings erzeugt. Die Kalibrierung, die jeder Messung zugrunde liegt, wurde sowohl mit den realen als auch mit den künstlich erzeugten Bildern durchgeführt. Zur Verbesserung der Kalibrierung wurde im Anschluss eine Selbstkalibrierung durchgeführt. Die Kalibrationen wurden auf zwei Arten miteinander verglichen. Zum einen wurde ein von den Kameras aufgenommenes Bild der Kalibrierplatte jeweils mit der Kalibrierung auf Grundlage echter Bilder und gerenderter Bilder entzerrt. Die Lage der Kalibriermarker in den entzerrten Bildern wurde ermittelt und ihre Abweichungen berechnet. Zum anderen wurde eine PIV-Auswertung einer im Beobachtungsstück erzeugten Strömung jeweils mit den beiden Kalibrierungen durchgeführt und die resultierenden Vektorfelder miteinander verglichen. Es hat sich gezeigt, dass es eine qualitative Übereinstimmung der Vektorfelder gibt, aber die Ergebnisse quantitativ stark abweichen. Auch der Positionsvergleich der Kalibriermarker zeigt größere Abweichungen, die nicht wesentlich durch die Selbstkalibrierung reduziert werden können. Somit folgt das Fazit, dass dieses Verfahren der vereinfachten Kalibrierung noch weiterer Optimierungen bedarf, bevor es genutzt werden kann. Am Ende der Arbeit sind einige Überlegungen zur Verbesserung aufgeführt.

Eine ungleichmäßige Massenstromverteilung des Kältemittels im Klimaanlagen-Verdampfer führt zu einer inhomogenen Temperaturverteilung auf der Luftseite der Klimaanlage und beeinträchtigt damit den Wirkungsgrad des Verdampfers und den Komfort im Innenraum. Aufgrund des wesentlichen Einflusses der Strömungsformen in der Verdampfer- Zufuhrleitung und den Verteilkästen auf die Massenstromverteilung wurden in dieser Masterarbeit Mehrphasenströmungen im horizontalen Rohren mittels STAR-CCM+ Software simuliert. Basierend auf der Verdampfer-Zuleitung und deren Betriebsbereich werden drei verschiedene Geometrien mit vier unterschiedlichen Strömungsformen ausgewählt. Diese Geometrien stellen die wesentlichen Bauteile im Bereich der Zuleitung eines Verdampfers dar. Für die Simulation werden zunächst alle Strömungsformen mit einem Basis-Setup simuliert, dann werden zur bestmöglichen Modellierung der Strömungsformen für jede Strömungsform unterschiedliche Modellvarianten untersucht, wobei eine teilweise qualitative Übereinstimmung mit der Messung erreicht werden kann. Für die Modellvalidierung werden verschiedene Modellkonfigurationen im Rahmen des Euler-Euler-Ansatzes und des Multiregime-Modells untersucht, wobei der Einfluss des Zeitschrittes, des Interface-Schärfungsmodells und der Wandverfeinerung im Mittelpunkt steht. Darüber hinaus wird die Phasenverteilung und der Druckverlauf für jede Strömungsform in verschiedenen Modellansätzen verglichen. Zur Validierung der Simulationsergebnisse standen verschiedene Messdaten wie 3D-Aufnahmen der Phasenverteilung, Druckgradienten entlang des Rohres und Hochgeschwindigkeitsvideos der jeweiligen Geometrien und Strömungsformen zur Verfügung.

Durch das Voranschreiten der Energiewende und den steigenden Anteil regenerativen Stroms im Netz, steigt auch die Nachfrage an effizienten Speichern. Eine vielversprechende Technologie sind die Redox-Flow-Batterien, kurz RFB. Der größte Vorteil einer RFB ist die getrennte Skalierbarkeit von Kapazität und Leistung. Wie jeder Stromspeicher, sind aber auch die RFB mit thermischen Verlusten behaftet. Bei Anlagen mit Leistungen vom Kilowatt bis in den Megawattbereich, können dadurch enorme Mengen an Abwärme entstehen. Zur Verbesserung unserer CO2 Bilanz und zur Schonung natürlicher Ressourcen, sollten solche Wärmequellen, hinsichtlich ihrer Nutzbarkeit, genauer untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Einblick in die Technologie der RFB gegeben und ein Überblick zum aktuellen Forschungsstand gewährt. Besondere Beachtung finden dabei die Vanadium-Redox-Flow-Batterien, da diese aktuell den größten Marktanteil bei RFB haben. An ihrem Beispiel wird auch die Wärmeentstehung genauer Betrachtet und eine potentielle Abwärmenutzung theoretisch durchdacht. Praktische Messergebnisse der Elektrotechnischen Fakultät der Westsächsischen Hochschule Zwickau an einem Vanadium-Redox-Flow-Speicher der Firma Gildemeister werden ebenfalls in die Betrachtung einbezogen.

In der Durchflussmesstechnik gibt es viele unterschiedliche Messmethoden zur Durchflussmessung, die in vielen industriellen Bereichen ihre Anwendungen gefunden haben. Derzeit existiert aber kein geeignetes Strömungsmessverfahren zur Ermittlung des Volumenstroms bei sehr heißen, chemisch aggressiven und opaken Fluiden. Eine Lösung hierfür stellt die Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) dar, die auf den elektromagnetischen Wechselwirkungen basiert, welche beim Durchießen eines elektrisch leitfähigen Mediums durch ein Magnetfeld entstehen. Dieses berührungslose Durchflussmessverfahren wurde im Jahre 2005 an der Technischen Universität Ilmenau patentiert. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Frage, ob sich die LKA für Partikelströmungen erweitern lässt und wird den Einfluss der Partikel auf die Lorentzkraft untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Trockenexperimente mit elektrisch leitfähigen Kugeln durchgeführt. Dazu wurden zwei Experimente zur Vermessung einer einzelnen Kugel und mehreren Kugeln, die in einer Teststrecke verteilt sind, aufgebaut. Mit Hilfe geeigneter Matlabprogramme können die Lorentzkräfte mathematisch und statistisch ausgewertet und anschließend mit den analytisch berechneten Ergebnissen verglichen werden. Die analytisch berechnete lineare Abhängigkeit zwischen der Lorentzkraft und der Kugelgeschwindigkeit sowie der elektrischen Leitfähigkeit der Kugel werden bestätigt. Außerdem zeigt die Arbeit, wie der Kugeldurchmesser und der Abstand zwischen Magnetfeldquelle und Kugel die gemessene Lorentzkraft beeinflussen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde untersucht, inwiefern sich die verschiedenen Volumenanteile der verwendeten Kugeln in einer Teststrecke auf die Lorentzkraft auswirken.

In der vorliegenden Bachelorarbeit wird ein neu entwickeltes 3D-Werkzeug zur "Computational Fluid Dynamics" (CFD)-Berechnung von Wasserkraftgeneratoren beschrieben, welches die vorhandenen 1D-Werkzeuge ergänzen soll. Dieses Werkzeug besteht aus einer Excel-Tabelle, die als Benutzeroberfläche dient, einem "Computer Aided Design" (CAD)-Modell im Programm Star-CCM+ sowie mehreren Java-Makros, welche die Geometrieerzeugung und die Vernetzung übernehmen. Das CAD-Modell ist parametrisiert, um mittels verschiedener Parametersätze schnell unterschiedliche Generatorgeometrien erzeugen zu können. Diese Parametersätze werden in die Excel-Tabelle geladen und manuell mit anderen Parameterwerten ergänzt. Im ersten Teil der Arbeit erhält der Leser einen kurzen Überblick über die verschiedenen Kühlmethoden eines Wasserkraftgenerators. Da das in dieser Arbeit entwickelte Modell für luftgekühlte Generatoren konzipiert ist, wird insbesondere auf Luftkühlung eingegangen. Darauf folgt ein kurzer Exkurs zu den Grundlagen der CFD und den Grundlagen des verwendeten Programms Star-CCM+. Als Nächstes wird genauer auf das Modell, insbesondere auf die einzelnen Bauteile, eingegangen. Der zweite Teil ist der Hauptteil der Arbeit. Zunächst wird auf die Parametrisierung und die Geometrievariationen eingegangen. Danach kommen Kapitel über die Vernetzung, deren Einstellungen und die benutzten Randbedingungen. Das größte Unterkapitel behandelt die Automatisierung. Das allgemeine Vorgehen sowie die programmspezifischen Besonderheiten werden beleuchtet, ehe eine Auflistung aller Makros und deren Inhalt und Sinn folgt. Die Ergebnisse einer Beispielrechnung werden zum Schluss dieses Kapitels präsentiert. Die Arbeit wird durch ein Fazit mit einem Ausblick auf die weiteren Schritte, die für die Weiterentwicklung dieses Werkzeugs vorgeschlagen werden, abgeschlossen.

Das Ziel der vorliegenden Masterarbeit war es, ein induktives Stromübertragungssystem nummerisch zu simulieren. Hierzu sind zweidimensionale axialsymmetrische Modelle erstellt und untersucht worden. Es wurden Magnetfeldberechnungen und thermische Simulationen durchgeführt. Durch Parametervariationen ist dessen Einfluss auf das Übertragungsverhalten und die Bauteiltemperaturen ermittelt worden. Aus den Untersuchungen geht hervor, dass alle untersuchten Modellparameter das Übertragungsverhalten beeinflussen. Den größten Einfluss hat die Länge des Ferrit. Die thermischen Simulationen zeigen, dass für das vorliegende Modell bei gegebenen Randbedingungen eine passive Kühlung nicht praktikabel ist. Des Weiteren ist in der vorliegenden Arbeit der Zusammenhang zwischen dem Koppelfaktor und den daraus resultierenden Bauteiltemperaturen hergestellt worden. Die Masterarbeit richtet sich an Studierende und Absolventen einer Ingenieurswissenschaft.

In der Masterarbeit "Messung des Geschwindigkeitsfelds in einem thermischen Energiespeicher mit wärmeleitender Wand" wurde Temperaturmesstechnik und Particle Image Velocimetry verwendet, um Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder in thermischen Langzeit-Wärmespeicher mit einer wärmeleitenden Kupferwand zu untersuchen. Im ersten Schritt des Schichtenexperiments können wir den Einfluss auf die Temperaturschichtung im Wärmespeicher mit oder ohne wärmeleitender Kupferwand feststellen. Dann kann man durch eine Strömungsvisualisierung sehen, welche Konvektion und Diffusion nach der Bildung der Temperaturschichtung qualitativ zeigen. Das letzte Experiment ist ein PIV-Experimentaus dem man momentane 2D-Vektorplots der Strömungsgeschwindigkeit im Speicher quantitativ erhält. Mit einer CCD-Kamera parallel zur Kupferwand und einem Laser-Lichtschnitt senkrecht zur Kupferwand wird die Wasserströmung aufgezeichnet. ur Validierung der theoretischen Erkenntnisse wurde ein Konzept zur messtechnischen Ausstattung eines Experimentalspeichers und der anschließenden Versuchsdurchführung im Speicherteststand des Instituts für Thermo- und Fluiddynamik der Technischen Universität Ilmenau entwickelt.

Diese Arbeit stellt eine numerische Analyse zur Charakterisierung mikrouidischer Brennstoffzellen (MFC) vor, in denen Brennstoff- und Oxidationsmittel aufgrund der laminaren Strömung bei niedrigen Reynolds-Zahlen parallel zum Kanal ohne konvektive Durchmischung strömen, sodass keine Membran notwendig ist. Dadurch ist die Miniaturisierung einfacher als bei herkömmlichen Brennstoffzellen. Aus diesem Grund und wegen der theoretisch höheren Leistungsdichte der MFCs haben sie das Potential, herkömmliche Batterien in tragbaren Geräten, wie beispielsweise Mobiltelefone und medizinische Diagnostikgeräte, zu ersetzen. Allerdings wird die Effizienz solcher mikrouidischen Brennstoffzellen durch die Bildung von Verarmungsschichten an den Elektroden, die aufgrund der elektrochemischen Reaktionen entstehen, gemindert. Um die Dicke dieser Verarmungsschichten zu reduzieren und somit die Effizienz der Brennstoffzelle zu steigern, werden mit Hilfe einer gekrümmten Kanalführung Sekundärströmungen innerhalb der Reaktanten induziert. Die Charakteristik dieser sogenannten Dean-Wirbel und deren Auswirkung auf die Anwendung in mikrouidischen Brennstoffzellen werden durch numerische Strömungssimulationen untersucht, um Grundlagen für strömungsmechanische Experimente zu schaffen. Es wird die Vorgehensweise der numerischen Analyse von der Geometrieerstellung und - vernetzung bis zu den verwendeten Strömungsalgorithmen und -modellen beschrieben und die Gittergenauigkeit nachgewiesen. Simulationen in Bezug auf die Positionierung der Elektroden und die Auswirkungen von Fertigungsabweichungen auf die Sekundärströmungen werden durchgeführt. Mit Hilfe einer Parameterstudie werden verschiedene Krümmungsradien und Strömungsgeschwindigkeiten getestet und Abhängigkeiten überprüft. Die Ergebnisse der numerischen Strömungssimulationen zeigen, dass nur Strömungen mit Reynolds-Zahlen im Bereich Re < 20 eine geeignete Durchmischung der Fluide bewirken, sodass Verarmungsschichten abgebaut werden, ohne eine zu starke Durchmischung der Reaktanten zu verursachen. Eine Abhängigkeit zwischen Sekundär- und Hauptströmung wurde nachgewiesen, da sich die Sekundärströmungen proportional zum Quadrat der Hauptströmung verhalten. Dieser Zusammenhang vereinfacht strömungsmechanische Experimente enorm, da er sowohl für die Abschätzung der zu wählenden Parameter als auch für die Validierung der Ergebnisse verwendet werden kann.

Um bei einer Fahrt mit starkem Schneeaufkommen eine volle Funktionalität des Motors zu gewährleisten, visiert die Daimler AG eine aktive Schneeabscheidung über die Rohluftleitung an. Diese verhindert das Zusetzen des Ansaugtraktes der Luftansaugung. Die dafür entwickelte Abscheidungsgeometrie beruht auf einem Prinzip der Ausnutzung der Schneepartikelträgheit und scheidet den Schneeeintrag in den Motorraum ab. Die geometrische Änderung der Rohluftleitung durch die Schneeabscheidung hat Auswirkungen auf Faktoren, wie Totaldruckverhalten und Ansauglufttemperatur die den Verbrennungsprozess beeinflussen. In dieser Arbeit werden diese Einflussgrößen ermittelt und bewertet. Durch Bauteilsimulationen mit Hilfe von STAR-CCM+ wurde die Ausgangsgeometrie der Abscheidung hinsichtlich Totaldruckverhalten, Strömungsverhalten und Verlauf der Schneepartikelbahnen bewertet. Dank der gewonnenen Erkenntnisse wurden fünf Varianten für die Schneeabscheidung per 3D Druckverfahren entwickelt und unter realen Bedingungen erprobt. Daraus ging eine Bestvariante hervor, mit der es möglich war die Totaldruckabweichungen um ein Vielfaches zu verbessern. Hingegen musste beim Grad der Schneeabscheidung im Vergleich zu den optimierten Varianten geringe Einbußen hingenommen werden. Da die Vorteile der Totaldruckabweichungen bei der optimierten Variante überwiegen und die Versuchsanweisung "Schneeabscheidung" trotz Einbußen dennoch erfüllt wird stellt diese Variante das größte Gesamtoptimiungspotenzial dar. Darüber hinaus wird zur Absicherung gegenüber dem Thema "Wasserschlag" ein erster Konzeptioneller Ansatz untersucht.

Diese Arbeit befasst sich mit der Strömung an rotierenden Scheibenelektroden (engl.: rotating disk electrode, RDE), welche häufig in der Elektrochemie verwendet werden, um die Reaktionskinetik experimentell zu bestimmen. Durch die Rotation der Elektrode entsteht eine erzwungene Konvektion, mit welcher die Dicke der bei der Reaktion entstehenden Konzentrationsgrenzschicht in der Lösung und somit auch der entstehende Diffusionsstrom an der Elektrodenoberfläche gesteuert werden kann. Um den maximal entstehenden Strom vorherzusagen und die Reaktionsparameter zu bestimmen, wird in der Elektrochemie seit über fünf Jahrzehnten die Levich-Gleichung verwendet, welcher jedoch ein stark vereinfachtes hydrodynamisches Modell zugrunde liegt. Dieses wurde mittels planarer Particle Image elocimetry (PIV) an einer praxisnahen Zellgeometrie experimentell untersucht. Dieses Messsystem bietet zweidimensionale, zweikomponentige (2D2K) Geschwindigkeitsdaten in einer dünnen Messebene. Schneidet die Messebene die Rotationsachse der Elektrode, können unter Ausnutzung der Rotationssymmetrie die Strömungsgeschwindigkeiten in radialer und normaler Richtung zur RDE gemessen werden. Ein Vergleich zum vereinfachten hydrodynamischen Modell sowie zu bereits existierenden numerischen und experimentellen Arbeiten zu diesem Thema ist somit möglich. Zunächst wurde ein Versuchsaufbau mit weit entfernten Zellwänden realisiert, um die Strömung an der Elektrode mit einem Durchmesser D1 = 40mm ohne den direkten Einfluss der Zellwände zu untersuchen. Über einen Drehzahlbereich von 600 rpm bis 3000 rpm konnte eine in stationäre Zuströmung in Richtung Elektrode gemessen werden. Im zeitlichen Mittel ergab sich jedoch eine reproduzierbare und zur Rotationsachse der Elektrode symmetrische Strömung. Die gemessenen Geschwindigkeiten der Strömung in normaler Richtung zur RDE waren bis zu 10 mal höher und die Maximalgeschwindigkeit wurde erst in deutlich größerem Abstand zur Elektrode erreicht, als durch die theoretische Lösung und die Ergebnisse bisheriger Arbeiten zu erwarten war. Um den Einfluss des Abstandes zwischen Elektrode und Gefäßboden auf die Strömung in der Zelle zu untersuchen, wurde dieser schrittweise verringert. Ein geringerer Abstand zum Boden der Zelle und höhere Rotationsfrequenzen der Elektrode führten zu einer unsymmetrischen und drallbehafteten Strömung in der Zelle. Dies steht in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen bisheriger Arbeiten. Während die Strömung bei einem Abstand zum Behälterboden von 2,5 * D1 bis 3000 rpm symmetrisch zur Rotationsachse war, wies die Strömung bei einem Abstand von 1*D1 bei 600 rpm bereits eine starke Unsymmetrie auf. Die Messung in der Zelle mit praxisnaher Zellgeometrie zeigte eine stark drallbehaftet Strömung über den gesamten Messbereich. Das Fluid strömte am linken Elektrodenrand in die Messebene ein und am rechten Elektrodenrand hinaus. Bei 1,5 * D1 konnte unterhalb der Elektrode ein Wirbel beobachtet werden, welcher sich mit zunehmender Rotationsfrequenz auflöste. Eine senkrechte Anströmung der Elektrode war nicht mehr festzustellen. Wie sich die gemessene Strömung in der Zelle auf die hydrodynamische Grenzschicht und somit auch auf die Konzentrationsgrenzschicht und die Gültigkeit der Levich-Gleichung auswirkt, konnte in dieser Arbeit nicht geklärt werden. Neben einer im Vergleich zur Konzentrationsgrenzschicht geringen örtlichen Auflösung von 0,8876 mm, war hierfür insbesondere eine Unwucht der zur Messung verwendeten Elektrode ausschlaggebend. Um die Strömung innerhalb der Konzentrationsgrenzschicht zu messen, muss deshalb in zukünftigen Arbeiten die räumliche Auflösung verbessert und die Laufruhe der Elektrode sichergestellt werden.

In dieser Arbeit wird die numerische Untersuchung von tiefengewellten Randkanälen in der Kühlungsanwendung betrachtet. Hierbei handelt es bei den Randkanälen um eine tiefengewellte Rippe und eine ebene Wand. Diese Masterarbeit ist Teil der Kooperation zwischen der Technischen Universität Ilmenau und der MAHLE Industrial Thermal Systems GmbH & Co. KG, mit dem gemeinsamen Ziel, die Wärmeübertragung und den Druckverlust zu optimieren. Zu diesem Zweck werden Rechenmodelle von der Firma MAHLE Thermal Systems GmbH & Co. KG bereitgestellt, damit die Einflüsse der Strömungsgeschwindigkeit bezüglich der Reynolds-Zahl, der Geometrieparameter und der Oberflächenrauheit auf die Wärmeübertragung und den Druckverlust mit Hilfe von Ansys Fluent analysiert werden können. Dabei gilt es besonders, die Reynolds-Zahl, die Amplitude, die Wellenlänge, den Strömungsquerschnitt und die Oberflächenrauheit zu betrachten. Um die Simulationsergebnisse besser darzustellen, werden die Wärmeübertragung über die Nußelt-Zahl und der Druckverlust über den Darcy-Friction-Factor dargestellt. Anhand der Simulationsergebnisse stellt sich heraus, dass die Nußelt-Zahl und der Darcy-Friction-Factor stark abhängig von der Reynolds-Zahl, den Geometrieparametern und der Oberflächenrauheit sind. Aus der Auswertung der numerischen Simulation ergibt sich, dass die tiefengewellten Randkanalstrukturen mit größerer Amplitude, kürzeren Wellenlängen und größerem Strömungsquerschnitt bei hoher Reynolds-Zahl zu einer besseren Wärmeübertragung, aber auch zu höherem Druckverlust führen. Dabei stimmen die Ergebnisse zu den Effekten der Geometrieparameter mit denen der vorhergehenden Arbeit von Frau Sanaz Nekooei Dastjerdi größtenteils überein, und auch die Ergebnisse bezüglich der Effekte der Reynolds-Zahl und der Oberflächenrauheit decken sich mit denen von Herr Ivan Jurisic in weiten Teilen.

Diese Bachelorarbeit beinhaltet numerische Untersuchungen zur Steigerung der Effizienz von Lamellenrohr-Wärmeübertragern mittels Versetzung von flachen Lamellen sowie Kniestellen in den Kühlmittelrohren. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Anwendung im Kraftfahrzeug, wo es um hohe Leistungsdichte bei geringer Masse und kleinem Volumen geht. Darüber hinaus wird kurz auf den aktuellen Stand der Technik von Kraftfahrzeugkühlern, die aktuellen Möglichkeiten der additiven Fertigungsverfahren eingegangen und ein kleiner Ausblick in die Zukunft der Kfz-Kühlsysteme in der E-Mobilität gewagt. Außerdem sind bei der Anwendung im Kraftfahrzeug große Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeiten von Luft und Kühlmittel durch veränderliche Fahrtgeschwindigkeiten sowie hohe Anforderungen an die Festigkeit durch äußere Einflüsse zu beachten. Als Referenz für Leistung und äußere Abmaßen werden die Daten eines herkömmlichen Kraftfahrzeugkühlers genommen. Verschiedene Variationen von zickzackförmigen Lamellen- und Rohranordungen werden mit gleichen Abmaßen simuliert und deren Leistung Verglichen. Darüber hinaus werden die Temperatur-, Druck- und Geschwindigkeitsfelder der verschiedenen Modelle miteinander verglichen und auftretende Phänomene und Unregelmäßigkeiten diskutiert. Der bei Zickzack-Förmigen Lamellen- und Rohranordungen höhere Wärmeübergang wird mit der Nusselt-Zahl bewertet. Dabei erhöht sich der Druckverlust, diesen werten wir mit dem Darcy Friction Factor aus. Die Finale Auswertung mit dem Goodness Factor zeigt verbesserte Wärmeübergangseigenschaften bei einer Vielzahl von Modellen und gibt Anstöße zu weiteren Verbesserungen durch die Kombination von den hier optimierten Modellen. Alle Untersuchungen finden numerisch statt und werden mithilfe von ANSYS FLUENT 18.1 gelöst. Das Erstellen der Modelle und die Generierung der Gitter erfolgt in der dazugehörigen ANSYS Workbench 18.1. Die theoretischen Grundlagen dieser Arbeit werden eingängig erläutert und die in ANSYS FLUENT verwendeten Lösungsalgorithmen dargestellt.

In dieser Arbeit wird das Verhalten von hohen axialen Magnetfeldern auf freie Flüssigmetalltropfen und -strahlen analysiert. Das berührungslose elektromagnetische Kontrollieren und Formen von Flüssigmetalloberflächen ist das Entscheidende bei der elektromagnetischen Levitation und der Induktionsversiegelung. Die Beeinflussung von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten hat in der Hochtemperatur Metallurgie eine beträchtliche Bedeutung, wie zum Beispiel beim Stranggießen. Für die Experimente wird die eutektische Legierung GaInSn verwendet, welche sich aus Gallium, Indium und Zinn zusammensetzt. Diese Legierung ist bei Raumtemperatur flüssig. Der Magnet ist ein Cryogenfreier Hochfeldmagnet (CFM), welcher ein stabiles homogenes axiales Magnetfeld bis zu 5T erzeugen kann. Zusätzlich ist es möglich einen Neigungswinkel zwischen den fallenden GaInSn und dem Magnetfeld einzustellen. Die Parameter Volumenstrom, Düsendurchmesser, magnetische Flussdichte, Neigungswinkel und die Düsenmaterialien (elektrisch leitenden/ elektrisch isoliert) werden variiert. Die Kennzahlen Ha, Re, N und We sind in den Bereichen 340<Re<4500, 0,09<We<12,1, 0<Ha<800 and 0<N<1900. Die Ergebnisse sind, dass GaInSn-Topfen in Richtung des Magnetfeldes ausgerichtet und länger und dünner werden. Zusätzlich ist festzustellen, dass Instabilitäten der Strahlen gedämpft werden. GaInSn-Strahlen werden in Richtung des Magnetfeldes gebogen, wenn eine elektrisch leitfähige Düse vorhanden ist.

Untersuchung großskaliger Strömungsstrukturen in Rayleigh-Bénard-Konvektion bei großem Aspektverhältnis In der vorliegenden Arbeit wurde die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) erfolgreich zur Messung von Temperaturfeldern in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion bei großen Aspektverhältnis mit Wasser angewendet. Im Fokus dieser Studie stand die Untersuchung zweidimensionaler großskaliger Strukturen in natürlicher Konvektionsströmung in einer vertikalen Schnittebene. Das Experiment besteht aus einer Konvektionszelle, Heiz- und Kühlplatte, Lasermodul, sCMOS-Kamera und Bildverarbeitungssoftware. Als Temperatur-Tracer wurde ein molekular gelöster Fluoreszenzfarbstoff (Fluorescein-Dinatrium) eingesetzt. Der Einsatz von LIF in der Rayleigh-Bénard-Zelle mit der Dimension 600×600×24 mm^3 lieferte neben den Temperaturfeldern zusätzlich Informationen über großskalige kohärente Strukturen (thermische Plumes) außerhalb der Grenzschicht. Mit Hilfe von Fluoreszenzmessungen bei stabiler Schichtung, d.h. die Heizplatte oben und Kühlplatte unten, konnte die Fluoreszenzintensität entlang des Temperaturgradienten bestimmt und die Kalibrierkurve ermittelt werden.

Die Kombination mehrerer Polymerschichten in einer Folie ermöglicht die Herstellung von Kunststofffolien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. In der Blasfolienextrusion sind die geometrischen Abmessungen des Blaskopfes ein entscheidendes Merkmal für die Qualität der produzierten Folie. Um den Einfluss thermischer Dehnung auf den Blaskopf während des Aufheizens abschätzen zu können, wurde in dieser Arbeit ein analytisches, thermisches Modell von Blasköpfen entwickelt und mit Versuchen validiert. Dazu wurden die stationären und instationären Temperaturverteilungen in verschiedenen Blasköpfen ermittelt. In Versuchen konnte der Einfluss des konvektiven Wärmeverlustes auf das Temperaturprofil gezeigt und das Verbesserungspotenzial durch den Einsatz von Isolationselementen abgeschätzt werden. Darauf aufbauend, konnten Regeln zum sicheren und schnellen Aufheizen von Blasköpfen definiert werden. Um ein sicheres Aufheizen bei reduziertem Personalaufwand zu ermöglichen, wurde die Steuerung der Blasfolienextrusionsanlage um eine Aufheizautomatik erweitert. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein numerisches Berechnungsmodell zur Vorhersage der Temperaturverteilung in Blasköpfen erstellt und erprobt.

Für die heutige Gesellschaft ist die Erzeugung und Verwendung elektrischer Energie von hoher Bedeutung. Durch den Einsatz von Generatoren kann mechanische, thermische, chemische oder elektromagnetische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Ein großes Potential besteht dabei in der Erzeugung elektrischer Energie, deren Quelle bis dato "ungenutzte" Energie ist, z. B. durch Umgebungsenergie in Form von Abwärme, Abwasser oder Luft. Eine Vorrichtung, die thermische Energie aus der Umgebung bezieht und diese direkt in elektrische Energie umwandelt, ist unter anderem ein magnetokalorischer Generator. Aus diesem Grund hat die IAV GmbH Chemnitz das Konzept eines magnetokalorischen Generators entwickelt, dessen konstruktive Umsetzung die Grundlage der vorliegenden Arbeit bildet. In einem magnetokalorischen Generator befindet sich ein magnetokalorisches Material in einem Magnetkreis. Durch Temperaturoszillationen des Materials im Bereich der Umwandlungstemperatur (Curie-Temperatur) wird ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt, welches durch eine Spule in Form einer induzierten Spannung detektierbar ist. Bei der Umsetzung des Generators wird folglich thermische in magnetische und abschließend in elektrische Energie umgewandelt. Die Intention der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines magnetokalorischen Generators. Dafür werden zunächst magnetokalorische Materialien charakterisiert und beschafft. Es folgt die thermische, magnetische und elektrische Auslegung des geplanten Laboraufbaus mit Hilfe entwickelter mathematischer Modelle. Daraufhin werden der magnetokalorische Generator gefertigt und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Abschließend erfolgen der Vergleich der Messergebnisse mit den mathematischen Vorbetrachtungen sowie die Darlegung von Optimierungsmöglichkeiten des magnetokalorischen Generators.

Diese Masterarbeit umfasst Untersuchungen zum Einfluss von erhöhten lokalen Oberflächenrauheiten bei der additiven Fertigung von Wärmeübertragern mittels Selektiven Laserschmelzen und deren thermofluiddynamischen Auswirkungen. Es gibt ein großes Potenzial des Selektiven Laserschmelzverfahrens für die Herstellung von Prototypen und Kleinserien im Bereich von Wärmeübertragern. Dazu wird zunächst nach ausführlicher Quellen- und Literaturrecherche der Einfluss von Prozessparametern auf die Oberflächentopologie eines Versuchsbauteils mit verschiedenen Aufbauwinkeln betrachtet. Durch Messungen am Rasterelektronenmikroskop und optischen Lasertriangulationsmessungen wird die Oberfläche des Versuchsbauteils sowohl qualitativ als auch quantitativ untersucht. Diese Daten bilden die Grundlage für die Analyse des Geschwindigkeits- und Temperaturfeldes in der von MAHLE Industrial Thermal Systems GmbH & Co., Stuttgart hergestellten tiefengewellten Wellrippen KS944, die luftseitig den Wärmeübergang zwischen zwei Fluiden verbessern sollen. Aufgrund der komplexen Bauweise werden nach einer theoretischen Betrachtung an vereinfachten Geometrien ausführliche numerische Simulationen an einem Rippenpaar durchgeführt. Dabei wird ein bedeutender Einfluss der Oberflächenrauheit auf die Strömungsgrenzschicht, im Speziellen auf deren Ablösung an den Wellenbergen nachgewiesen. Die erhöhte Oberflächenrauheit bewirkt eine Verringerung des Druckverlustes, die durch den Darcy Friction Factor beschrieben wird. Weiterhin kommt es zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs gemessen an der Nusselt-Zahl. Die zusammenfassende Auswertung des Goodness Factor zeigt jedoch aus wissenschaftlicher Sicht über alle zweckmäßigen Reynolds-Zahlen verbesserte Wärmeübertragereigenschaften durch die erhöhte Oberflächenrauheit additiv gefertigter tiefengewellter Wellrippen.

In der vorliegenden Arbeit werden thermodynamische Analysen sowie numerische Simulationen durchgeführt, um die elektromagnetische Beeinflussung der Motorkühlung zu untersuchen und zu bewerten. Bei Fahrzeugen werden zur Kühlung Wärmeübertrager genutzt, die die Wärme vom Motor an das Kühlmittel übertragen. Durch die Bauweise dieser Wärmeübertrager kommt es zu Strömungsumlenkungen sowie Querschnittsveränderungen, die zu Totwassergebieten führen. Diese Totwassergebiete vermindern einen Abtransport der Wärme, was die Kühlung des Motors negativ beeinflusst. Als Kühlmittel wird ein Wasser-Glysantin-Gemisch verwendet, welches schwach leitfähig ist. Dadurch entsteht die Möglichkeit, die vorherrschende Strömung mithilfe von Lorentzkräften elektromagnetisch zu beeinflussen. Die Lorentzkräfte werden dabei als strömungsantreibende Kraft genutzt, um die Totwassergebiete aufzulösen. Basierend auf einer Vorgängerarbeit werden mithilfe von ANSYS FLUENT und dem darin integrierten MHD-Modul Ergebnisse reproduziert und erweitert. Es werden drei unterschiedliche Geometrien mit MHD und EMHD betrachtet. Ein Diffusor , eine 90 Grad Kurve und eine 180 Grad Umlenkung. Die Auswertung erfolgt anhand der Diskussion der Nusselt-Zahl und des Druckverlustes als wichtigste Kenngrößen. Weiterhin werden die Joulesche Wärme sowie der Elektrolyseeffekt betrachtet und es werden Überlegungen für die Implementierung von rotierenden Magnetfeldern angestellt. Die Simulationen werden bei Reynolds-Zahlen von 300-3000 und bei Interaktionsparametern von 0-500 durchgeführt. Die Auswertung der Simulationen ergab eine Verbesserung der Wärmeübertragung sowie eine Verminderung der Totwassergebiete. Die Nusselt-Zahl konnte mithilfe der EMHD, bei einem Interaktionsparameter von 1,96 (5 Ampere), beim Diffusor um 36; 8%, bei der 90 Grad Kurve um 7; 5% und bei der 180 Grad Umlenkung um 11; 7% verbessert werden. Die MHD-Simulationen ergaben bei einem Interaktionsparamter von 500 eine Verbesserung der Nusselt-Zahl um 2; 2%. Bei der Untersuchung der Jouleschen Wärme wurde eine Erhöhung der Temperatur um das bis zu Dreifache bei 5 Ampere festgestellt. Die Betrachtung der Leistungszahl zeigte, dass die benötigte elektrische Leistung höher ist als die gewonnen Wärmeleistung, wodurch die elektrische Leitfähigkeit erhöht werden muss, um so den elektrischen Widerstand zu senken.

Die korrekte Vorhersage von Raumluftströmungen ist für eine große Anzahl technischer Anwendungen sowie die Aufenthaltsqualität bzw. Klimatisierung in Gebäuden von Bedeutung. Die Relevanz wird durch gegenwärtige Forderungen nach effizienterer Energienutzung und Minimierung des Schadstofftransports bekräftigt. Ein charakteristisches Merkmal von Raumluftströmungen ist die Überlagerung von freier und erzwungener Konvektion. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit dem instationären Verhalten turbulenter Mischkonvektion bei diskontinuierlicher Änderung der Archimedes-Zahl (0.15 < Ar < 20). Hierbei wird der Nachweis einer Hysterese in der Transition von gemischter zu natürlicher, respektive zu erzwungener Konvektion erbracht. Die damit einhergehende Bifurkation ist von subkritischer Natur. Ebenso wird die Abhängigkeit der Strukturbildung von der Rayleigh-Zahl sowie den Stoffeigenschaften der verwendeten Arbeitsgase untersucht. Bei Vergrößerung der Dichte (p < 1.2 kg/m3) des Arbeitsgases kann der Hysterese-Effekt gegenwärtig nicht festgestellt werden. Darüber hinaus wird ein Vergleich mit weiteren fluiddynamischen Systemen, in denen ebenfalls ein Hystereseverhalten vorliegt, angestellt. Zuletzt soll begründet werden, warum durch alleinige Betrachtung der Archimedes-Zahl eine eindeutige Aussage über die Struktur der Strömung bei Mischkonvektion nicht gelingt. Dazu werden experimentelle Untersuchungen von nicht-isothermen Raumluftströmungen in einer komplexen und geschlossenen Geometrie, dem Modellraum, durchgeführt. Dieser bildet im Gegensatz zu einem generischen Raum die realen Verhältnisse im Maßstab 1:10 ab und ist in eine Druckkammer (SCALEX-Anlage) integriert. Um die großskaligen Strömungsstrukturen unter natürlichen Bedingungen darzustellen, wird die Ähnlichkeitstheorie angewandt, bei der die Kennzahlen Re, Ra, Pr und Ar gegenüber den natürlichen Relationen konstant gehalten werden. Als Arbeitsgase werden Luft und SF6 bei einem Druck von 1 ≤ p ≤ 5 bar eingesetzt. Die Messung der Geschwindigkeitsfelder geschieht mithilfe eines 2D2C-PIV-Systems.

Die Untersuchungen wurden im Rayleigh-Bènard-Experiment "Ilmenauer Fass" in einer rechteckigen Konvektionszelle (2.5 m x 2.5 m x 0.625 m) in Luft durchgeführt. Als Messmethode wurde die 2D PIV-Messmethode verwendet. Es wurden zwei Experimentserien durchgeführt. In der ersten Messreihe wurden Geschwindigkeitskomponenten parallel zur Kühlplatte aufgenommen. In einem Bereich von 3 mm bis 21 mm unter der Kühlplatte wurden mit 2 mm Abstand PIV-Messungen mit einer Bildrate von 10 Hz und 200 Aufnamen durchgeführt. In der zweiten Messreihe wurden Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur Kühlplatte gemessen und mit LDV-Geschwindigkeitsdaten in der Grenzschicht in der Mitte der großen Konvektionszelle verglichen. Jede Messung bestand aus 3000 Aufnahmen mit einer Bildfrequenz von 1 Hz. Der Temperaturunterschied zwischen den Platten beträgt 30 &ring;C, die Rayleigh-Zahl hatte den Wert Ra = 4,6 *10^10. In der Arbeit wurde die Anwendbarkeit der 2D PIV-Messmethode für Grenzschichtuntersuchungen unter den besonderen Bedingungen des "Ilmenauer Fasses" experiementell nachgewiesen. Weiterhin wurde ein umfassender Datensatz von zeit- und ortsaufgelösten Geschwindigkeitsfeldern in zwei Ebenen in der Grenzschicht einer Konvektionsströmung erstellt sowie die zeitliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und der Grenzschichtdicke ermittelt. Das aus PIV-Messungen berechnete Geschwindigkeitsprofile zeigen den gleichen Verlauf wie die Ergebnisse von früheren LDV-Messungen in der großen Konvektionszelle und decken sich auch Experimenten in Wasser aus der Literatur. Die zeitabhängigen 2D Strömungsfelder geben detaillierte Informationen über Plumes und vertikalen Impulstransport, die für die turbulente Wärmestromdichte verantwotlich sind.

Der Durchfluss eines Fluids durch ein Gefäß bildet in der heutigen Zeit eines der am häufigsten gemessenen Größen in der Industrie. Je nach Eigenschaft des Mediums wird jeweils ein bestimmtes Durchflussmessverfahren angewandt, um möglichst genaue Angaben zu machen. Doch trotz jahrelanger Forschung undWeiterentwicklung der Verfahren, gibt es immer wieder Situationen im Industriealltag, die den Geräten ihre Grenzen aufzeigen. Eines der schwierigsten Herausforderungen ist die Erfassung des Durchflusses von Flüssigkeiten, die ein stark asymmetrisches Strömungsprofil aufweisen. Ebenso gibt es zur Zeit kein berührungsloses Messgerät, dass den Durchfluss aggressiver Fluide bestimmen kann. Das Fachgebiet "Thermo- und Magnetfluiddynamik" der Technischen Universität in Ilmenau hat ein Gerät entwickelt, dass sowohl an schwach leitfähigen Fluiden, als auch an aggressiven Metallschmelzen angewendet werden kann. Die Bedingung der Messung des Durchflusses mit dem sogenannten Lorentzkraft-Anemometer (LKA) ist eine Mindestleitfähigkeit des Fluids. Das Verhalten des LKA an Fluiden mit stark asymmetrischen Strömungsprofil ist jedoch noch nicht erforscht worden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der Wirkung stark asymmetrischer Strömungsprofile von schach leitfähigen Fluiden auf das LKA. Erwartet wird eine Abhängigkeit des Geräts auf gestörte Strömungsprofile, die jedoch geringer ausfällt, als bei anderen Messverfahren. Aus diesem Grund wird der zweite Teil der Arbeit darin bestehen, einen Vergleich mit bereitsc in der Industrie etablierten berührungslosen Durchflussmessgeräten anzustellen.

Auf der Suche nach Energieeinsparpotentialen kommt zunehmend die berührungslose Temperaturmessung auf Basis der Wärmestrahlung zum Einsatz. Für diese Messmethode ist jedoch die Kenntnis des Emissionsgrades der zu untersuchenden Materialien von zentraler Bedeutung. Dieser ist stark vom jeweiligen Material und dessen Oberflächenbeschaffenheit abhängig, sodass Tabellenwerte nur zur Übersicht dienen können. Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Konstruktion eines Versuchsstandes, mit welchem der Emissionsgrad schnell und kostengünstig vermessen werden kann. Das Messprinzip des Versuchsstandes basiert auf dem Temperaturvergleich zwischen einer Oberflächentemperatur, die durch ein Pyrometer bestimmt wird, und einer Referenztemperatur: Die Emissionsgradeinstellung des Pyrometers wird solange variiert, bis die am Pyrometer angezeigte Temperatur mit der Referenztemperatur des Messobjektes übereinstimmt. Der so ermittelte Emissionsgrad ist der Emissionsgrad des zu untersuchenden Materials. Alle Komponenten des Messstandes werden im Rahmen dieser Arbeit gestaltet und dimensioniert und nach erfolgter Fertigung zusammengebaut und getestet. Zur Bestimmung des Fehlers der Emissionsgradmessung wird ein theoretisches Modell auf Grundlage eines Strahlungs-Widerstandnetzwerkes entwickelt. Ausgehend von diesem Modell werden zwei geeignete Messumgebungen hergeleitet, die sinnvolle und präzise Emissionsgradmessungen zulassen. Die grundlegenden Ergebnisse des Modells werden durch entsprechende Experimente verifiziert und die optimale Versuchsumgebung mit dem kleinstmöglichsten Fehler wird ausgewählt. Für die Experimente wird ein Computerprogramm zur Bedienung des Pyrometers, insbesondere zur automatisierten Emissionsgradeinstellung, entwickelt. Mit dem für diese Arbeit entwickelten Versuchsstand ist es möglich, in einem Wellenlängenbereich von 8...14 [my]m Emissionsgrade von diffusen opaken Oberflächen in Richtung der Flächennormalen mit einem Fehler von 0,01 zu bestimmen.

In einen Wärmetübertrager entstehen geometrisch bedingt Totwassergebiete, die den Wärmeübergang verschlechtern. Das Kühlmittel ist ein Gemisch von Wasser und Glysantin im Verhältnis 50: 50. Dieses ist schwach leitfähig. Es soll mittels elektromagnetischen Feldes eine Lorentzkraft auf das Fluid aufgebracht werden, um dieses in den Totwassergebieten zu beschleunigen. Dadurch soll der Wärmeübergang in diesen Gebieten verbessert werden. In dieser Arbeit wird dazu eine numerische Untersuchung mit der CFD-Simulationssoftware "Ansys Fluent" und zum Berechnen von elektromagnetischen Feldern mit der Software "Maxwell 3D" durchgeführt, um den Einfluss des elektromagnetischen Feldes auf das schwach leitfähige Fluid hinsichtlich der Eigenschaften des Wärmetransportes und des Druckverlustes zu beobachten. Dies erfolgt für drei verschiedene Geometrien. Es handelt sich dabei um einen Carnotschen Stoßdiffusor, einen 90&ring;- Rechteckkrümmer und um einen 180&ring;- Wendekrümmer. Dabei wird die Reynoldszahl von 300 bis 3000 variiert. Die daraus resultierenden Interaktionsparameter bewegen sich zwischen 1 und 100. Es erfolgt eine Aufwand-Nutzen-Rechnung, um abschätzen zu können, ob sich die Umsetzung des Prinzips lohnt.

Die Lorentzkraft-Anemometrie ist ein berührungsloses elektromagnetisches Durchflussmessverfahren, dass am Institut für Thermo- und Magnetofluiddynamik der TU Ilmenau erforscht und patentiert wurde. Dieses Verfahren bildet auch die Grundlage für diese Arbeit. Im Rahmen meiner Diplomarbeit wurde untersucht, ob das Lorenzkraft-Anemometer unter industriellen Bedingungen einsetzbar ist. Dabei soll die Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Durchfluss einer heißen Stahlschmelze an einem experimentellen Hochofen (Experimentelle Blast Furnace) der schwedische Stahlfirma MEFOS gemessen werden. Als erstes wurde der Stand der Technik näher beschrieben, die magnetohydrodynamischen Kennzahlen für eine offene Rinnenströmung berechnet und eine Abschätzung der zu erwartenden Kräfte am Lorenzkraft-Anemometer durchgeführt. Die wesentlichen Anforderungen dieser Arbeit sind: die Untersuchung vorhandener Lorenzkraft-Anemometer auf ihre Verwendbarkeit, Erfassung der industriellen Einsatzbedingungen, Konstruktion und Anpassung des Messgerätes hinsichtlich Signalerfassung und thermische Auslegung, Laborversuche und deren Auswertung. Bei den Laborversuchen wurden verschiedene Festkörper mit verschiedenen elektrischen Leitfähigkeiten, Geschwindigkeiten und Querschnitten getestet und das Messgerät an einem Flüssigzinnkanal mit 350&ring;C heißem Zinn erfolgreich erprobt.

Die Verwendung mobiler Geräte erfreut sich in der heutigen Zeit immer größerer Beliebtheit. Es ist selbstverständlich, dass Mobiltelefone, Rasierapparate und Laptops ohne Kabel funktionieren sowie flexibel jederzeit und überall eingesetzt werden können. Allerdings lässt sich ebenfalls feststellen, dass nicht bei allen Geräten, welche täglich Verwendung finden, die mobile Benutzung möglich ist. Im Bereich von Haartrocknern sind aufgrund des hohen Energiebedarfs bis jetzt keine Varianten vorhanden, die sich im Alltag durchsetzen können. Das Konzept eines schnurlosen Haartrockners auf Basis eines Latentwärmespeichers ist die Grundlage der vorliegenden Arbeit. Dabei erzeugen thermoelektrische Generatoren elektrischen Strom zur Versorgung des Elektromotors, der ein Gebläse antreibt. Der Luftstrom kühlt den Wärmeübertrager des thermoelektrischen Generators und heizt sich dabei auf. Auf diese Weise soll ein Konzept realisiert werden, welches sich durch eine hohe Leistungsdichte, Flexibilität und Anwenderfreundlichkeit auszeichnet. Intention der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Latentwärmespeichers, welcher anhand eines mathematischen Modells dimensioniert wird. Daraufhin werden detaillierte Untersuchungen mit dem Speichermedium LiNO3 durchgeführt, um dieses bestmöglich zu charakterisieren. Weiterer Schwerpunkt ist die Konstruktion einer Isolation des Speichers, welche insbesondere auch strahlungsreflektierende Eigenschaften besitzt, um die Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten. Nach Fertigstellung des Wärmespeichers werden seine technischen Daten und Eigenschaften experimentell ermittelt. Der Speicher wird mit einer Heizplatte auf eine Temperatur von 450 &ring;C aufgeheizt und danach an einen Demonstrator des schnurlosen Haartrockners angebracht. Die Ergebnisse aus den Messungen am Gesamtsystem schnurloser Haartrockner, wie z.B. Temperaturverläufe, werden diskutiert und ausgewertet. Des Weiteren werden theoretische und experimentelle Untersuchungen zu Flüssigmetallspeichern durchgeführt. Dabei werden alternative Materialien als Speichermedien beleuchtet, um auf diese Weise Optimierungsmöglichkeiten am System Wärmespeicher aufzuzeigen.

Abwärme aus technischen Energiewandlungsprozessen wird oft ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Die Nutzung dieser Abwärme kann einen Beitrag zur Einsparung von Ressourcen leisten. Technologien zur technischen Nutzung von Abwärme auf niedrigen Temperaturniveaus bieten Optimierungspotential, da diese meist teuer und empfindlich sind. Der Organic-Rankine-Cycle und Thermoelektrische Generatoren werden aktuell als Technologien eingesetzt. Eine neue Möglichkeit diese Abwärme nutzbar zu machen ist der Pulsrohrmotor, eine Wärmekraftmaschine, die nach dem umgekehrten Pulsrohrkühlerprozess arbeitet. Er zeichnet sich durch seine Einfachheit, Robustheit und potentielle Langlebigkeit aus. Das Ergebnis vorangegangener Arbeiten am Projekt Pulsrohrmotor des Fachgebietes Thermo- und Magnetofluiddynamik der Technischen Universität Ilmenau ist ein optimiertes Konzept, welches aus zwei koaxialen Pulsrohrmotoren besteht, die mit einem Experimentallineargenerator verbunden sind. Ziel dieser Arbeit ist die Fertigstellung und Charakterisierung des koaxialen Pulsrohrmotors und der Aufbau des geplanten optimierten Konzeptes. Mit dem bestehenden in-line Pulsrohrmotor werden Voruntersuchungen am Versuchsstand durchgeführt, um den Einfluss verschiedener Regeneratorkonfigurationen zu erkennen und Rückschlüsse auf den koaxialen Pulsrohrmotor ziehen zu können. Des Weiteren wird der systematische Fehler des Messverfahrens der Nettoleistung nach zwei Methoden bestimmt und miteinander verglichen. Die Qualität der von Moldenhauer gefundenen Gleichung zur Bestimmung des minimalen Temperaturverhältnisses wird untersucht. Ab diesem Verhältnis gibt der PRM Nettoleistung ab. Um den koaxialen Pulsrohrmotor vermessen zu können, werden Anpassungen am Versuchsstand vorgenommen. Versuche zum Wärmeeintrag in den koaxialen Kopf sollen als Ergebnis ein möglichst hohes und gut regelbares Temperaturverhältnis haben. Die Nettoleistung und der Wirkungsgrad des Motors können erfolgreich bestimmt werden, sowie der Einfluss geänderter Wärmeübergangsbedingungen in der Pulsationsröhre auf den Pulsrohrmotorprozess. Das integrierte Wegmesssystem des Lineargenerators wird überarbeitet und der Generator mit Pneumatiksystem aufgebaut. Ein Drucktest und Versuche zum Startvorgang des Gesamtsystems werden unternommen. Die Ergebnisse der Messungen werden diskutiert und Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Wärmeübertragung in der Grenzschicht turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion. Nahe der Wand wird Wärme zunächst durch Diffusion übertragen. In der Strömung findet der Wärmetransport dann zum einen durch Advektion mit der Konvektionswalze und zum anderen konvektiv mit turbulenten Strukturen statt, welche sich aus der Grenzschicht lösen. Es wurde der lokale konvektive Wärmestrom in Abhängigkeit des Wandabstandes für den Rayleighzahlbereich 1,5*10^9 < Ra < 9*10^11 bei dem Aspektverhältnis [Gamma] = 1 ermittelt. Dazu fanden simultane Temperatur- und Geschwindigkeitsmessungen an verschiedenen Positionen unterhalb der Kühlplatte einer mit Luft gefüllten, zylindrischen Rayleigh-Bénard-Zelle statt. Es stellt sich heraus, dass in dem gemessenen Parameterbereich zwischen 20% und 45% des Wandwärmestroms durch Konvektion transportiert wird. Dieser Anteil nimmt mit der Rayleighzahl zu, wobei die Skalierung des konvektiven Wärmestroms einem Potenzgesetz J=Ra^β mit β=0,4 folgt. Weiterhin wurden die Fluktuationen des Wärmestroms analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Geschwindigkeit der turbulenten Strukturen von deren Temperatur abhängt und dass diese durch Auftrieb erzeugt werden.

In order to optimize a tube-and-fin heat exchanger, numerical investigations on heat transfer and fluid flow dynamics are being conducted in this bachelor thesis. In using GAMBIT as the CAD modeling software and ANSYS FLUENT as the CFD solution software for the governing equations and the RNG k-" turbulence model, the influence of variations in tube and fin geometry on heat flow and pressure drop characteristics are being analyzed. The focus in this study is to change the angle in which air flow enters the spacings between the fins and investigate the effects on air-side heat transfer and air flow dynamics. In order to achieve this, each second fin is shifted in direction of the air flow which leads to a skew entrance area. Because the air enters the spacing between the fins perpendicular to the entrance area the shift of the fins results in the intended change of the air flow angle. By comparing the numerical results of the changed geometry with the initial geometry the conclusions lead to two optimized models which are presented in this thesis. The numerical results generated in this study are validated by comparison to empirical data through the nusselt, the reynolds numbers and the moody friction coefficient. In addition the heat flow and the pressure drop are compared to an experimental setup. A detailed description of the experimental setup is given as well.

In der vorliegenden Arbeit wird die Kühlung von Hochleistungs-Halbleiter-Lichtquellen mittels Druckluft numerisch und experimentell untersucht. Da die Halbleiter-Lichtquellen in NKW-Scheinwerfern eingesetzt werden sollen, ergeben sich stark differierende Umgebungstemperaturen. Um einen Defekt der Halbleiter-Lichtquelle durch zu hohe Betriebstemperaturen zu verhindern, werden sie zur besseren Wärmeableitung mit verschiedenen Kühlkörpern bestückt, welche mit Druckluft aus dem NKW-eigenen Druckluftsystem durchströmt werden. Diese Kühlkörperanordnungen sollen einen sicheren Betrieb bei allen geforderten Umgebungstemperaturen gewährleisten. Es werden ein Stift- und ein Rippenkühlkörper, sowie ein Kühlkörper mit einem Strömungskanal untersucht. Dabei wird ermittelt, welche Druckluftvolumenströme bei den unterschiedlichen Kühlkörpern und Umgebungstemperaturen notwendig sind, um die Halbleiter-Lichtquelle in der zulässigen Betriebstemperatur zu halten. Es zeigt sich, dass die an der erzwungenen Konvektion beteiligte Oberfläche des Kühlkörpers weniger Einfluss auf den Wärmetransport hat, als die typische Lauflänge der Strömung im Kühlkörper. Ist diese, wie beim kanalförmigen Kühlkörper, verhältnismäßig lang, reichen auch bei höheren Umgebungstemperaturen relativ geringe Luftvolumenströme zur zuverlässigen Kühlung aus. Um das Druckluftsystem des Fahrzeuges nicht unnötig zu belasten und damit den Kraftstoffverbrauch zu senken, ist ein möglichst geringer Kühlluft-Volumenstrom sehr erstrebenswert.

Die Energieträger der meisten Länder wandeln sich in den letzten Jahren immer mehr von fossilen und atomaren zu erneuerbaren Energieträgern. Dieser Wandel verfolgt das Ziel, sowohl die Abhängigkeit von den fossilen Rohstoffen zu sprengen, als auch die weltweit immer schärferen CO2-Richtlinien zu erfüllen. Die Stromerzeugung durch erneuerbare Energien, egal ob beispielsweise Wind- oder Sonnenenergie, ist jedoch in ihrer Verfügbarkeit nicht konstant gleich. Aus diesem Grund werden konventionelle Kraftwerke bedarfsgerecht betrieben um das Stromnetz funktionsfähig zu halten. Dieser limitierende Faktor der erneuerbaren Energien kann durch Energiespeicher ausgeglichen werden, wodurch weniger konventionelle Kraftwerke zur Abfederung des Stromnetzes nötig wären. Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Optimierung des neuartigen Strom-Wärme-Strom-Energiespeichers. Dieser Energiespeicher beruht auf dem Prinzip eines Carnot'schen Kreisprozesses, der elektrische Energie zur Beladung eines Wärme- und eines Kältereservoirs verwendet, welche durch die Umkehr des Prozesses entladen werden, wodurch die elektrische Energie wieder freigesetzt wird. In der Theorie ist somit ein maximaler Wirkungsgrad von 100 % erreichbar neben der Möglichkeit elektrische Energie thermisch zu speichern. Um die Optimierung durchzuführen werden zuerst die thermodynamischen Grundlagen der Speichersysteme unter der Annahme reversibler Prozesse analysiert sowie eine Auswahl geeigneter Speichermaterialien getroffen. Dem folgt eine reine Materialoptimierung am Beispiel eines deutschen Standardhaushalts. Anschließend findet ein Vergleich der reinen Materialbetrachtung mit einer gesamtheitlichen Betrachtung der Energiespeicher statt. Dies geschieht unter Zuhilfenahme eines numerischen Programms zur Berechnung der für diesen Fall relevanten Speicherdaten. Zur vollständigen Betrachtung wird an einem Beispiel die Auswirkung irreversibler Prozesse auf den Energiespeicher aufgezeigt. Abschließend werden die Empfehlungen dieser Arbeit sowie die gewonnen Ausblicke und Perspektiven dargeboten.

In der vorliegenden Bachelorarbeit wurde eine simultane Messung der Geschwindigkeit und Temperatur in turbulenter thermischer Konvektion durchgeführt. Im Fokus dieses Experimentes stand die Untersuchung der bisher wenig erforschten wandnormalen Geschwindigkeit und der Temperatur, in Wandnähe. Das Messsystem besteht aus Laser-Doppler-Anemometer (LDA), Messsensor (Thermistor) und Datenaufnahmesoftware. Die Messung wurde in einer Rayleigh-Bénard-Zelle mit einem Durchmesser 7m, einer Höhe 6m und einer Temperaturdifferenz 40&ring;C durchgeführt. Aus den gemessenen Temperatur- und Geschwindigkeitswerte und deren Fluktuationen lassen sich wichtige Daten über den lokalen Wärmetransport gewinnen.

In der vorliegenden Masterarbeit, die im Zeitraum vom Mai bis Oktober 2012 im Fachgebiet Thermo-und Magnetofluiddynamik der Technischen Universität Ilmenau bearbeitet wurde, handelt es sich hauptsächlich um die Betriebscharakteristik der TU-Labor-Absorptionskältemaschine 5 kW auf ihrem aktuellen Stand, wobei sie seit einem Jahr nicht in Betrieb genommen wurde. Die Maschine ist einen Prototyp einer neuen Absorptionskältemaschine mit bestimmten Betriebsdaten und wurde von der Firma WEGRA Anlagenbau, Westenfeld und dem Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden entwickelt und aufgebaut und im Labor der TU Ilmenau vermessen. Meine Hauptaufgabe in dieser Arbeit ist die Bestimmung der Betriebsparameter im Dauerbetrieb bzw. Ermittlung dieser aktuellen Betriebscharakteristik der Maschine nach dem Stillstand. Dafür werden verschiedene Vermessungen bei unterschiedlichen Betriebszuständen durchgeführt und die Ergebnisse danach ausgewertet. Im zweiten Teil der Arbeit werden die alten und die neuen Untersuchungen bei bestimmten Bedingungen verglichen, damit man wissen kann, um welchen Anteil die Kälteleistung sich wegen dieses längeren Stillstandes verringert. Abschließend werden im dritten Teil der Arbeit die Kenndaten dieser Maschine mit den Kenndaten der auf dem Markt befindlichen Absorptionskältemaschinen gleicher Kälteleistung verglichen.

Die Simulation von Zylinderinnenströmungen bietet immer noch großes Entwicklungspotenzial. Um diesen Prozess mit großen Rechengittern und verhältnismäßig langen Simulationszeiten industriell gewinnbringend nutzen zu können, muss ein bestmöglicher Kompromiss zwischen Rechenzeit und Ergebnisgenauigkeit gefunden werden. Gerade die für die Motorenentwicklung wichtigen Kennzahlen Tumble, Drall und Swirl sind aber stark von der Gitterqualität abhängig. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Ladungswechsel eines Verbrennungsmotors mit dem Programm ANSYS CFX berechnet. Dazu werden verschiedene Gitter erzeugt und deren Auswirkung auf die Ergebnisse, besonders im Hinblick auf die Kennzahlen Tumble, Drall und Swirl, untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen helfen, die Ergebnisqualität zukünftiger Simulationen zu verbessern. Weiterhin werden, basierend auf dem Gitter mit der höchsten räumlichen Auflösung, die turbulenten Längenskalen und die CFL-Zahlen ausgewertet, um eine Bewertung des Netzes bezüglich einer weiterführenden skalenauflösenden Rechnung zu ermöglichen. Abschließend wird das berechnete Geschwindigkeitsfeld mit PIV-Daten verglichen.

Die seit einigen Jahren stetige Weiterentwicklung der Effizienz von Kraftfahrzeugen hat zunehmend zu einer Elektrifizierung des Fahrzeuges geführt. Großes, ungenutztes Potential steckt in der zurzeit noch ungenützten Abgaswärme. Ein Ansatzpunkt diese Energie zu nutzen ist die Thermoelektrizität. Durch die Integrierung eines thermoelektrischen Generators in den Abgasstrang wird mit Hilfe der Abgaswärme im thermoelektrischen Generator eine Spannung erzeugt, die den Strombedarf moderner Kraftfahrzeuge decken kann. Die Verbindungsleiter der thermoelektrischen Materialien im thermoelektrischen Generator sind stoffschlüssig miteinander verbunden. Im Betrieb sind dieser Verbindungstechnik Temperaturen von bis zu 550 &ring;C ausgesetzt. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien entstehen thermomechanische Spannungen. Um das Entstehen dieser Spannungen zu verhindern, soll die starre Verbindung der thermoelektrischen Materialien durch eine Flüssigmetallschicht ersetzt werden. Zu Beginn der Arbeit wird eine Materialstudie durchgeführt, um generell geeignete, bei niedriger Umgebungstemperatur schmelzende Flüssigmetalle und deren Kontaktpartner zu bestimmen. Diese werden anschließend auf ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften getestet. Für einen optimalen Betrieb des thermoelektrischen Generators muss das Flüssigmetall sowie dessen Kontaktpartner eine gute thermische- und elektrische Leitfähigkeit aufweisen. In dieser Arbeit werden deshalb zunächst die thermischen- und elektrischen Einzelwiderstände untersucht und im Anschluss deren Übergangswiderstände experimentell ermittelt. Für einen idealen Wärme- und elektrischen Fluss muss das Flüssigmetall den Kontaktpartner bestmöglich benetzen und an ihm haften. Folglich wird das Benetzungs- und Haftverhalten des Flüssigmetalls am Kontaktpartner untersucht. Mit steigender Temperatur wird das Flüssigmetall chemisch reaktiver. Seine Auswirkungen auf den Kontaktpartner werden in Abhängigkeit der Temperatur und der Einwirkzeit erprobt.

In dieser Bachelorarbeit wird das Betriebsverhalten eines Pulsrohrmotors mithilfe eines selbst entwickelten Prüfstandes experimentell untersucht und dokumentiert. Ein funktionsfähiger Experimentalpulsrohrmotor existierte bereits im Vorfeld. Diese Arbeit konzertriert sich daher auf den Aufbau des Mess- und Regelsystems für den Betrieb des Motors, sowie die Aufnahme und Auswertung der Messreihen. Die Leistung der Maschine wurde unter Variation der Betriebsparameter Fülldruck, Temperatur, Wärmezufuhr und Betriebsfrequenz in verschiedenen Betriebszuständen vermessen. Auf der Basis der gewonnenen Ergebnisse kann ein umfassendes Bild der Leistungscharakteristik und Verlustmechanismen des Pulsrohrmotors gezeichnet werden. Als Abschluss der Arbeit werden daraus eine Leistungsprognose für die Erhöhung des Fülldruckes und weitere Optimierungsmöglichkeiten abgleitet.

Die Bachelorarbeit wird sich im Folgenden mit dem Kreiskolbenverbrennungsmotor befassen, einem neuartigen Motor, der auf einer Kombination von Otto- und Joule-Kreisprozess basiert. Zunächst werden thermofluiddynamische Grundlagen und die für die Simulation mit dem Programm ANSYS Fluent notwendigen Berechnungsmethoden erläutert, und anschließend, nach der Festlegung der Parameter für ein physikalisches Modell, schrittweise eine Vorstellung der 5 Varianten dargelegt, welche Gegenstand der Simulation sind. Nach der Definition der Randbedingungen in ANSYS Fluent folgt die Simulation. Die dabei ermittelten Werte und Ergebnisse werden kritisch reflektiert und analysiert. Den Schluss bildet eine Diskussion über die erzielten Ergebnisse mit Einschätzung des Kreiskolbenverbrennungsmotors und der Optimierungsmöglichkeiten.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Verbesserung eines hydraulischen Ventils, welches in Stoßdämpfern zum Einsatz kommt. Es wird als Druckregelventil eingesetzt, um die Dämpfkraft einzustellen. Typische Ventile haben eine geknickte Druck-Durchfluss-Kennlinie. Es wurde nachgewiesen, dass dies zu Schwingungen der Kolbenstange führen kann, die im Resonanzfall mit dem Chassis eines Fahrzeugs wechselwirken können. Um unangenehme Geräusche und Vibrationen, die den Komfort mindern, zu vermeiden, muss der Knick in der Kennlinie geglättet werden. - In einem ersten Schritt wurde ein einfaches, analytisches Modell des Ventils aufgestellt. Anhand dieses Modells wurde herausgefunden, dass eine Kennlinienverrundung durch Beeinflussung des Kräftegleichgewichts am Ventilschieber erreicht werden kann. In der Praxis kann dies durch eine bestimmte Form des Ventilsitzes realisiert werden. Es wurden drei verschiedene Ventilsitzgeometrien mit Hilfe eines kommerziellen CFD-Programms untersucht. Als Ergebnis wurde eine optimierte Ventilsitzform gefunden. Die Theorie konnte durch Versuche erfolgreich verifiziert werden.

Inhalt dieser Bachelorarbeit ist die Überprüfung der Wärmeübertragungseigenschaften von einem Wärmespeichermedium über den Erhitzer eines handelsüblichen Stirling-Motors auf das Arbeitsgas desselbigen. Zu diesem Zweck werden für zwei unterschiedliche Wärmespeichermedien die Wärmeübergangskoeffizienten je nach Fall für die Konvektion oder die Strahlung rechnerisch ermittelt. Auf deren Basis wird die theoretisch zu erwartende Temperatur des Arbeitsgases bei Austritt aus dem Erhitzer berechnet. Die Wärmespeichermedien sind ein Thermoöl und Heizstäbe aus Siliziumcarbit. Zur Prüfung der berechneten Werte wird desweiteren in der Arbeit ein Versuch mit dem Thermoöl als Wärmespeichermedium durchgeführt. Aus Zeitgründen wurde auf einen Versuch mit Heizstäben als Wärmespeichermedium verzichtet.

Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die messtechnische Erfassung der Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder in drei Querschnitten der Flugzeugkabine des Versuchsträgers Do728 des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt e.V. (DLR) in Göttingen. Der Versuchsträger ist ein Flugzeug für 70 Passagiere mit einer externen Klimaanlage zum Testen verschiedener Klimafälle. Unter Verwendung von einem Array aus Thermoelementen wurden die Temperaturfelder gewonnen. Mithilfe von Rauchvisualisierung und Particle Image Velocimetry unter Verwendung heliumgefüllter Seifenblasen als Impfpartikel konnten die Geschwindigkeitsfelder ermittelt werden. Die gewonnen Messdaten wurden analysiert und bilden die Basis einer Validierungsdatenbank für numerische Berechnungen sowie eine Vergleichsdatenbank für den thermischen Komfort.

This work deals with the automatic generation of special soap bubbles for the purpose of flow visualization and measurement inside the "Barrel of Ilmenau". This facility represents the world-wide biggest experiment of free thermal convection of air in a large enclosure. In order to investigate the strongly turbulent flow field by the use of an extended three dimensional particle tracking velocimetry (3D PTV) technique, the air has to be seeded with small, neutrally buoyant tracer particles. These flow markers can be small soap bubbles filled with a lighter-than-air gas to compensate the bubble's mass. Bubbles produced by conventional systems have a relatively short lifetime, so Langrangian-measurement is limited. This work describes the construction und the first testing of an alternative bubble generation system using a special bubble fluid.

Die vorliegende Bachelor-Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Auslegung eines Kühlsystems eines kompressoraufgeladenen BMW M3 der Firma G-Power. Mit zunehmender Leistungsdichte stößt das Serienkühlsystem an seine Grenzen und muss erweitert werden. Dazu wurden zunächst ein Serien- und ein aufgeladenes Fahrzeug (SK II - Stufe mit 600 PS) vermessen und so Rückschlüsse auf die Kühlleistungen getroffen. Berechnungen für zwei Zusatzwasserkühler und der Bau eines Prototypensystems folgten. Dieses konnte anschließend an dem SK II - Fahrzeug validiert werden. Ein Verbesserungseffekt ist deutlich sichtbar und das SK II - System besitzt nun wieder deutlich Reserven. Die gemachten Erkenntnisse zeigen zudem weitere Verbesserungsmöglichkeiten.

Dreidimensionale Particle Tracking Velocimetry (kurz 3D-PTV) stellt eines der vielseitigsten Werkzeuge zur Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes einer Strömungen dar. Basierend auf der Bildanalyse einer synchronisierten und kalibrierten Mehrkameraanordnung können die Raumkoordinaten bestimmter Messpunkte mithilfe fundamentaler geometrischer Bedingungen gefunden werden. Da die eindeutige Zuordnung von Markierungspartikeln die Grundlage für die Bestimmung Lagrange'scher Geschwindigkeitsvektoren bildet, muss bei der Auswahl der Partikel ein Kompromiss aus Sichtbarkeit und Auflösung des Geschwindigkeitsfeldes, beide Abhängig von der Größe der Partikel, eingegangen werden. In der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz eines vier Kamera 3D-PTV Systems in einer quaderförmigen Konvektionszelle beschrieben. Hierzu soll das bestehende Hardwaresystem zur Anwendung einer neuen, open-source basierenden Software der ETH-Zürich angepasst werden, die in Zunkunft komplett unabhängige Untersuchungen an der Technischen Universität Ilmenau ermöglichen soll. Die Software wurde bisher vorwiegend in kleinen Versuchsmaßstäben verwendet und musste für das neue Beobachtungsvolumen von 4,0 x 2,8 x 3,5 m&dzcy;, ensprechend etwa 40 m&dzcy;, eingerichtet werden. Die wesentlichen Arbeitsschritte zur Implentierung der Software beinhalteten a) die Kalibrierung des Systems, b) die Validierung dieser mithilfe verschiedener Experimente mit Angabe der möglichen Genauigkeit des Systems im Raum bei der Ortskoordinatenbestimmung sowie c) ein Abschlusstest, bei dem mithilfe von warmwasserdurchströmten Kapillarrohrmatten eine Raumluftströmung erzeugt und mit Heliumballons verfolgt wurde. All diese Experimente standen unter dem Gesichtspunkt, die Software im "Ilmenauer Fass", dem weltweit größten Rayleight-Bénard Experiment, einzusetzen zu können. Bei diesem Experiment werden durch das einstellbare Aspektverhältnis Beobachtungsvolumina von bis zu 250 m&dzcy; erreicht. Dies stellen Novum und Herrausforderung beim Einsatz der Software dar.

Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) ist eine Technik für die berührungslose Messung der Durchflussmenge von elektrisch leitfähigen Medien. Sie basiert auf der Messung der Kraft, die auf ein Magnet-System ausgeübt wird, wenn elektrisch leitfähige Stoffe (wie z. B. flüssiges Metall) durch jenes vom Magnetsystem erzeugte magnetische Feld strömen. In unserem Fall, ein durch Permanentmagneten erzeugtes. Diese Arbeit präsentiert Testmessungen mit einem Lorentzkaft Anemometer in einem Sekundäraluminium-Schmelzwerk. Die Durchflussmessungen wurden in einem offenen Kanal, in dem Aluminiumschmelze von einem Schmelzofen zu einem Gießofen transportiert wird, durchgeführt. Die Versuchsabläufe und die erhaltenen Daten werden beschrieben. Weiterhin ist die Produktionsumgebung für Sekundäraluminium dargestellt und die grundlegenden physikalischen Prinzipien der LKA-Technik sind diskutiert. Mit den aufgezeichneten Daten wird eine Kalibrierungsfunktion vorgestellt.

In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften von Temperatursignalen in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion untersucht. Die dafür zur Verfügung stehenden Temperatur-Zeitreihen wurden an der Heiz- und an der Kühlplatte des Ilmenauer Fasses aufgenommen und decken einen Rayleigh-Zahlenbereich von 1.58e11 bis 9.59e11 ab. - Die Analyse der Temperatursignale umfasst eine Fourieranalyse, bei der die Temperatursignale in ihre Frequenzanteile zerlegt und anschließend ausgewertet werden. Weiterhin werden die Autokorrelationsfunktionen der Temperatursignale für Heiz- und Kühlplatte gebildet. Mit Hilfe diesen Funktionen werden die zeitlichen Periodizitäten der Temperatursignale untersucht. - Die abschließende Analyse der Temperatursignale mittels der Kreuzkorrelation dient dazu, die gemessenen Signale an Heiz- und Kühlplatte miteinander zu vergleichen und die Kopplung der Grenzschichten zu untersuchen.

Für präzise Temperaturmessungen im Ilmenauer Fass, dem weltgrößten Rayleigh-Bénard-Experiment, werden Messgeräte mit besonders hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung benötigt. Diese Anforderungen können von speziell gefertigten Mikrothermistoren erfüllt werden, jedoch erst nach einer geeigneten Kalibrierung. Mit dieser Arbeit wurde eine Kalibrierstation aufgebaut, die sowohl für die Kalibrierung der Mikrothermistoren und als auch anderer Temperaturmessgeräte verwendet werden kann. Eine Untersuchung der Station auf ihre Qualitätsparameter zeigte, dass mit den Mikrothermistoren eine Temperaturauflösung von ca. 0,1K erreichbar ist.

Bei einem Spritzgussprozess wird ein schmelzeflüssiges Thermoplast mit hohem Druck in eine Metallform gebracht. Diese hat die Aufgabe dem Kunststoff in Form zu bringen, abzukühlen und schließlich auszustoßen. Mit ca. 70% hat das Abkühlen des Kunststoffes auf Entformungstemperatur den größten Anteil an der Zykluszeit. Aus diesem Grund wird hier das größte Optimierungspotential zur Verkürzung der Prozesszeit gesehen, weshalb in den letzten Jahren viele neue Entwicklungen im Bereich der Werkzeugtemperierung gemacht wurden. Zur Wärmeabfuhr werden für gewöhnlich gebohrte Kanäle verwendet, die in ihrer Auslegung durch fertigungstechnische Grenzen beschränkt sind. Die Entwicklung neuer generativer Fertigungsverfahren wird es möglich völlig neuartige Kühlstrukturen zu erstellen. Bei diesen Verfahren wird Metallpulver in einer dünnen Schicht auf eine Bauplatte aufgetragen und mit Hilfe eines Laserstrahls lokal verschmolzen. Durch Wiederholen dieses Vorgangs entsteht Schicht für Schicht ein Werkzeugeinsatz mit den Materialeigenschaften des Pulvers. Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Analyse und Optimierung der von der Siegfried Hofmann Werkzeugbau GmbH patentierten Flächenkühlung. Eine Flächenkühlung ist Netz von Kanälen, das sich eng unterhalb der Kavität befindet und so für eine schnelle und gleichmäßige Wärmeabfuhr sorgen soll. Für die Optimierung der Kühlung werden numerische Untersuchungen gemacht und für die Analyse sowohl numerische als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Für die numerischen Untersuchungen wird das Programm EFD.Lab der Firma Flomerics verwendet. In der Arbeit wird eine genaue Beschreibung zur Bedienung und der Arbeitsweise der Software vorgenommen. Des Weiteren wird eine Kontrollrechnung der Ergebnisse durch die etablierte Strömungssimulation Fluent gemacht. Die Ergebnisse werden außerdem mit bereits bekannten Theorien über umströmte Einzelzylinder und Rohrbündel verglichen. Durch Messungen an einem Versuchsaufbau werden praktische Werte für Druckverlust und der Wärmeabfuhr der Flächenkühlung gewonnen. Diese werden mit den Ergebnissen aus der Simulation verglichen und eine bewertet. Es werden Konstruktionshinweise zur Auslegung von Flächkühlungen dargelegt und Parallelen der Flächenkühlung zu bereits strömungs- und wärmetechnisch bekannten Geometrien aufgezeigt.

Die Arbeit dient der Untersuchung des thermischen Verhaltens einer Abdeckscheibe von Automobilscheinwerfern, speziell der Ausbildung von lokalen Überhitzungen, so genannten Hotspots. Die Abdeckscheibe moderner Automobilscheinwerfer besteht aus Polycarbonat, welches im Vergleich zu Glas eine wesentliche geringere maximale Anwendungstemperatur aufweist. Die thermische Untersuchung zur Hotspotbildung ist daher von hoher Bedeutung. Der Wärmetransport innerhalb des Automobilscheinwerfers weist die drei Mechanismen Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung auf. Die gerichtete Strahlung des Reflektors wird innerhalb der Abdeckscheibe entsprechend dem Absorptionsverhalten absorbiert und in Wärme umgewandelt. Dieses Verhalten wird mit einer diskreten Wärmequelle innerhalb der Abdeckscheibe modelliert. Die Abdeckscheibe selbst wird herausgeschnitten aus dem Scheinwerfer betrachtet und ist als senkrechte Platte nachgebildet. Diese Platte ist zu beiden Seiten von einem Fluid umströmt. Beide Fluide weisen unterschiedliche Temperaturen auf. Zur Untersuchung werden sowohl ein analytisches als auch ein numerisches Modell aufgestellt. Ziel ist die Bestimmung der Hotspottemperatur und der Hotspotlage innerhalb der Abdeckscheibe. Die Ergebnisse beider Modelle ergänzen sich gegenseitig. Die numerische Simulation dient der Bestimmung der Hotspottemperatur, Temperaturverteilung an den Oberflächen der Abdeckscheibe und der Bestimmung des Wärmeübergangs zu den begrenzenden Fluiden. Über die analytischen Berechnungen sind Aussagen zur Temperaturverteilung innerhalb der Abdeckscheibe möglich.

Die Arbeit dient Untersuchungen zur Anwendbarkeit der Boussinesq-Approximation am Rayleigh-Bénard-Experiment "Ilmenauer Fass". Hierfür wird die Veränderung der relevanten Stoffeigenschaften und weitere Kriterien nach Tritton in Betracht gezogen. Des Weiteren wird das Verhältnis der thermischen Grenzschichtdicke über der Heizplatte zur thermischen Grenzschichtdicke unter der Kühlplatte aus der Theorie hergeleitet. - Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Aufbau zur Messung von Temperaturprofilen über der Heizplatte wird vorgestellt. Es werden zwei Messreihen (Ra = 3,1e+11 / Ra = 7,5e+11; Gamma = 1,137; Pr = 0,7) durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse werden sowohl mit entsprechenden Temperaturprofilen unter der Kühlplatte, als auch mit den theoretischen Erwartungen verglichen. - Ebenso wird mithilfe numerischer Simulation die Temperaturverteilung im Sensorsupport berechnet, und es werden konstruktive Vorschläge unterbreitet, die aus den Ergebnissen der Simulation abgeleitet werden.

In einem Rayleigh-Bénard-Experiment, am Bsp. des "Ilmenauer Fasses" erfolgte die Aufnahme von Geschwindigkeitsprofilen in der Kühlplattengrenzschicht bei verschieden Ra-Zahlen im Bereich 1.23e11 bis 9.77e11. Die angewandte Messapparatur bestand dabei aus zwei Laser-Doppler-Anemometern. Dadurch erfolgte die Aufnahme der Geschwindigkeiten in zwei Raumkoordinaten. Eine detaillierte Beschreibung des Messprinzips und der Grenzschichttheorie (nach H.Schlichting) sind enthalten. Ein Vergleich mit den bereits existierenden theoretischen Grenzschichtmodellen wurde durchgeführt und ausgewertet. Dabei wurde eine lokale, kritische Reynolds-Zahl von 417 festgestellt. Des Weiteren stimmte keine der Theorien mit den gemessenen Geschwindigkeitsprofilen überein.

An experiment for magnetic and optical measurements of a fluid-fluid interface was set up. The fluids were Galinstan and an aqueous solution of KOH (Potassium Hydroxide). A current was vertically passed through the system. The experment allowed to generate different interface modes and measurements using a magnetic multi-sensor system (Fluxgate Sensors) and different optical methods (video camera, laser vibrometers). The flux density data gathered during the experiments makes detection and reconstruction of the (1,1) and the (2,1) interface mode possible. The (1,1) mode was found to have a very strong amplitude of several mm. The (1,2) mode exists, but was rather instable. Additional experiments have been performed with a reduced amplitude of the (1,1)-mode. This was made possible by a modified electrolyte (Glycerol added). An improved sensor setup was prepared.