Studentische Arbeiten und Assistenten

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.