Publikationen

Our previous study (Zheng et al 2020 Metall. Mater. Trans. B 51 558–69; Zheng et al 2020 Acta Metall. Sin.56 929–36) reports a non-invasive in-situ measurement technology using Lorentz force velocimetry (LFV) to quantitatively measure the meniscus velocity of molten steel online. However, effective signal recognition from complex environment noise and determination of zero-point calibration in harsh metallurgical processing is an essentially challenging task and indeed needs further exploration. In this paper, a method of combining double probe arrangement with real-time differential processing technology was proposed, the twin design structure not only enables the measurement of ∼mN Lorentz forces, but also has significant characteristics of environmental tolerance. The Lorentz force signal caused by conductor motion can be accurately calculated through a differential method, meaning that the problem of zero compensation in industrial online measurement can be effectively overcome. Moreover, based on the functional correlation between the Lorentz force and the parameter of the conductor to be measured, a method of the probes moving variably and actively and their data difference ratio processing was adopted, so as to achieve dynamic calibration during online measurement. This measurement strategy provides a new approach for LFV to achieve online dynamic measurement and online calibration, and provides technical support for electromagnetic measurement technology towards engineering applications.

Understanding turbulent thermal convection is essential for modeling many natural phenomena. This study investigates the spatiotemporal dynamics of the vortical structures in the mid-plane of turbulent Rayleigh-Bénard convection in SF6 via experiments. For this, a Rayleigh-Bénard cell of aspect ratio 10 is placed inside a pressure vessel and pressurized up to 1, 1.5, and 2.5 bar in order to reach Rayleigh numbers of Ra = 9.4 × 10^5, 2.0 × 10^6, and 5.5 × 10^6, respectively. For all three cases, the Prandtl number is Pr = 0.79 and Δ T ≈ 7 K. Then, stereoscopic particle image velocimetry is conducted to measure the three velocity components in the horizontal-mid-plane for 5.78 × 10^3 free fall times. For the given aspect ratio, the flow is no longer dominated by the side walls of the cell and turbulent superstructures that show a two-dimensional repetitive organization form. These superstructures show diverse shapes with faster dissipation rates as Ra increases. Out-of-plane vortices are the main feature of the flow. As Ra increases, the number of these vortices also increases, and their size shrinks. However, their total number is almost constant for each Ra through the measurement period. Furthermore, their occurrence is random and does not depend on whether the flow is upward-heated, downward-cooled, or horizontally directed. Vortex tracking was applied to measure lifetime, displacement, and traveled distance of these structures. The relation between lifetime and traveled distance is rather linear. Interestingly, in the vortex centers, the out-of-plane momentum transport is larger in comparison to the bulk flow. Therefore, these vortices will play a major role in the heat transport in such flows.

We propose a Lagrangian method for simultaneous, volumetric temperature and velocity measurements. As tracer particles for both quantities, we employ encapsulated thermochromic liquid crystals (TLCs). We discuss the challenges arising from color imaging of small particles and present measurements in an equilateral hexagonal-shaped convection cell of height h = 60 mm and distance between the parallel side walls w = 10^4 mm, which corresponds to an aspect ratio Γ = 1.73. As fluid, we use a water-glycerol mixture to match the density of the TLC particles. We propose a densely-connected neural network, trained on calibration data, to predict the temperature for individual particles based on their particle image and position in the color camera images, which achieves uncertainties below 0.2 K over a temperature range of 3 K. We use Shake-the-Box to determine the 3D position and velocity of the particles and couple it with our temperature measurement approach. We validate our approach by adjusting a stable temperature stratification and comparing our measured temperatures with the theoretical results. Finally, we apply our approach to thermal convection at Rayleigh number Ra = 3.4 × 10^7 and Prandtl number Pr = 10.6. We can visualize detaching plumes in individual temperature and convective heat transfer snapshots. Furthermore, we demonstrate that our approach allows us to compute statistics of the convective heat transfer and briefly validate our results against the literature.

The effects of external applied magnetic field on heat and momentum transfer of Rayleigh-Bénard convection in a closed cavity filled with electrically conductive molten salt are investigated by direct numerical simulation. Such arrangements are of strong interest in the context of thermal energy storage systems from renewable resources. To discretize the governing equations, the Chebyshev collocation spectral method is developed. A series of numerical results for 5000 ≤ Ra ≤ 10^6, 5 ≤ Pr ≤ 20 and 0 ≤ Ha ≤ 150 are obtained. First, we conduct two-dimensional numerical simulations to investigate the effect of Pr without and with magnetic field and find that Pr has little influence on heat and momentum transfer. Then, taking Pr as a fixed value of 7 and considering the effects of Ra and Ha, 2D and 3D direct numerical simulations are conducted. From both 2D and 3D numerical results, we conclude that, the heat and momentum transfer are enhanced with Ra at Ha = 0 and the fluid motion is stabilized by magnetic field at Ha 0. More phenomena of heat transfer and fluid flow, together with scaling correlations of Nu ∼ Ra, Nu ∼ Re for Rayleigh-Bénard convection without magnetic field, and, Nu ∼ RaHa and Re ∼ RaHa for Rayleigh-Bénard convection with magnetic field, are revealed under specified ranges of Ra and Ha.

A mathematical model of electrically driven laminar free shear flows in a straight duct under the action of an applied oblique transverse uniform magnetic field is considered. The mathematical approach is similar to that used in [1]. A system of stationary partial differential equations with two unknown functions of velocity and induced magnetic field is solved. Three different cases of electric current supply to the liquid are considered. An electric current is introduced into the liquid first by one pair of linear electrodes, and in two other cases by two pairs of electrodes located on the upper and lower walls of the duct. The cases are analyzed when the angle of inclination of the magnetic field vector to these walls is ϕ0 = π/4. Depending on the direction of the electric current supplied to the pairs of electrodes, two coinciding in direction or two opposite inclined flows are driven in the zone between these walls. Increasing the magnetic field only leads to an internal rearrangement of the flows. The Hartmann number Ha ranges from 1 to 10, at which MHD effects distinctly enough are already displayed.

The measurement of the transport of scalar quantities within flows is oftentimes laborious, difficult or even unfeasible. On the other hand, velocity measurement techniques are very advanced and give high-resolution, high-fidelity experimental data. Hence, we explore the capabilities of a deep learning model to predict the scalar quantity, in our case temperature, from measured velocity data. Our method is purely data-driven and based on the u-net architecture and, therefore, well-suited for planar experimental data. We demonstrate the applicability of the u-net on experimental temperature and velocity data, measured in large aspect ratio Rayleigh-Bénard convection at Pr = 7.1 and Ra = 2 x 10^5, 4 x 10^5, 7 x 10^5. We conduct a hyper-parameter optimization and ablation study to ensure appropriate training convergence and test different architectural variations for the u-net. We test two application scenarios that are of interest to experimentalists. One, in which the u-net is trained with data of the same experimental run and one in which the u-net is trained on data of different Ra. Our analysis shows that the u-net can predict temperature fields similar to the measurement data and preserves typical spatial structure sizes. Moreover, the analysis of the heat transfer associated with the temperature showed good agreement when the u-net is trained with data of the same experimental run. The relative difference between measured and reconstructed local heat transfer of the system characterized by the Nusselt number Nu is between 0.3 and 14.1% depending on Ra. We conclude that deep learning has the potential to supplement measurements and can partially alleviate the expense of additional measurement of the scalar quantity.

Recent studies on the flow phenomena in stratified thermal-energy-storage (TES) systems have shown that heat conduction from the hot upper fluid layer through the vertical tank sidewall into the lower cold fluid layer leads to counterdirected wall jets adjacent to the vertical sidewalls. It was shown that these phenomena destroyed half of the total exergy content in less than a tenth of the storage time constant of a 2-m3 stratified TES system. This paper investigates short-term fluctuations of the wall jets since these fluctuations can potentially mix the hot and cold zones of the thermal stratification that are separated by the thermocline region. Using particle-image velocimetry measurements in two regions of a TES model experiment (near-wall region and far-field region) and analyzing the frequency content of the velocity fields revealed characteristic oscillations for different regions. In the near-wall region, observed fluctuations agreed well with an adjusted boundary layer frequency from the literature, showing that the wall jet is transitioning from laminar to turbulent flow. In the far-field region, the oscillations are related to the Brunt-Väisälä frequency. It is shown that the fluctuations from the boundaries of the thermocline region are most dominant and propagate into deeper regions of the thermocline. A comparison to data from the large-scale test facility for thermal energy storage in molten salt at the German Aerospace Center in Cologne showed good agreement. The consensus between the two experiments proves firstly that a small-scale model experiment with water as a storage liquid can be used to analyze the physical phenomena of large-scale molten salt storage facilities and secondly that these fluctuations are relevant for exergy destruction in real-scale TES.

Die Technische Thermodynamik versteht sich heutzutage als eine allgemeine Energielehre. In vielen Ingenieurstudiengängen gilt sie als Grundlagenfach, dem die Aufgabe zukommt, den Studierenden die vielfältigen Umwandlungsmöglichkeiten von Energieformen aufzuzeigen. Des Weiteren werden die Studierenden über die Einschränkungen bei den Umwandlungsprozessen unterrichtet, anhand derer sie die Effizienz der Prozesse beurteilen können. Die Aussagen der Thermodynamik sind methodisch in vier Hauptsätzen zusammengefasst. Trotz dieses klaren inhaltlichen Aufbaus ist die Technische Thermodynamik bei vielen Studierenden ein eher unbeliebtes Fach, wohl, weil die sichere Beherrschung abstrakter, fachspezifischer Größen wie Entropie und Exergie notwendig ist. Der vorliegende Beitrag setzt sich zum Ziel zu zeigen, dass die Kernaussagen der Thermodynamik mit dem Gedanken der Nachhaltigkeit verknüpft sind. Dadurch ist fundiertes Fachwissen in dieser Disziplin von zentraler Bedeutung für die Umsetzung nachhaltiger Ansätze in der Anwendung. Alle künftigen technischen Lösungsvorschläge im Rahmen der viel zitierten Energiewende kommen an dem grundlegenden Verständnis der thermodynamischen Zusammenhänge nicht vorbei. Weiterhin wird anhand von Praxisbeispielen analysiert, welche Herausforderungen sich daraus für die Lehre in der universitären Ingenieurausbildung ergeben. Neben den klassischen Lehrinstrumenten wie Vorlesung und Seminarübung sind auch Erfahrungssammlung durch Laborversuche und Exkursionen wichtige Schritte im Lernprozess.

We study the influence of thermal boundary conditions on large aspect ratio Rayleigh-Bénard convection by a joint analysis of experimental and numerical data sets for a Prandtl number Pr=7 and Rayleigh numbers Ra=105−106. The spatio-temporal experimental data are obtained by combined Particle Image Velocimetry and Particle Image Thermometry measurements in a cuboid cell filled with water at an aspect ratio Γ=25. In addition, numerical data are generated by Direct Numerical Simulations (DNS) in domains with Γ=25 and Γ=60 subject to different idealized thermal boundary conditions. Our experimental data show an increased characteristic horizontal extension scale ÜÞλ of the flow structures for increasing Ra , which due to an increase of the convective heat transfer also leads to an increase of the Biot number (Bi) at the cooling plate. However, we find the experimental flow structure size to range in any case in between the ones observed for the idealized thermal boundary conditions captured by the simulations: On the one hand, they are larger than in the numerical case with applied uniform temperatures at the plates. On the other hand, they are smaller than in the case of an applied constant heat flux, the latter of which leads to a structure that grows gradually up to the horizontal domain size. We are able to link this observation qualitatively to theoretical predictions for the onset of convection. Furthermore, we study the effect of the asymmetric boundary conditions on the heat transfer. Contrasting experimental and numerical data reveals an increased probability of far-tail events of reversed heat transfer. The successive decomposition of the local Nusselt number Nuloc traces this effect back to the sign of the temperature deviation ÜÞΘ, eventually revealing asymmetries of the heating and cooling plate on the thermal variance of the generated thermal plumes.

Microfluidic flows feature typically fully three-dimensional velocity fields. However, often the optical access for measurements is limited. Astigmatism or defocus particle tracking velocimetry is a technique that enables the 3D position determination of individual particles by the analysis of astigmatic/defocused particle images. The classification and position determination of particles is a task well suited to deep neural networks (DNNs). In this work, two DNNs are used to extract the class and in-plane position (object detection) as well as the depth position (regression). The performance of both DNNs is assessed by the position uncertainties as well as the precision of the size classes and the amount of recalled particles. The DNNs are evaluated on a synthetic dataset and establish a new benchmark of DNNs in defocus tracking applications. The recall is higher than compared to classic methods and the in-plane errors are always subpixel accurate. The relative uncertainty in the depth position is below 1% for all examined particle seeding concentrations. Additionally, the performance on experimental images, using four different particle sizes, ranging from 1.14 to 5.03 is analyzed. The particle images are systematically rearranged to produce comprehensive datasets of varying particle seeding concentrations. The distinction between particles of similar size is more challenging but the DNNs still show very good results. A precision above 96% is reached with a high recall above 95%. The error in the depth position remains below 1% and the in-plane errors are subpixel accurate with respect to the labels. The work shows that first, DNNs can be trained with artificially rearranged data sets based on individual experimental images and are therefore easily adaptable to various experimental setups and applicable by non-experts. Second, the DNNs can be successfully adapted to determine additional variables as in this case the size of the suspended particles.

The present study investigates experimentally the effects of a time-dependent and spatially inhomogeneous magnetic field on liquid metal droplet flow down an inclined substrate. The flow is solely excited by the electromagnetic interactions between the electrically conducting melt and the applied magnetic field. The metal droplet consists of the eutectic alloy GaInSn which is liquid at room temperature. The magnetic field is generated in the gap between two metallic disks that are equipped with a special geometric arrangement of permanent magnets and put into a measured rotation. During the experiments, a droplet of a measured volume is positioned on an electrically non-conducting substrate that is slightly inclined against the horizontal direction. Droplet and substrate are placed in between the two rotating magnetic disks. In our experiments, we record the electromagnetically excited flow of the droplet downwards onto the substrate using a high-speed camera system. Applying standard techniques of digital image processing, we measure both the displacement position and velocity of the droplet as a function of time. We observe that, depending on the rotation rate of the disks and angle of inclination, the magnetic field eventually triggers this spreading process. In more detail, by evaluating the recorded data, we find that the magnetic field excites capillary waves at the free surface of the droplet. These surface waves contribute to a redistribution of volume towards the contact line formed at the downward-facing end tip of the droplet. This mode of transport steepens the contact angle, allowing the droplet to move. Besides the fundamental aspect of this work, the present study may contribute to the electromagnetic control of both the production of metallic microfibers and metallurgic coating processes as well as to the non-contact electromagnetic flow measurement technique of Lorentz force velocimetry applied to liquid metal free-surface flows.

In a broad variety of configurations in technology and industrial applications, the properties of liquid metal flows subjected to strong magnetic fields, are largely governed by the dynamics of coherent structures, known to settle several basic types, such as thin shear layers, forming near the walls or within the fluid domain, vortices extended along the field, or planar and round jets. In some cases, these structures are created by the design, like a submerged jet formed by a sudden expansion from the nozzle into a blanket channel, or jets formed behind some flow obstruction. In the other cases this may be due to instability and evolution of secondary structures, for example, descending and ascending jets appearing as a result of convective instability in blanket channels. In this study, we undertake an attempt to affect liquid metal flow via inlet disturbance formed by a simple rod placed along the magnetic induction lines. The disturbance can generate flat jets behind the rod and, furthermore, a sustainable flow of anisotropic vortical perturbations further downstream the flow. We seek to analyze the most important mechanisms of the flow dynamics and effects of magnetic field on the integral system properties of enhancing mixing, mass and heat transport for such flow. The most optimal regimes of vortex generation are found to be governed by the magnetic interaction parameter (Stuart number). The exact ratio of the optimal Stuart number is found to be in a range between 20 and 40, based on the channel double width as a characteristic size. The observed vortices attain quasi-2D shape and exist at a length of dozens of duct calibers, being the strongest at higher flow rates. The obtained flow regimes and their turbulent properties are also found to resemble significant similarity to the results on quasi-2D turbulence found in prior studies of channel and duct flows under spanwise magnetic field.

Miniaturized on-chip micropumps with no moving parts are intriguing components for advanced lab-on-chip systems. Magnetohydrodynamic pumping is one possibility but requires further research with respect to microsystems design and fabrication. In this paper, the design and fabrication of a magnetohydrodynamic micropump is discussed using a composite of patterned glass and stacked dry film photoresist as demonstrator platform. The magnetohydrodynamic pumping effect is achieved by the superposition of an electric ion current generated by integrated electrodes and an external magnetic field provided by a permanent magnet. As test electrolytes, potassium chloride with potassium hexacyanoferrate (III) and potassium hexacyane iron (II) were used. Seamless fluid channel sidewalls were achieved from stacked dry film resists, which appear to be cast from a single mold. A liquid-tight sealing of the microchannels was realized by covering them with a thermally bonded laser-structured glass lid. Although, a complete characterization of the pump performance was not yet realized, the micropump in its current state serves as a technology demonstrator for further research of microfluidic on-chip micropumps that utilize the magnetohydrodynamic effect and also for other microfluidic systems.

The systematic manipulation of components of multimodal particle solutions is a key for the design of modern industrial products and pharmaceuticals with highly customized properties. In order to optimize innovative particle separation devices on microfluidic scales, a particle size recognition with simultaneous volumetric position determination is essential. In the present study, the astigmatism particle tracking velocimetry is extended by a deterministic algorithm and a deep neural network (DNN) to include size classification of particles of multimodal size distribution. Without any adaptation of the existing measurement setup, a reliable classification of bimodal particle solutions in the size range of 1.14 μm–5.03 μm is demonstrated with a precision of up to 99.9 %. Concurrently, the high detection rate of the particles, suspended in a laminar fluid flow, is quantified by a recall of 99.0 %. By extracting particle images from the experimentally acquired images and placing them on a synthetic background, semi-synthetic images with consistent ground truth are generated. These contain labeled overlapping particle images that are correctly detected and classified by the DNN. The study is complemented by employing the presented algorithms for simultaneous size recognition of up to four particle species with a particle diameter in between 1.14 μm and 5.03 μm. With the very high precision of up to 99.3 % at a recall of 94.8 %, the applicability to classify multimodal particle mixtures even in dense solutions is confirmed. The present contribution thus paves the way for quantitative evaluation of microfluidic separation and mixing processes.

A multistage optimization method is developed yielding Tesla valves that are efficient even at low flow rates, characteristic, e.g., for almost all microfluidic systems, where passive valves have intrinsic advantages over active ones. We report on optimized structures that show a diodicity of up to 1.8 already at flow rates of 20 μl s^-1 corresponding to a Reynolds number of 36. Centerpiece of the design is a topological optimization based on the finite element method. It is set-up to yield easy-to-fabricate valve structures with a small footprint that can be directly used in microfluidic systems. Our numerical two-dimensional optimization takes into account the finite height of the channel approximately by means of a so-called shallow-channel approximation. Based on the three-dimensionally extruded optimized designs, various test structures were fabricated using standard, widely available microsystem manufacturing techniques. The manufacturing process is described in detail since it can be used for the production of similar cost-effective microfluidic systems. For the experimentally fabricated chips, the efficiency of the different valve designs, i.e., the diodicity defined as the ratio of the measured pressure drops in backward and forward flow directions, respectively, is measured and compared to theoretical predictions obtained from full 3D calculations of the Tesla valves. Good agreement is found. In addition to the direct measurement of the diodicities, the flow profiles in the fabricated test structures are determined using a two-dimensional microscopic particle image velocimetry (μPIV) method. Again, a reasonable good agreement of the measured flow profiles with simulated predictions is observed.

Acoustic tweezers facilitate a noninvasive, contactless, and label-free method for the precise manipulation of micro objects, including biological cells. Although cells are exposed to mechanical and thermal stress, acoustic tweezers are usually considered as biocompatible. Here, we present a holistic experimental approach to reveal the correlation between acoustic fields, acoustophoretic motion and heating effects of particles induced by an acoustic tweezer setup. The system is based on surface acoustic waves and was characterized by applying laser Doppler vibrometry, astigmatism particle tracking velocimetry and luminescence lifetime imaging. In situ measurements with high spatial and temporal resolution reveal a three-dimensional particle patterning coinciding with the experimentally assisted numerical result of the acoustic radiation force distribution. In addition, a considerable and rapid heating up to 55 ˚C depending on specific parameters was observed. Although these temperatures may be harmful to living cells, counter-measures can be found as the time scales of patterning and heating are shown to be different.

By integrating surface acoustic waves (SAW) into microfluidic devices, microparticle systems can be fractionated precisely in flexible and easily scalable Lab-on-a-Chip platforms. The widely adopted driving mechanism behind this principle is the acoustic radiation force, which depends on the size and acoustic properties of the suspended particles. Superimposed fluid motion caused by the acoustic streaming effect can further manipulate particle trajectories and might have a negative influence on the fractionation result. A characterization of the crucial parameters that affect the pattern and scaling of the acoustically induced flow is thus essential for the design of acoustofluidic separation systems. For the first time, the fluid flow induced by pseudo-standing acoustic wave fields with a wavelength much smaller than the width of the confined microchannel is experimentally revealed in detail, using quantitative three-dimensional measurements of all three velocity components (3D3C). In Part I of this study, we focus on the fluid flow close to the center of the surface acoustic wave field, while in Part II the outer regions with strong acoustic gradients are investigated. By systematic variations of the SAW-wavelength λSAW and channel height H, a transition from vortex pairs extending over the entire channel width W to periodic flows resembling the pseudo-standing wave field is revealed. An adaptation of the electrical power, however, only affects the velocity scaling. Based on the experimental data, a validated numerical model was developed in which critical material parameters and boundary conditions were systematically adjusted. Considering a Navier slip length at the substrate-fluid interface, the simulations provide a strong agreement with the measured velocity data over a large frequency range and enable an energetic consideration of the first and second-order fields. Based on the results of this study, critical parameters were identified for the particle size as well as for channel height and width. Progress for the research on SAW-based separation systems is obtained not only by these findings but also by providing all experimental velocity data to allow for further developments on other sites.

Continuous wetting of a surface with liquid metal is indispensable in many applications, such as in fusion reactors. In the present study, we provide data on the suppression of free-surface instabilities of liquid metal film flows under the action of strong streamwise magnetic fields in analogy to the poloidal fields used in application. We have designed and built up an experimental test setup which allows studying the influence of magnetohydrodynamics on the dynamic behaviour of liquid metal GaInSn film flows in laminar, transient, and turbulent regimes. While the width and the length of the film are adjusted at w = 23 mm and l = 120 mm, respectively, we are able to apply strong uniform magnetic fields up to B = 5 T over the entire fluid-flow volume. Moreover, the setup allows to vary the Reynolds number within the range 200 ≤ Re ≤ 1700. The corresponding Hartmann and Stuart numbers are Ha ≤ 180 and N ≤ 40, respectively. This study shows that a streamwise magnetic field is capable of suppressing free-surface instabilities even in the turbulent regime of the film flow by dampening any motion perpendicular to the applied magnetic field. Plans for future studies include the quantitative investigation of the parameter space.

For the transition of our energy supply towards a higher share of renewables, thermal energy storage (TES) systems are, besides electric batteries and chemical energy storage systems, one promising solution to overcome the volatile nature of renewable energy sources. For the most efficient operation, the liquid storage material in the tank should be stratified by its temperature-dependent density. As a result, the cold fluid remains at the bottom, and the heated fluid rises to the top (Alva et al. (2018)). Typically steel tanks are used for TES, and thus, the wall material has a thermal diffusivity that is one to two orders of magnitude higher than that of the storage fluid. Consequently, the tank’s sidewalls work as a thermal bridge between the stratified layers. In recent studies, the authors have shown that the resulting heat flux induces two counterdirected, convective wall jets near the sidewalls of the tank, which increase mixing of the stratification and thus lowers the exergy content and the storage efficiency (Otto et al. (2019, 2020)). Using a model experiment of a TES, the entire vertical extent of the detected wall jets is investigated. Hence, the typical flow structures of vertical, natural convection under the influence of non-zero temperature gradients in the ambient fluid can be analyzed, which can help to improve storage tanks in the future. The velocity in the region of the wall jets is measured via 2d particle-image velocimetry (PIV) in a rectangular model experiment of 750 mm height on a base area of 375 mm × 375 mm made from polycarbonate. The jets evolve on the surface of an aluminum plate simulating the storage tank’s sidewall. The measuring system consists of four cameras with a resolution of 2160 × 2560 pixels combined with objective lenses with 100 mm focal length capturing the raw images in a plane perpendicular to the aluminum wall. A Nd:YAG laser with a wavelength of 532 nm illuminates the measuring plane. Simultaneously using up to four cameras adjacent to each other and stitching their resulting vector fields, the vertical extent of the field of view increases from 38 mm up to 140 mm. Despite this, the field of view is still much smaller than the vertical extent of the model experiment, so that seven consecutive runs are performed to cover the entire height. Disturbing reflections of the laser light sheet on the aluminum wall are eliminated using optical filters for the cameras that are opaque for the green laser light in combination with fluorescently (Rhodamine B) dyed PMMA tracer particles with a diameter between 1–20 μm. The particles emit light at a wavelength of 610 nm (orange light) and can therefore be detected through the cameras’ filters. During four separate measuring periods, where each lasts for two minutes, double frame images are captured with a time difference of 19.981 ms (maximum possible value) at a measuring frequency of 7 Hz. Figure 1 shows a schematic of the camera setup next to the model experiment and the measurement and evaluation procedure to finally receive one time-averaged velocity field per measuring period of the full height of the experiment. The raw data evaluation process starts with calculating the vector fields of all cameras used at a certain measuring position and stitching them to one flow field of this position. Since the wall jets’ horizontal extents are with 2–7 mm relatively small and they show high velocity gradients, the raw images are evaluated in both single-frame and double-frame mode. With a velocity threshold that corresponds to a pixel displacement of 1/4 of the interrogation window size and the time difference of the single-frames, the resulting vector fields are masked and merged into one final vector field. This vector field consists of high velocities evaluated in double-frame mode and low velocities evaluated in single-frame mode (see Figure 2) thus minimizing the relative error. The algorithm used in this work is similar to the multi-frame PIV approach introduced by Hain and Kähler (2007). Figure 3 shows the time-averaged results of the first measuring period for each of the seven measuring positions in height.

The application of standing surface acoustic waves (sSAW) has enabled the development of many flexible and easily scalable concepts for the fractionation of particle solutions in the field of microfluidic lab-ona-chip devices. In this context, the acoustic radiation force (ARF) is often employed for the targeted manipulation of particle trajectories, whereas acoustically induced flows complicate efficient fractionation in many systems [Sehgal and Kirby (2017)]. Therefore, a characterization of the superimposed fluid motion is essential for the design of such devices. The present work focuses on a structural analysis of the acousticallyexcited flow, both in the center and in the outer regions of the standing wave field. For this, experimental flow measurements were conducted using astigmatism particle tracking velocimetry (APTV) [Cierpka et al. (2010)]. Through multiple approaches, we address the specific challenges for reliable velocity measurements in sSAW due to limited optical access, the influence of the ARF on particle motion, and regions of particle depletion caused by multiple pressure nodes along the channel width and height. Variations in frequency, channel geometry, and electrical power allow for conclusions to be drawn on the formation of a complex, three-dimensional vortex structure at the beginning and end of the sSAW.

In recent years smartphones considerably changed our communication and are used on a daily (or even every minute) basis especially by students without any difficulties. Fluid flows also belong to our daily experiences. However, the education of the basic principles of fluid mechanics is sometimes cumbersome due to its non-linear nature. This problem may be tackled in practical sessions applying flow visualization techniques in wind or water tunnels and directly learn from own observations. Nowadays, often optical methods like particle imaging velocimetry (PIV) or particle tracking velocimetry (PTV) are used for these purposes. A typical PIV/PTV setup consists of a (double)pulse laser, a scientific camera and a synchronization device. The costs for this equipment can easily add up to more than 100,000 euros and the installations and set up of the systems requires experiences and is complex. For these reasons Universities often only offer practical courses for a small amount of students and the students may not be allowed to use and set up the systems by their own as the equipment is also needed for scientific research. Due to the COVID-19 pandemic it is also often not allowed to share equipment or even to work in larger groups during practical sessions.

Die Untersuchung von thermisch induzierten Strömungen hat in den letzten Jahrzehnten eine enorme Aufmerksamkeit erfahren, um geophysikalische und astrophysikalische Systeme besser verstehen zu können. Hierfür hat sich das sogenannte Rayleigh-Bénard Modell als eines der meist untersuchten fluidmechanischen Systeme etabliert, da es die kaum abzubildende Komplexität von natürlichen Systemen in ihrer Mannigfaltigkeit auf ein Fluidvolumen reduziert, welches von unten isotherm erwärmt und von oben isotherm gekühlt wird. Trotz dieser Reduzierung an Komplexität können mit diesem Modell die wesentlichen Eigenschaften von thermischer Konvektion abgebildet werden. Die Strömung in einem solchen System, welche als Rayleigh-Bénard Konvektion bekannt ist, weist Strömungsstrukturen auf unterschiedlichsten Längenskalen auf. In der vorliegenden Arbeit werden die sogenannten Superstrukturen untersucht. Diese sich in horizontaler Richtung weit erstreckenden Strukturen treten in Erscheinung, wenn die horizontale Dimension der Fluidschicht wesentlich größer als der vertikale Abstand zwischen der erwärmten Unterseite und der gekühlten Oberseite ist. Da die Superstrukturen bisher im Wesentlichen anhand von numerischen Simulationen untersucht wurden, soll in dieser Arbeit erstmals vom experimentellen Standpunkt ein besserer Eindruck gewonnen werden. Zur Untersuchung der Superstrukturen wird eine Rayleigh-Bénard Zelle mit den Abmessungen l × w × h = 700 mm × 700 mm × 28 mm und folglich mit einem Aspektverhältnis von [Gamma] = l/h =25 aufgebaut. Bei allen Experimenten wird diese Zelle mit Wasser als Arbeitsmedium befüllt. Um die Rayleigh-Bénard Strömung zu untersuchen, werden thermochrome Flüssigkristalle als Impfpartikel der Strömung beigefügt, sodass simultane Messungen des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes in horizontalen Ebenen der Zelle vorgenommen werden können. Während das Geschwindigkeitsfeld mittels der Bewegung der thermochromen Flüssigkristalle im zeitlichen Verlauf anhand der etablierten Partikelbild-Geschwindigkeitsmessung (Particle Image Velocimetry) bestimmt wird, basiert die Messung des Temperaturfelds auf der farblichen Erscheinung der thermochromen Flüssigkristalle, welche unter der Beleuchtung von Weißlicht temperaturabhängig ist. Im Hinblick auf die genaue Bestimmung der Temperatur wird diese Messtechnik umfänglich charakterisiert, wobei die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Messunsicherheit diskutiert werden. Da die Untersuchung der turbulenten Superstrukturen mittels dieser Messtechnik den optischen Zugang zur flachen Rayleigh-Bénard Zelle erfordert, ist der Aufbau speziell konstruiert und ermöglicht die Beobachtung der Strömung durch eine transparente Kühlplatte. Der Entwicklungsprozess wird in der Arbeit aus ingenieurstechnischer Sicht genauestens erklärt. Bei der Auswertung der Messungen kommen die großskaligen Strukturen sowohl im Temperaturfeld als auch im Geschwindigkeitsfeld zum Vorschein. Die Größe der Superstrukturen wird untersucht in Abhängigkeit der Rayleigh-Zahl Ra, welche den thermischen Antrieb der Strömung beschreibt und in der vorliegenden Arbeit etwa im Bereich 2 × 10^5 ≤ Ra ≤ 2 × 10^6 variiert wird. Auf der Basis dieser Messungen, welche jeweils einen großen Zeitraum abdecken, wird das Langzeitverhalten der Superstrukturen analysiert, womit deren langsam voranschreitende Umstrukturierung gezeigt wird. Da die kombinierte Messung des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes in den horizontalen Messebenen die Berechnung des lokalen Wärmestroms ermöglicht, wird diese Möglichkeit ebenfalls demonstriert. Um die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit bewerten zu können, werden jene mit den Resultaten aus numerischen Simulationen verglichen.

Stratified thermal energy storages (TESs) are a promising solution for the large-scale energy storage problem of surplus renewable energy. Recent studies have shown parasitic convection occurring in near-wall regions inside such storage tanks, decreasing the working fluid's thermal stratification and reducing their exergy efficiency. This paper presents an experimental investigation of vertical convective flows in thermally stratified environments to complement the theoretical studies in this field. Specifically, we consider natural convection within a stratified laminar flow driven not by active heating but by the temperature gradient along a vertical wall, as is the case in real TES systems. The insights gained into the fundamental physical mechanisms of stratified vertical convection can promote efficiency improvements in TES systems. Therefore, we combine multiple particle image velocimetry and temperature measurements at different heights and thus obtain high-resolution vector fields of the entire wall jet flow and vertical temperature profiles for a TES model experiment. We appropriately modify scaling arguments found in the literature to develop a theory specifically suited to the experimental setup. The experimental data agree well with the modified theory. The results show two laminar counter-directed jets next to the vertical sidewall. In regions with high temperature gradients, the wall jets slow down, and flow reversals occur next to them. Moreover, the wall jets are asymmetric due to temperature-dependent fluid properties in conjunction with the ambient fluid stratification. In the stratification's upper, hot part, the wall jet is thinner and faster than the bottom jet in the cold region.

We consider a mathematical model of two-dimensional electrically driven laminar axisymmetric circular free shear flows in a cylindrical vessel under the action of an applied axial uniform magnetic field. The mathematical approach is based on the studies by J.C.R. Hunt and W.E. Williams (J. Fluid. Mech., 31, 705, 1968). We solve a system of stationary partial differential equations with two unknown functions of velocity and induced magnetic field. The flows are generated as a result of the interaction of the electric current injected into the liquid and the applied field using one or two pairs of concentric annular electrodes located apart on the end walls. Two lateral free shear layers and two Hartmann layers on the end walls and a quasi-potential flow core between them emerge when the Hartmann number Ha >> 1. As a result, almost all injected current passes through these layers. Depending on the direction of the current injection, coinciding or two counter flows between the end walls are realized. The Hartmann number varies in a range from 2 to 300. When a moderate magnetic field (Ha = 50) is reached, the flow rate and the induced magnetic field flux cease to depend on the magnitude of the applied field but depend on the injected electric current value. Increasing magnetic field leads only to inner restructuring of the flows. Redistributions of velocities and induced magnetic fields, electric current density versus Hartmann number are analyzed.

Defocus particle tracking (DPT) has gained increasing importance for its use to determine particle trajectories in all three dimensions with a single-camera system, as typical for a standard microscope, the workhorse of todays ongoing biomedical revolution. DPT methods derive the depth coordinates of particle images from the different defocusing patterns that they show when observed in a volume much larger than the respective depth of field. Therefore it has become common for state-of-the-art methods to apply image recognition techniques. Two of the most commonly and widely used DPT approaches are the application of (astigmatism) particle image model functions (MF methods) and the normalized cross-correlations between measured particle images and reference templates (CC methods). Though still young in the field, the use of neural networks (NN methods) is expected to play a significant role in future and more complex defocus tracking applications. To assess the different strengths of such defocus tracking approaches, we present in this work a general and objective assessment of their performances when applied to synthetic and experimental images of different degrees of astigmatism, noise levels, and particle image overlapping. We show that MF methods work very well in low-concentration cases, while CC methods are more robust and provide better performance in cases of larger particle concentration and thus stronger particle image overlap. The tested NN methods generally showed the lowest performance, however, in comparison to the MF and CC methods, they are yet in an early stage and have still great potential to develop within the field of DPT.

We report a linear scaling law for an electrical voltage as a function of the pressure drop in capillary pipes and ducts. This voltage is generated by a process which is termed spin hydrodynamic generation (SHDG), a result of the collective electron spin-coupling to the vorticity field in the laminar flow in combination with an inverse spin-Hall effect. We study this phenomenon in laminar duct flows with different width-to-height aspect ratios ranging from 1 (square ducts) to infinite (two dimensional channels). First, we analytically solve the governing Valet-Fert spin diffusion equations for the SHDG by means of the method of small parameters together with proper boundary conditions for the set of inhomogeneous elliptic partial differential equations. Second, the proposed linear scaling law is validated through a series of experiments using capillary tubes with rectangular and square cross sections. The experimental results show very good agreement to the analytically found scaling law. A subsequent substitution of the bulk velocity of the laminar wall-bounded flows by the pressure drop reveals a universal scaling law for the electrical voltage that incorporates all pipe and duct geometries which we could study in our experiments. Finally, the efficiency of the system is estimated for circular pipes, rectangular and square ducts. This study shows that the efficiency of a spin hydrodynamic generator is the same for a circular pipe and a square duct with the same diameter and height, respectively. Hence, due to the ease of manufacturing and the possibility to scale the experiments up to parallel settings in a compact form, micro-channels with a square cross section seem to be the optimum for a spin hydrodynamic generator.

In dieser Arbeit wird eine energieeffiziente Betriebsstrategie eines Batterie-Thermomanagementsystems von Elektrobussen untersucht. Dabei wird sowohl die flüssigkeitsbasierte Batterietemperaturregelung als auch der ideale Betrieb von Dampfkompressionssystemen im Allgemeinen betrachtet. Um das thermische Verhalten der Batterie und die erforderliche Kühllast zu untersuchen, wird eine neuartige transiente Berechnungsmethode des thermischen Batteriesystems vorgeschlagen. Die Ergebnisse zeigen eine ausreichende Temperierung der Zelltemperatur über eine quasistationäre Regelung. Folglich kann die Batteriekühlanlage unter stationären Bedingungen betrieben werden, um die Anforderungen an die Batterietemperatur zu erfüllen. Zur Optimierung der Energieeffizienz der Batteriekühlanlage wird eine detaillierte theoretische und experimentelle Analyse des idealen stationären Betriebs der Kompressionskältemaschine (KKM) für eine Serienkühleinheit der Mahle GmbH durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen wird eine neue modellbasierte Sollwertoptimierungsmethode vorgeschlagen, um die KKM bei idealen Einstellungen zu betreiben. Für quasistationäre Anwendungen stellt die vorgeschlagene Methode eine vielversprechende Alternative zur Extremwertoptimierung oder anderen fortschrittlichen Methoden dar, die zwar genauer sind, aber eine hohe Konvergenzzeit benötigen.

We investigate the free convection processes in the vicinity of a spherical 1 kg mass standard by two- and three-dimensional direct numerical simulations using a spectral element method. Our focus is on the determination and suppression of updraft forces in a high-precision mass comparator which are caused by temperature differences between mass standard and its environment in the millikelvin range - a source of systematic uncertainties in the high-precison mass determination. A two-dimensional model is presented first, which obtains a good agreement with previous laboratory measurements for the smaller temperature differences up to 15 mK. The influence of different boundary conditions and side lengths of the square domain is discussed for the mass standard positioned in the center of the chamber. The complexity is increased subsequently in configurations with additional built-ins for counter heating in form of planar plates or hemispherical shells above the mass standard. The latter ones lead to a full compensation of the updraft force. Three-dimensional simulations in a closed cubic chamber confirm the two-dimensional findings and additionally reveal complex secondary flow patterns in the vicinity of the mass standard. The reduction of the heat transfer due to the built-ins is also demonstrated by a comparison of the Nusselt numbers as a function of the Rayleigh number in the chosen parameter range. Our simulations suggest that such additional constructive measures can enhance the precision of the mass determination by suppression of free convection and related systematic uncertainties.

Vapor compression systems (VCS) cover a wide range of applications and consume large amounts of energy. In this context, previous research identified the optimization of the condenser fans speed as a promising measure to improve the energy efficiency of VCS. The present paper introduces a steady-state modeling approach of an air-cooled VCS to predict the ideal condenser fan speed. The model consists of a hybrid characterization of the main components of a VCS and the optimization problem is formulated as minimizing the total energy consumption by respectively adjusting the condenser fan and compressor speed. In contrast to optimization strategies found in the literature, the proposed model does not relay on algorithms, but provides a single optimization term to predict the ideal fan speed. A detailed experimental validation demonstrates the feasibility of the model approach and further suggests that the ideal condenser fan speed can be calculated with sufficient precision, assuming constant evaporating pressure, compressor efficiency, subcooling, and superheating, respectively. In addition, a control strategy based on the developed model is presented, which is able to drive the VCS to its optimal operation. Therefore, the study provides a crucial input for set-point optimization and steady-state modeling of air-cooled vapor compression systems.

This work studies turbulent behavior in Taylor-Couette flow of an electrically conducting fluid between two co-axial and infinitely long insulating cylinders in the presence of an axial magnetic field at a low magnetic Reynolds number. The inner cylinder rotates and the outer one is kept stationary. Direct numerical simulation was conducted to study the problem with Reynolds numbers of 4000 and 8000 with different Hartmann numbers. The results show a continuous suppression of turbulence in the flow under the applied magnetic field. The mean flow profile is not directly affected by the magnetic field, but its transformation depends on the decrease of turbulent fluctuations and wall normal momentum transport. With increasing Hartmann number, the observed decrease of Taylor vortex flow is accompanied by the elongated axial wavelengths, confirming the theoretical prediction of linear stability theory. A comparison of the considered case of insulating cylinders with a previous study with conducting cylinders also indicates a difference between these two cases and highlights a significant impact of the electric boundary conditions on turbulence.

Magnetohydrodynamic convection in a downward flow of liquid metal in a vertical duct is investigated experimentally and numerically. It is known from earlier studies that in a certain range of parameters, the flow exhibits high-amplitude pulsations of temperature in the form of isolated bursts or quasi-regular fluctuations. This study extends the analysis while focusing on the effects of symmetry introduced by two-sided rather than one-sided wall heating. It is found that the temperature pulsations are robust physical phenomena appearing for both types of heating and various inlet conditions. At the same time, the properties, typical amplitude, and range of existence in the parametric space are very different at the symmetric and asymmetric heating. The obtained data show good agreement between computations and experiments and allow us to explain the physical mechanisms causing the pulsation behavior.

Spin-hydrodynamic coupling is a recently discovered method to directly generate electricity from an electrically conducting fluid flow in the absence of Lorentz forces. This method relies on a collective coupling of electron spins - the internal quantum-mechanical angular momentum of the electrons - with the local vorticity of a fluid flow. In this work, we experimentally investigate the spin-hydrodynamic coupling in circular- and noncircular-capillary pipe flows and extend a previously obtained range of Reynolds numbers to smaller and larger values, 20 < Re < 21500, using the conducting liquid-metal alloy (Ga,In)Sn as the working liquid. In particular, we provide experimental evidence for the linear dependence of the generated electric voltage with respect to the bulk-flow velocity in the laminar regime of the circular pipe flow as predicted by Matsuo et al. [Phys. Rev. B. 96, 020401 (2017)]. Moreover, we show analytically that this behavior is universal in the laminar regime regardless of the cross-sectional shape of the pipe. Finally, the proposed scaling law by Takahashi et al. [Nat. Phys. 12, 52 (2016)] for the generated voltage in turbulent circular pipe flows is experimentally evaluated at Reynolds numbers higher than in previous studies. Our results verify the reliability of the proposed scaling law for Reynolds numbers up to Re = 21500 for which the flow is in a fully developed turbulent state.

This study presents an investigation regarding the applicability of neural networks for temperature measurements using thermochromic liquid crystals (TLCs) and discusses advantages as well as disadvantages of common calibration approaches. For the characterization of the measurement technique, the dependency of the color of the TLCs on the temperature as well as on the observation angle and, therefore, on the position within the field of view of a color camera is analyzed in detail. In order to consider the influence of the position within the field of view on the color, neural networks are applied for the calibration of the temperature measurements. In particular, the focus of this study is on analysis of the error of temperature measurement for different network configurations as well as training methods, yielding a mean absolute deviation and a mean standard deviation in the range of 0.1 K for instantaneous measurements. On the basis of a comparison of this standard deviation to that of two further calibration approaches, it is shown that neural networks are suited for temperature measurements via the color of TLCs. Finally, the applicability of this measurement technique is illustrated at an exemplary temperature measurement in a horizontal plane of a Rayleigh-Bénard cell with large aspect ratio, which clearly shows the emergence of convective flow patterns by means of the temperature field.

Many applications in chemistry, biology and medicine use microfluidic devices to separate, detect and analyze samples on a miniaturized size-level. Fluid flows evolving in channels of only several tens to hundreds of micrometers in size are often of a 3D nature, affecting the tailored transport of cells and particles. To analyze flow phenomena and local distributions of particles within those channels, astigmatic particle tracking velocimetry (APTV) has become a valuable tool, on condition that basic requirements like low optical aberrations and particles with a very narrow size distribution are fulfilled. Making use of the progress made in the field of machine vision, deep neural networks may help to overcome these limiting requirements, opening new fields of applications for APTV and allowing them to be used by nonexpert users. To qualify the use of a cascaded deep convolutional neural network (CNN) for particle detection and position regression, a detailed investigation was carried out starting from artificial particle images with known ground truth to real flow measurements inside a microchannel, using particles with uni- and bimodal size distributions. In the case of monodisperse particles, the mean absolute error and standard deviation of particle depth-position of less than and about 1 [my]m were determined, employing the deep neural network and the classical evaluation method based on the minimum Euclidean distance approach. While these values apply to all particle size distributions using the neural network, they continuously increase towards the margins of the measurement volume of about one order of magnitude for the classical method, if nonmonodisperse particles are used. Nevertheless, limiting the depth of measurement volume in between the two focal points of APTV, reliable flow measurements with low uncertainty are also possible with the classical evaluation method and polydisperse tracer particles. The results of the flow measurements presented herein confirm this finding. The source code of the deep neural network used here is available on https://github.com/SECSY-Group/DNN-APTV.

Monitoring the meniscus velocities of molten steel in continuous casting molds is critical for revealing the velocity field in the whole mold and consequently for process control and final product quality, however, the realization of contactless online measurement in an actual metallurgy environment is a highly challenging task. In this paper, we develop a special Lorentz force velocimetry (LFV) device to measure the local meniscus velocities of molten steel flow, and this device can adapt to harsh environments with high temperature, opaque liquid metal and surrounding complex electromagnetic noise. A series of laboratory experiments and calibrations were conducted to provide support for a follow-up in-plant test. The LFV device exhibits capability and feasibility for measuring the meniscus velocity in continuous casting molds during plant tests. On this basis, the velocity field and turbulent flow in a wide slab continuous casting mold are analyzed. The measured meniscus velocity is on the order of ˜ 10^-1 m/s, which is consistent with the results obtained via the nail-board approach.

A novel simple and effective heating system for microfluidic direct methanol fuel cells was characterized experimentally. It consisted of a semi-conductive indium tin oxide heating layer of nanometer thickness that was applied to the anode and cathode cover plates and subjected to high electrical power. Within only 25 s, temperatures of up to 80&ring;C were reached in the vicinity of the membrane, which was verified experimentally. With this system the time needed to generate more than 90 of the maximum output power of the fuel cell can be reduced to 20 s, thus overcoming the well known problem of long start up times in the order of minutes of this type of fuel cells. Furthermore, deeper insight into the role of the convective heat transfer is given. For the first time simultaneous measurements of the three-dimensional velocity and temperature distributions within the anode channel of a microfluidic direct methanol fuel cell were performed by means of luminescence lifetime imaging and astigmatism particle tracking velocimetry. The experimental results prove a significant cooling effect of the anode flow, whereas the influence of the cathode flow is small. Finally, various possible future improvements to increase the efficiency of the heating system are identified.

Turbulente Magnetokonvektion in Flüssigmetallen wird in geschlossenen rechteckigen Zellen für starke äußere Magnetfelder durch direkte numerische Simulationen untersucht, welche die quasistatische Näherung anwenden. Das Hauptziel ist es, zu verstehen wie der turbulenten Wärme und Impulstransport beeinflusst wird und wie die Konvektionsstrukturen durch die Magnetfelder umorganisiert werden. In dieser Arbeit werden zwei Systeme untersucht, bei denen die turbulente RB-Konvektion in einem horizontalen Magnetfeld bzw. einem vertikalen Magnetfeld erfolgt. Für das System mit einem horizontalen Magnetfeld wird RB-Konvektion bei einer Rayleigh-Zahl von 1e6 in einer Zelle mit quadratischer Grundfläche und einer langen rechteckigen Zelle untersucht. Unterschiedliche Konvektionsregimes werden identifiziert, welche vom Aspektverhältnis und der Stärke des Magnetfelds abhängen. Das bemerkenswerteste Konvektionsregime, das in der Box mit quadratischer Grundfläche beobachtet wird, ist die Umkehrung der Strömung - ein Reorganisationsprozess der rollenartigen Struktur, die durch ein gemäßigtes Magnetfeld eingeschränkt wird. Das Regime zeigt eine interessante Ähnlichkeit mit der großskaligen Intermittenz in einer Kanalströmung mit einem moderaten Magnetfeld in Spannweitenrichtung. Das interessanteste Konvektionsregime in der langen rechteckigen Zelle ist die verdrillte Walzenstruktur, die aus zwei Walzen mit halber Behälterlänge mit unterschiedlichen Ausrichtungen während der Übergangsperiode besteht. Für das System mit einem vertikalen Magnetfeld wird hauptsächlich RB-Konvektion bei einer Rayleigh-Zahl von 1e6 in einer geschlossenen kubischen Zelle und bei einer hohen Rayleigh-Zahl von 1e7 in einer Zelle mit quadratischer Grundfläche beschrieben. Durch eine Fourier-Analyse werden Konvektionsstrukturen mit abnehmender charakteristischer horizontaler Wellenlänge gefunden während Ha zunimmt. Der turbulente Wärmetransport verteilt sich zunehmend auf Strömungsstrukturen, die an den Seitenwänden anliegen. Ähnlich wie bei rotierender RB-Konvektion bestehen die Seitenwandmoden für Ha oberhalb der Chandrasekhar-Grenze fort. Es erfolgt, eine detaillierte Analyse der komplexen Zweischicht-Struktur dieser Seitenwandmoden, ihrer Ausdehnung in das Zellinnere und der daraus resultierenden Zusammensetzung der Seitenwandgrenzschicht, deren Skalierung mit der Shercliff-Schichtdicke erfolgen kann.

A novel method to drive and manipulate fluid in a contactless way in a microelectrode-microfluidic system is demonstrated by combining the Lorentz and magnetic field gradient forces. The method is based on the redox-reaction [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- performed in a magnetic field oriented perpendicular to the ionic current that crosses the gap between two arrays of oppositely polarized microelectrodes, generating a magnetohydrodynamic flow. Additionally, a movable magnetized CoFe micro-strip is placed at different positions beneath the gap. In this region, the magnetic flux density is changed locally and a strong magnetic field gradient is formed. The redox-reaction changes the magnetic susceptibility of the electrolyte near the electrodes, and the resulting magnetic field gradient exerts a force on the fluid, which leads to a deflection of the Lorentz force-driven main flow. Particle Image Velocity measurements and numerical simulations demonstrate that by combining the two magnetic forces, the flow is not only redirected, but also a local change of concentration of paramagnetic species is realized.

Transparent heating plates, consisting of glass coated with a transparent conductive metal oxide, are applied in large aspect ratio turbulent Rayleigh-Bénard convection (RBC) to investigate the large-scale patterns of velocity fields with optical flow measurement techniques across the whole horizontal cross section. The square convection cell with an aspect ratio [Gamma] = L/h = 10 was tested inside the scaled convective airflow laboratory experiment (SCALEX) facility which enables experiments with gases as working fluids for pressures of up to 10 bar to achieve very high Rayleigh numbers Ra. For the current study, Ra = 2 x 10^4 was applied. The velocity fields are measured with 2D3C particle image velocimetry (PIV). The possibility of reliable PIV measurements with reproducible homogenous temperature boundary conditions was demonstrated in the SCALEX facility. The seeding of the tracer particles, their illumination and data evaluation are addressed in detail. The final comparison of experimental data and numerical simulations shows a good agreement for the probability density functions of the horizontal velocity components. Deviations for the vertical out-of-plane velocity component and their dependence on the thickness of the laser sheet are discussed in detail and quantified by measurements with light sheets of different thickness.

A novel optical measurement technique is introduced and qualified which enables the simultaneous determination of the three-dimensional temperature field and the three components of the three-dimensional velocity field in microfluidic applications with only one camera. The temperature is obtained by evaluating the emission decay of individual luminescent polymer particles, whereas the velocity field can be calculated simultaneously from the flow-induced shift of individual particle images in time. To acquire the depth information, the well-established astigmatism particle-tracking velocimetry technique is employed. With this method, systematic errors caused by volume illumination and the reduced spatial resolution due to window averaging as in micro particle image velocimetry ([my]-PIV) or laser-induced fluorescence (LIF) can be avoided. The technique can easily be optimized for the investigated temperature range and flow velocities and offers an exceptionally high spatial resolution and accuracy.

Lorentz force velocimetry (LFV) is a contactless and non-invasive flow measurement technique for electrical conducting fluids. When the fluid passes a magnetic field, a Lorentz force will be generated. The force is proportional to the electrical conductivity, to the velocity of the fluid, and to the square of the magnetic flux density. It is possible to apply this technique over a range of conductivities varying from high values as for liquid metals to lower values as typically for electrolytes (e.g. salt water). The main challenge is measuring the force, which is six orders of magnitude smaller for electrolytes in comparison to liquid metals. It was shown that LFV is insensitive to the shape of different velocity profiles and especially to strongly asymmetric profiles as long as the volume flow is constant. However, the influence of a second gaseous phase on the force signal remains an open question. This is of fundamental interest especially for chemical and food processing industries. To examine this influence in detail, electrolyte flow with different volume flow fractions was investigated for the current study. By using frits, it is possible to generate a homogeneous distribution of the second (gaseous) phase in the electrolyte. Small electrolyte velocities or flow rates (v < 1.5 m s^-1, V1 = 225 l min^-1) enable the formation of slug flow and stratified wavy flow, and higher velocities (v > 1.8 m s^-1, V1 = 270 l min^-1) the formation of bubbly two-phase flow in the used test section. By this means, it is possible to study a wide range of flow patterns in a horizontal duct. The experimental results are in good agreement with the analytical estimations for fully dispersed flow. However, for a nonhomogeneous distribution of air the force signal deviates much stronger. An explanation can be the superposition of Lorentz forces and magnetic forces, caused by differences of the magnetic susceptibilities of water and air, which will be discussed in greater detail.

Electrolytic gas evolution is a fundamental phenomenon occurring in a large number of industrial applications. In these processes gas bubbles are formed at the electrode from a supersaturated solution. Since dissolved gases can change the surface tension, a gas concentration gradient may cause the surface tension to vary locally at the interface of the gas bubble. Surface tension gradients may also form due to temperature gradients generated by ohmic heating of the electrolyte. In both cases, the resulting shear stress imposes a convection in the electrolyte and the gas bubble (Marangoni eect). This phenomenon may influence the entire electrolytic gas evolution process, e.g., by an enhanced mass transfer. In this study, the first evidence of the Marangoni convection near growing hydrogen bubbles, generated by water electrolysis, is provided. Microscopic high speed imaging was applied to study the evolution of single hydrogen bubbles at a microelectrode. The convection near the interface of the growing bubble was measured by using a time-resolved Particle Tracking Velocimetry (PTV) technique. The results indicate a clear correlation between the magnitude of the Marangoni convection and the electric current.

The effect of an axial homogeneous magnetic field on the turbulence in the Taylor-Couette flow confined between two infinitely long conducting cylinders is studied by the direct numerical simulation using a periodic boundary condition in the axial direction. The inner cylinder is rotating, and the outer one is fixed. We consider the case when the magnetic Reynolds number Rem 1, i.e., the influence of the induced magnetic field on the flow is negligible that is typical for industry and laboratory study of liquid metals. Relevance of the present study is based on the similarity of flow characteristics at moderate and high magnetic field for the cases with periodic and end-wall conditions at the large flow aspect ratio, as proven in the earlier studies. Two sets of Reynolds numbers 4000 and 8000 with several Hartmann numbers varying from 0 to 120 are employed. The results show that the mean radial induced electrical current, resulting from the interaction of axial magnetic field with the mean flow, leads to the transformation of the mean flow and the modification of the turbulent structure. The effect of turbulence suppression is dominating at a strong magnetic field, but before reaching the complete laminarization, we capture the appearance of the hairpin-like structures in the flow.

Lorentz force velocimetry (LFV) is a contactless velocity measurement technique for electrically conducting fluids. When a liquid metal or a molten glass flows through an externally applied magnetic field, eddy currents and a flow-braking force are generated inside the liquid. This force is proportional to the velocity or flow rate of the fluid and, due to Newton's third law, a force of the same magnitude but in opposite direction acts on the source of the applied magnetic field which in our case are permanent magnets. According to Ohm's law for moving conductors at low magnetic Reynolds numbers, an electric potential is induced which ensures charge conservation. In this paper, we analyze the contribution of the induced electric potential to the total Lorentz force by considering two different scenarios: conducting walls of finite thickness and aspect ratio variation of the cross-section of the flow. In both the cases, the force component generated by the electric potential is always in the opposite direction to the total Lorentz force. This force component is sensitive to the electric boundary conditions of the flow of which insulating and perfectly conducting walls are the two limiting cases. In the latter case, the overall electric resistance of the system is minimized, resulting in a considerable increase in the measured Lorentz force. Additionally, this force originating from the electric potential also decays when the aspect ratio of the cross-section of the flow is changed. Hence, the sensitivity of the measurement technique is enhanced by either increasing wall conductivity or optimizing the aspect ratio of the cross-section of the flow.

We report velocity measurements in a vertical turbulent convection flow cell that is filled with the eutectic liquid metal alloy gallium-indium-tin by the use of local Lorentz force velocimetry (LLFV) and ultrasound Doppler velocimetry. We demonstrate the applicability of LLFV for a thermal convection flow and reproduce a linear dependence of the measured force in the range of micronewtons on the local flow velocity magnitude. Furthermore, the presented experiment is used to explore scaling laws of the global turbulent transport of heat and momentum in this low-Prandtl-number convection flow. Our results are found to be consistent with theoretical predictions and recent direct numerical simulations.

Non-contact electromagnetic shaping of liquid metal free surfaces is crucial in several metallurgic processes including bending or stabilization of jets in casting or fusion applications. In this context, we experimentally study the influence of strong axial magnetic fields up to 5 T on the dynamics of falling droplets and jets. As a test melt, we use GaInSn which is liquid at room temperature. In the experiments, we vary the magnetic flux density, the tilt angle, the liquid metal flowrate, and the diameter and material (conducting/non-conducting) of the nozzle. As major results, we find that under the influence of the field, liquid metal droplets are stretched in the field direction, the droplet rotation ceases, and the droplet axis aligns with the axis of the field. Moreover, we observe that the jet break-up into droplets is suppressed and, for the case of conducting nozzle and tilt, jets are bent towards the field axis.

Electromagnetic induction in a conducting liquid that moves in an external magnetic field can be used for contactless flow measurement. In Lorentz Force Velocimetry (LFV), the induced force on the magnet is determined to obtain velocity information. This measurement principle may also be applied to conducting flows with gas bubbles encountered in metallurgical processes. This provides the motivation for our work, in which we study a single bubble rising in a liquid metal column as a model problem for LFV in two-phase flows. By using a small permanent magnet, one can not only detect the presence of a bubble but also obtain information on its position and velocity. Our numerical investigation aims at reproducing experiments with Argon bubbles in GaInSn alloy and at studying the electromagnetic induction in the flow in more detail. For three-dimensional and phase-resolving simulations we use the Volume of Fluid method provided by ANSYS FLUENT. The induction equation in the quasistatic limit is an elliptic problem for the electric potential. It is implemented in FLUENT with a user-defined scalar. The electric conductivity varies between the phases, and the magnetic field is given by an analytical expression for a uniformly magnetized cube. The comparison with the experiments also helps to validate the numerical simulations.

This study investigates the effect of a magnetohydrodynamic (MHD) shear flow on the growth and detachment of single sub-millimeter-sized hydrogen gas bubbles. These bubbles were electrolytically generated at a horizontal Pt microelectrode (100 [my]m in diameter) in an acidic environment (1 M H2SO4). The inherent electric field was superimposed by a homogeneous electrode-parallel magnetic field of up to 700 mT to generate Lorentz forces in the electrolyte, which drive the MHD flow. The growth and motion of the hydrogen bubble was analyzed by microscopic high-speed imaging and measurements of the electric current, while particle tracking velocimetry ([my]PTV) and particle image velocimetry ([my]PIV) were applied to measure the surrounding electrolyte flow. In addition, numerical flow simulations were performed based on the experimental conditions. The results show a significant reduction of the bubble growth time and detachment diameter with increasing magnetic induction, which is known to improve the efficiency of water electrolysis. In order to gain further insight into the bubble detachment mechanism, an analysis of the forces acting on the bubble was performed. The strong MHD-induced drag force causes the bubble to slowly slide away from the center of the microelectrode before its detachment. This motion increases the active electrode area and enhances the bubble growth rate. The results further indicate that at large current densities the coalescence of tiny bubbles formed at the foot of the main bubble might play an important role for the bubble detachment. Moreover, the occurrence of Marangoni stresses at the gas-liquid interface is discussed.

Small scale flow phenomena play an important role across engineering, biological and chemical sciences. To gain deeper understanding of the influence of those flow phenomena involved, measurement techniques with high spatial resolution are often required, presuming a calibration of very low uncertainty. To enable such measurements, a method for the in situ calibration of an interferometric flow velocity profile sensor is presented. This sensor, with demonstrated spatial resolution better than 1 [my]m, allows for spatially-resolving measurements with low velocity uncertainty in flows with high velocity gradients, on condition that the spatial behavior of the interference fringe systems is well-known by calibration with low uncertainty, especially challenging to obtain at applications with geometries difficult to access. The calibration method described herein uses three interfering beams to form the interference fringe systems of the sensor, yielding Doppler burst signals exhibiting two peaks in the frequency domain whose amplitude ratio varies periodically along the measurement volume major z-axis, giving a further independent value of the axial tracer particle position that can be used to determine the calibration functions of the sensor during the flow measurement. A flow measurement in a microchannel experimentally validates that the presented approach allows for simultaneously estimating the calibration functions and the velocity profile, providing flow measurements with very low systematic measurement errors of the particle position of less than 400 nm (confidence interval 95%). In that way, the interferometric flow velocity profile sensor utilizing the in situ self-calibration method promises valuable insights on small scale flow phenomena, such as those given in shear and boundary layer flows, by featuring reliable flow measurements due to minimum systematic and statistical measurement errors.

The measurement of flow properties of liquid metals, such as flow rate, flow structure and gas distribution, is a challenging task due to the opaqueness, the high temperatures (e. g. 1500 &ring;C for liquid steel or liquid silicon) and the corrosiveness of those fluids. In this paper, a short review about the recent developments of measurement techniques in the framework of the Helmholtz Alliance Liquid Metal Technologies (LIMTECH) is presented. It focuses on the development of contactless inductive measurement techniques exploiting the high electrical conductivity of those melts. These measurement techniques include the contactless inductive flow tomography (CIFT), which is able to reconstruct the mean three-dimensional velocity structure in liquid melts, local Lorentz force velocimetry (local LFV), which enables the local assessment of flows close to the wall, and inductive methods for bubble detection, which are based on mutual inductance tomography (MIT). Additionally, a short overview of contactless inductive flow rate measurement techniques is given. Furthermore, an ultrasound technique called ultrasound transit-time technique (UTTT) will be presented which enables the measurement of position and size of bubbles in large vessels.

The enhanced bubble detachment in water electrolysis due to Lorentz-forces is discussed for the case of mainly parallel electric and magnetic fields. Experiments and numerical simulations were carried out to assess the velocity and pressure distribution around single rigid spheres mimicking electrolytic bubbles on a horizontal electrode in the presence of a vertical magnetic field. Astigmatism particle tracking velocimetry delivered the three- dimensional flow field and a finite volume method was used for the computations. Formerly it was assumed that the flow-induced pressure decrease at the bubble's top caused the earlier detachment under magnetic field action. However, the experimental and numerical results obtained here demonstrate that this pressure decrease is too weak as to effectively change the detachment process. Finally, an alternative explanation for the observed bubble behavior is suggested: it might result from the comparatively strong global flow generated by the additive effect of a group of bubbles.

The characterisation of the fluid motion induced by the acoustic streaming effect is of paramount interest for novel microfluidic devices based on surface acoustic waves (SAWs), e.g. for a detailed description of the achievable mixing efficiency and thus the design of such devices. Here, we present for the first time a quantitative 3D comparison between experimental measurements and numerical simulations of the acoustic streaming induced fluid flow inside a microchannel originating from a SAW. On the one hand, we performed fully three-dimensional velocity measurements using the astigmatism particle tracking velocimetry. On the other hand, we derived a novel streaming force approach solving the damped wave equation, which allows fast and easy 3D simulations of the acoustic streaming induced fluid flow. Furthermore, measurements of the SAW amplitude profile inside the fluid filled microchannel were performed. Based on these results, we obtained a very good agreement between the velocity measurements and the simulations of the fluid flow demonstrating the importance of comprising the actual shape of the SAW amplitude profile for quantitatively reliable simulations. It is shown that the novel streaming force approach is a valid approximation for the simulation of the acoustic streaming induced fluid flow, allowing a rapid and simple estimation of the flow field of SAW based microfluidic devices.

Numerical simulations are presented resolving in detail local phenomena near a single hydrogen bubble at the cathode during the electrolysis of water. The modelling is based on recent experiments on hydrogen evolution at a platinum micro-electrode. The simulation results provide local insight into electrolyte convection, species concentration and mass transfer during electrolysis, and the influence of the Lorentz force caused by a vertical magnetic field on the bubble departure is discussed.

The spatially evolving flow of a liquid-metal jet in a duct with a streamwise uniform magnetic field is studied by direct numerical simulation. In contrast to the case of imposed transverse field, only the turbulent fluctuations of the flow are affected in this setup. They tend to form structures elongated along the applied magnetic field. In that case, turbulence becomes strongly anisotropic and, therefore, may completely change its properties. One interesting and important effect is the flow stabilization due to the magnetic field, whereby transition to turbulence can be delayed significantly. This occurs in the presence of moderate magnetic fields.

The Lorentz force velocimetry (LFV) is a highly feasible contactless method for measuring flow rate in a pipe or in a channel. This method has been established for liquid metal flows but also for weakly conducting electrolytes where the Lorentz force amplitudes are typically six orders smaller than the ones from liquid metal flows. Due to an increased resolution of the Lorentz force measurements which was the main focus of research in the last years, now it is possible to investigate the influence of the flow profile on the amplitude of the Lorentz force. Even if there is a semi-theoretical approach an experimental validation is still outstanding. Therefore we have tested symmetric and asymmetric flow profiles to test the LFV for weakly conducting fluids for typical industrial flows. Salt water has been used as a test electrolyte with constant values of the electrical conductivity from 0.035 to 20 S m-1 and of the flow velocity in a range of 0.5-3 m s-1. We confirmed by extensive measurements that LFV is a suitable method for flow measurements even for different flow profiles within 5% measurement uncertainty. For a wide range of applications in research and industry the LFV should be not sensitive to various flow profiles.

Wavy fins are widely used for off-road vehicle coolers, due to their dust resistance. In this study, heat exchanger elements with wavy fins were examined in an experimental study. Due to independence of tooling and degrees of freedom in design, rapid prototyping technique selective laser melting was used to produce heat exchanger elements with high dimensional accuracy. Tests were conducted for air side Reynolds number Re of 1400 - 7400 varying wavy amplitude and wave length at a constant water flow rate of 9.0m^3/h inside the tubes. The effects of wavy amplitude and wave length on the air side thermal performance were studied. Experimental correlation equations for Nu and [Psi] were derived by regression analysis.

Die Anforderungen an die Verwendung hocheffizienter Komponenten in Kälte- und Klimaanlagen nehmen ständig zu, wobei Energieeffizienz, geringer Material- bzw. Platzbedarf angestrebt werden. Eine der wesentlichen Komponenten stellt dabei der Lamellenrohr-Wärmeübertrager dar. Eine Erhöhung der Leistung oder eine Reduzierung des Volumens von Wärmeübertragern haben einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der Gesamtanlage. Die bestehenden Veröffentlichungen in diesem Bereich zeigen jedoch, dass die Effektivität der Wärmeübertragungsoberflächen nur geringfügig oder gar nicht verbessert werden konnten. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich daher auf die Entwicklung neuer Methoden zur effektiven Auslegung von Lamellenrohr-Wärmeübertragern. Dabei sollte die Wärmeübertragung verbessert werden, ohne dass sich die Abmaße des Wärmeübertragers, der Material- und Energieverbrauch vergrößern. Durch eine Recherche über vorhandene interessante Entwicklungsmethoden und die Durchführung von Voruntersuchungen sind Schlussfolgerungen zu ziehen, die als Basis für neue Auslegungsmethoden verwendet werden. Ausgehend davon werden zwei innovative Hauptauslegungen entwickelt. Die neu entwickelten Methoden werden so beschrieben, dass konventionelle Modelle nach systematischen Schritten effektiv ausgelegt werden können. Einerseits ermöglicht die erste Auslegung (Lamellenversetzung) eine verbesserte Turbulenz und eine leichte Erhöhung der Luftgeschwindigkeit zwischen den Lamellen, andererseits sollte die zweite entwickelte Auslegung (Zickzackform) zusätzlich dazu eine größere Kontaktfläche (ellipsenförmig) zwischen den Lamellen und Rohren garantieren. Zur Bewertung der Eigenschaften der entwickelten Modelle werden hauptsächlich die Wärmeübertragungswerte, Druckverluste, Leistungskennzahlen, Materialverbräuche und die Energieeffizienz berücksichtigt. In diesem Zusammenhang werden anhand eines typischen Wärmeübertragers adäquate neue Modelle ausgelegt, die numerisch und zum Teil experimentell untersucht werden. Durch additive Fertigungsverfahren werden dazu zwei Exemplare für ein konventionelles und ein neu entwickeltes Modell modelliert, hergestellt bzw. untersucht.

We present results from numerical reconstructions of magnetic obstacle experiments performed in liquid metal flows. The experimental setup consists of an open rectangular container filled with a thin layer of liquid metal (GaInSn). A permanent magnet is installed on a rail beneath the container and is moved with a constant velocity U0, which in turn induces a flow inside the liquid metal due to Lorentz forces. The setup allows experiments in a parameter range that is accessible by direct numerical simulations (DNS). We present results from realizations with four different parameter sets, covering flows with stable stationary vortex structures in the reference system of the moving magnet as well as time-dependent flow regimes. Although the liquid metal layer is very thin, the flow shows a highly three-dimensional character in the near and in the far wake of the magnetic obstacle. We conclude that the streamline visualization in the experiment (using gas bubbles at the surface of the liquid metal layer) is insufficient to picture the flow structure occurring in the liquid metal. To underpin our conclusions, we introduce a modified numerical model which aims to mimic the movement of these gas bubbles. Although this model is a strong simplification of the highly complicated behavior of bubbles at a fluid-fluid interface, it captures the main effects and provides a good reproduction of the experimental results. Furthermore, transient effects are investigated when the flow is initiated, i.e., when the magnet approaches the container and crosses its front wall.We conclude that the process of vortex formation is accompanied by a decrease of the streamwise component of the Lorentz force compared to the time when the fluid is still quiescent. This decrease occurs only for flows with stable vortex structures, which might be of interest for practical applications like Lorentz force velocimetry. The Lorentz forces obtained from our DNS are in good agreement with the values measured in experiment.

The spatially evolving flow of a liquid-metal jet in a duct with streamwise uniform magnetic field is studied by direct numerical simulation. In contrast to the case of an imposed transverse field, only the turbulent fluctuations of the flow are affected in this setup. They tend to form structures elongated along the applied magnetic field. In that case turbulence becomes strongly anisotropic and, therefore, may completely change its properties. One interesting and important property is the flow stabilization, i.e. transition to turbulence can be largely delayed due to the stabilizing effect of the magnetic field. This occurs in the presence of moderate magnetic fields. In a strong magnetic field the flow becomes unsteady due to travelling waves that propagate along the field.

A new electromagnetic stirring technique that is driven by hydrodynamic forces was presented. This technique offers the following advantages. First, the stirrer can be immersed in the liquid metal, thereby significantly increasing the penetration depth of the electromagnetic forces and significantly improving the stirring efficiency; thus, this technique is particularly suitable for large-scale liquid metal. Second, under certain conditions, this technique can overcome difficulties that are encountered with traditional stirrers, such as accessing regions that are difficult to reach in working spaces with complex or narrow shapes. This stirrer also has a simpler structure than a traditional stirrer; thus, the design can be easily modified, and no external power supply is required. An experimental prototype was also presented for controlling the fluid flow rate, thereby controlling the electromagnetic force and velocity field of the driven liquid metal. The velocity distribution in a liquid GaInSn alloy under fluid-driven electromagnetic stirring was quantitatively measured using ultrasonic Doppler velocimetry (UDV). The primary results show that a remarkable velocity field has been achieved and that fluid-driven electromagnetic stirring is an effective means of stirring liquid metal. Finally, the potential applications of this technique in industry, along with key challenges, were discussed.

Der Verbrennungsmotor wird in den nächsten 2 Jahrzehnten das dominierende Antriebskonzept bleiben. Die Weiterentwicklung der Motorentechnik wird primär durch CO 2 - Ausstoß reduzierende Maßnahmen geprägt. Großes, noch nicht genutztes Potenzial, liegt in der Nutzung der Abgaswärme. Durch die Integrierung eines thermoelektrischen Generators in den Abgasstrang soll ein Teil dieser ungenutzten Energie mit Hilfe der Thermoelektrik verwertet werden. Ein thermoelektrischer Generator ist ein Wärmeübertrager mit integrierten thermoelektrischen Modulen zum Zwecke der Stromerzeugung. Für eine optimale Wärmeleitung vom Wärmeübertrager zum thermoelektrischen Modul können nur stoffschlüssige Verbindungstechniken verwendet werden. Des Weiteren sollen die thermoelektrischen Module druckfrei in die Wärmeübertragerstruktur integriert werden. Zunächst werden auf Keramik und Stahl basierende Substrate für den Aufbau thermoelektrischer Module für den zyklischen Betrieb bis 450 &ring;C entwickelt und getestet. Ein auf Stahl basierendes Substrat mit eingebranntem Dielektrikum als elektrische Isolierung und aufgesinterten Nickelleiterbrücken ist aussichtsreich. Jedoch bilden sich Risse in der dielektrischen Schicht. Das Substrat erfüllt dennoch die Anforderungen an die Planparallelität. Des Weiteren wird an einer thermomechanischen Spannungsentkoppelung durch eine Flüssigmetallschicht geforscht. Diese Flüssigmetallschicht soll im Inneren des thermoelektrischen Moduls eine starre, stoffschlüssige Verbindung ersetzten und eine horizontale Bewegung aufgrund der thermischen Ausdehnung kompensieren. Dazu werden verschiedene Flüssigmetalllegierungen in Kontakt mit metallisierten Keramiken gebracht und das Benetzungsverhalten und die chemische Stabilität analysiert. Eine mit Wolfram und Nickel beschichtete Al2O3- Keramik wird von einer Indium-Silber-Legierung benetzt, ohne die Metallisierung auf der Keramik vollständig zu lösen. Abschließend werden ein starres, stoffschlüssig gefügtes thermoelektrisches Modul und ein Modul mit Flüssigmetallschicht aufgebaut, getestet und verglichen. Beide Module zeigen nach einer thermischen Zyklierung eine Schädigung im Dielektrikum beziehungsweise in den thermoelektrischen Materialien auf. Die metallisierte Keramik auf der Heißseite des Moduls mit Flüssigmetalleinlage zeigt keine Schädigung. Die thermomechanische Spannungsentkoppelung hat partiell funktioniert.

Providing flow analysis in case of aggressive and hot liquids is a complicated task, especially when liquid's composition and, hence, its physical properties, are unknown. Contactless techniques are the most promising methods for liquid metal flow rate control and some of these methods are based on electromagnetic induction of breaking force acting on an electrically conductive fluid which is moving through a magnetic field. One of the techniques is time-of-flight Lorentz force velocimetry (LFV). By using the method one can estimate volumetric flow rate without knowing of electrical conductivity, magnitude of magnetic field or characteristic dimension. The most important and crucial challenge within the technique is detection of small fluctuations of Lorentz force value. In this article we will focus on application and investigation of time-of-flight LFV.

Flow rate and velocity measurement in opaque and aggressive liquids such as metal melts is a challenging task in scopes, where flow should be controlled. Optical measurement techniques as well as submerging probes or control units cannot be applied in this highly severe environment; hence, contactless methods are of interest for practical flow control. One branch of such techniques is flow rate estimation by measurement of electromagnetic parameters. In this paper we present working principle and experimental results of a such contactless electromagnetic technique - time-of-flight Lorentz force velocimetry (LFV), which allows determine the flow rate of liquid metals. The principle is based on measurement of Lorentz force that generated inside liquid metal under its motion through magnetic field, because the force linearly depends on flow rate. The method needs neither additional calibration nor information about fluid properties and magnetic field magnitude.

We report numerical simulations of a submerged round jet of conducting liquid issuing into a square duct in the presence of a uniform axial magnetic field. Starting from a quiescent initial condition, the spatial development of the jet is simulated until the transition or breakup zone is no longer evolving in space or the jet has reached the outlet while eventually be completely suppressed within the computational domain. For even stronger fields the laminar jet becomes unsteady again, which is presumably caused by a MHD pinching mechanism.

In this paper, a novel method to measure the electrical conductivity of solid and molten metals is described. We term the method 'Lorentz force sigmometry', where the term 'sigmometry' refers to the letter sigma σ, often used to denote the electrical conductivity. The Lorentz force sigmometry method is based on the phenomenon of eddy currents generation in a moving conductor exposed to a magnetic field. Based on Ampere's law, the eddy currents in turn generate a secondary magnetic field; as a result, the Lorentz force acts to brake the conductor. Owing to Newton's third law, a measurable force, which is equal to the Lorentz force and is directly proportional to the electrical conductivity of the conductive fluid or solid, acts on the magnet. We present the results of the measurements performed on solids along with the initial measurements on fluids with a eutectic alloy composition of Ga67In20.5Sn12.5; detailed measurements on molten metals are still in progress and will be published in the future. We conducted a series of experiments and measured the properties of known electrical conductive metals, including aluminum and copper, to compute the calibration factor of the device, and then used the same calibration factor to estimate the unknown electrical conductivity of a brass bar. The predicted electrical conductivity of the brass bar was compared with the conductivity measured with a commercial device called 'SigmaTest'; the observed error was less than 0.5%.

In diesem Beitrag werden die Wirkungen wesentlicher Parameter (z.B. Kontakt zwischen Rohren und Lamellen, Luftgeschwindigkeit...) auf die Wärmeübertragung dargestellt. Aufbauend darauf werden zwei neue effektive Auslegungen vogestllt. In der ersten Auslegungsalternative werden die Rohre in eine Zickzackform umgestellt, wobei der Lamellenblock ebenfalls ein Zickzack bildet. In der zweiten Auslegungsalternative werden die Lamellen versetzt. Durch die Bestimmung der Anzahl Rohrreihen, Lamellenhöhen und Lamellenabstände erfolgt in den neuen Auslegungen keine Erhöhung des Materialverbrauchs oder der Dimensionen der entwickelten Wärmeübertrager. Die Simulationsrechngen zeigen eine Erhöhung der Wärmeübertragung um bis zum 57% oder eine Reduzierung des Materialeinsatzes bzw. des Volumens um ca. 36 % bzw. 57 %. Dabei sind Druckverluste relative sehr geringfügig.

An apparatus known as a permanent magnet (PM) pump is developed to drive circular motion of a liquid metal in a channel or in a loop using a rotor with permanent magnets to induce an electromagnetic field. Simulations are performed, in which the full equation set for the magnetohydrodynamic flow is decoupled into the magnetic field and hydrodynamic components. Two types of pumps, a two-rotor pump and a cylindrical pump, are used as examples. The pumps provide insight into visualizing physical fields such as the magnetic field, the eddy current, the electromagnetic force, the local velocity, and the pressure distribution. The operating rotational speed of the two-rotor PM pump type and the effect of using an outer yoke for the cylindrical PM pump type are quantitatively investigated. The driving efficiency is also evaluated in terms of several key parameters. The numerical results can be used to design high performance, optimized PM pumps.

A magnetic field imposed on a flow of an electrically conducting fluid can profoundly change flow behavior. We consider this effect for the situation of laminar-turbulent transition in magnetohydrodynamic duct, pipe, and channel flows with homogeneous magnetic field and electrically insulating walls. Experimental and recent computational results obtained for flows in pipes, ducts and channels are reviewed.

Laminar-turbulent transition in spatially evolving magnetohydrodynamic pipe and duct flows is investigated numerically. The results are in good agreement with the classical 1937 experiments of J. Hartmann and F. Lazarus. It is found that the recently discovered flow regimes with turbulent spots near sidewalls are realized in spatially developing flows and must be detectable in experiments.

We propose a simple extension of Prandtls classical mixing-lengthmodel for channel flow in order to describe the effects of a uniform spanwise magnetic field. The mixing length is assumed to be constrained by an additional length scale called the Joule damping length. It is based on the friction velocity and the Joule damping time. The limitation of mixing length is implemented by using the harmonic mean of the wall distance and the Joule damping length. Near the wall, the model captures the combined linear-logarithmic dependence of velocity on the wall distance observed in direct numerical simulations. It also provides a satisfactory prediction for the overall velocity distribution for different Reynolds and Hartmann numbers. The velocity profile of turbulent side layers in magnetohydrodynamic duct flows in a strong field can also be computed with the help of the model provided that the Hartmann layers are already laminar.

This paper presents an improved experimental setup for the contactless flow rate measurement in a weakly electrically conducting fluid on the base of Lorentz force velocimetry (LFV) and discusses the measurement results. The new setup embodies major improvements over the setup reported inWegfraß et al. (Appl Phys Lett 100:194103, 2012). This measurement setup consists of a newly designed fluid channel with well defined flow profiles - a plug profile at the inlet and quasi parabolic profile at the outlet of the test section. Another improvement is the force measurement system which is based on electromagnetic force compensation (EMC). Furthermore an optimized Halbach array is used as a magnet system. The results of our measurements confirm the feasibility of LFV in a model fluid (salt water) with conductivities less than 10 Sm-1 and demonstrate that the optimized magnet system increases the measurement signal. The used force measurement system had to be particularly calibrated for this purpose, so that in combination with the new magnet system design a three times higher signal resolution for the fluid velocity under laboratory conditions was achieved.

Silizium-MOSFETs gehören zu den Grundelementen in integrierten Logikschaltungen. Ein gebräuchlicher Weg zur Steigerung der Energieeffizienz ist die Verringerung der Signalpegel, was zu dem sogenannten Subthreshold-Betrieb führt. Ein Vorteil dieser Maßnahme ist, dass sie auf die gebräuchlichen Strukturen angewendet werden kann. Allerdings führt die Verringerung des Signalpegels zur Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Für jeden Transistor lassen sich ein Ein- und ein Aus-Zustand als zwei beliebige Punkte auf der Übertragungskennlinie definieren. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Rauscharten hinsichtlich der Auswirkung auf diese Zustände mathematisch untersucht. Das thermische Rauschen ist, wurde als gaußverteiltes Ausgangssignal (Drain-Strom) modelliert. Es beeinflusst das Zustandsverhalten im gesamten Bereich der Gatespannung. Das Random-Telegraph-Rauschen (RTN) wird durch Traps an der Grenzfläche zwischen Gateoxid und Kanal verursacht, welche entsprechend der Ladungsträgerstatistik entweder geladen oder neutral sein können. Es bewirkt ein zufälliges Hin- und Herschalten des Drainstromes zwischen zwei festen Pegeln bei konstanter Gatespannung. Dieser Rauscheinfluss wirkt entweder auf den Ein- oder auf den Aus-Zustand, je nach Polarisierung des Traps. Es wird eine Methode demonstriert, anhand derer sich Aussagen treffen lassen, in welchem Bereich die Gatespannung bei bekannten Transistoreigenschaften und RTN-Pegel liegen darf.

Die Arbeit beschäftigt sich mit experimentellen Untersuchungen zur Kalibrierung von Lorentzkraft-Anemometern in Flüssigmetallströmungen. Ein Lorentzkraft-Anemometer ist ein elektromagnetisches Durchflussmessgerät, das an der TU Ilmenau entwickelt wird. Mit diesem Gerät ist es möglich, berührungsfrei Durchflüsse in heißen und aggressiven Medien, wie Flüssigmetallschmelzen zu messen. Ein Lorentzkraft-Anemometer besteht aus einem Magnetsystem, das mit einem Kraftsensor gekoppelt ist. Die durch die Wechselwirkung des Magnetfeldes mit der strömenden Metallschmelze entstehende Kraft ist proportional zum Durchfluss. Daneben beeinflussen aber noch zahlreiche andere Faktoren, wie die magnetische Flussdichte des Magnetsystems oder die elektrische Leitfähigkeit der Schmelze, das Messergebnis. Deshalb ist eine Kalibrierung des Systems notwendig. Erste Testmessungen in der Industrie zeigten, dass die trockene Kalibrierung, bei der die Schmelze in einer Gießrinne durch Festkörper mit festgelegter Breite und verschiedenen Höhen modelliert wird, um eine nasse Kalibrierung ergänzt werden muss. Eine Hypothese ist, dass die Ergebnisse der trockenen Kalibrierung in die Ergebnisse der nassen Kalibrierung überführt werden können, wenn ein einziges Lorentzkraft-Anemometer der gleichen Charge mit trockener und nasser Kalibrierung untersucht wird. Für die Kalibrierung des Gerätes wurden zwei Versuchsanlagen geplant, aufgebaut und instrumentiert. Mit Hilfe der sogenannten trockenen Kalibrierung können grundlegende Einflussfaktoren auf die gemessene Kraft des Lorentzkraft-Anemometers untersucht werden. Der Versuchsaufbau der trockenen Kalibrierung wurde weiterentwickelt und verbessert. Für die nächste Generation von Lorentzkraft-Anemometern wurde die Anlage neu konstruiert und aufgebaut. Der Durchfluss wird bei dieser Methode durch Variation der Geschwindigkeit der Probekörper und durch verschiedene Höhen der Probekörper verändert. Damit ergibt sich eine Abhängigkeit der Lorentzkraft von der Strömungsgeschwindigkeit und von der Höhe des durchströmten Volumens. Es stellt sich eine lineare Abhängigkeit der Kraft von der Strömungsgeschwindigkeit ein. Es werden Kraftwerte bis 4,5N gemessen. Die Höhe des durchströmten Volumens zeigt eine nichtlineare, kubische Abhängigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit ist direkt proportional zur erzeugten Kraft. Für die sogenannte nasse Kalibrierung wurde die Versuchsanlage LiTinCa geplant, aufgebaut und instrumentiert. Diese Anlage arbeitet mit Reinzinn bei Temperaturen zwischen 240&ring;C und 380&ring;C. In dieser Anlage können Strömungsgeschwindigkeit und die Höhe des durchströmten Volumens aufgrund der vorherrschenden Gerinneströmung nicht getrennt betrachtet werden. Es wird deshalb der Massenstrom für die Betrachtungen herangezogen. Erste Ergebnisse zeigen eine lineare Abhängigkeit zwischen Kraft und Massenstrom. Es werden Kraftwerte bis 2,5N verzeichnet. Die Ergebnisse der trockenen Kalibrierung und der nassen Kalibrierung werden verglichen und daraus Schlussfolgerungen und Verbesserungsvorschläge erarbeitet. Es können bereits tendenzielle Übereinstimmungen festgestellt werden, die die Hypothese einer Überführbarkeit der Ergebnisse unterstützen. Um aber eine endgültige Aussage über die Überführbarkeit der trockenen in nasse Kalibrierung treffen zu können, sollten weitere Untersuchungen unter Berücksichtigung der Verbesserungsvorschläge angestellt werden. Weiterhin wurde die Grundlagenforschschungsanlage Tintelo geplant und aufgebaut. Hier wird Zinn bei 400&ring;C in einem geschlossenen Ringkanal verwendet. An der horizontalen Testsektion der Anlage können, im Gegensatz zu LiTinCa, Untersuchungen an Lorentzkraft-Anemometer mit kontinuierlicher Flüssigmetallströmung durchgeführt werden. Dadurch werden Kalibrierungen mit längeren Messzeiten möglich. Aus Zeitgründen konnten hier noch keine Messungen erfolgen.

The effects of an axial uniform magnetic field on vortex breakdown in the swirling flow, which is steady, axisymmetric and generated by the rotation of upper lid of an enclosed cylinder, are investigated. A collocation spectral solver is developed. After validating by dynamic and magnetohydrodynamic (MHD) problems, it is applied for the solution of the swirling flow in an enclosed cylinder with aspect ratio (height/radius) of 1:5 6 c 6 2. In the presence of an axial uniform magnetic field, the effects of magnetic field on the dimensionless lengths of vortex along the z-axis and the central positions of vortex on the zaxis are analyzed. The conductivities of the upper lid, lower base and side wall are considered. The results show that, for different electrical boundary conditions, the behaviors of vortex are significantly different and even converse. In particular, when the upper rotating lid is the only perfectly conducting, the magnetic effects are the strongest.

Transient solutal Marangoni convection in a closed two-layer system is studied by a combination of numerical simulations and supplementary validation experiments. The initially quiescent, equally sized liquid layers are the phases of a cyclohexanol/water mixture. Butanol is additionally dissolved in the upper organic layer. Its diffusion across the interface is sensitive to the Marangoni instability. Complex convective patterns emerge that develop a hierarchical cellular structure in the course of the mass transfer. Our highly resolved simulations based on a pseudospectral method are the first to successfully reproduce the multiscale flow observed in the experiments. We solve the three-dimensional Navier-Stokes-Boussinesq equations with an undeformable interface, which is modeled using the linear Henry relation for the partition of the weakly surface-active butanol. Length scales in the concentration and velocity fields associated with the small and large-scale cells agree well with our experimental data from shadowgraph images. Moreover, the simulations provide detailed information on the local properties of the flow by which the evolution of the patterns and their vertical structure are analyzed. Apart from relatively weak influences due to buoyancy, the evolution of the convective structures is self-similar between different initial butanol concentrations when length and time are appropriately rescaled.

Pumped heat electricity storage (PHES) has been recently suggested as a potential solution to the large-scale energy storage problem. PHES requires neither underground caverns as compressed air energy storage (CAES) nor kilometer-sized water reservoirs like pumped hydrostorage and can therefore be constructed anywhere in the world. However, since no large PHES system exists yet, and theoretical predictions are scarce, the efficiency of such systems is unknown. Here we formulate a simple thermodynamic model that predicts the efficiency of PHES as a function of the temperature of the thermal energy storage at maximum output power. The resulting equation is free of adjustable parameters and nearly as simple as the well-known Carnot formula. Our theory predicts that for storage temperatures above 400 C PHES has a higher efficiency than existing CAES and that PHES can even compete with the efficiencies predicted for advanced-adiabatic CAES.

The pulse tube engine is a simple prime mover based on the pulse tube process. It has high potential to be applicable in waste heat usage. In the present work a simulation model is used to design a pressurized experimental pulse tube engine employing helium as working fluid. The measured engine characteristics are compared with the calculated predictions. Using the model and the experimental test rig, the engine performance is studied for different heat input temperatures, filling pressures, and operating frequencies. The energy conversion process, based on a broken thermodynamic symmetry and a thermal lag occurring in the pulse tube, is proven theoretically. Fundamental characteristics and application limitations of the pulse tube engine are disclosed experimentally. The obtained engine behavior provides suggestions for its further development.

In this paper, we propose an experimental methodology for the measurement of Lorentz forces acting on a small permanent magnet when exposed to the flow of an electrically conducting fluid. The present measurements are considerably more challenging than previous global flow measurements since they require accurate force measurements in the range of micro-newtons. To this end, we experimentally and numerically evaluate the total Lorentz force acting on a 1 cm^3 cubic permanent magnet that is exposed to a liquid metal flow in a straight rectangular duct with non-magnetic and electrically insulating walls. Parametric analyses are performed at different flow velocities and different relative magnet positions. High resolution force measurements are performed in a liquid metal channel filled with the eutectic alloy GaInSn. In spite of the simplified nature of the numerical approach the numerical results agree with the experiments. Hence the present results demonstrate the applicability of small magnet systems to LFV.

In this paper, we report an analytical study of the forces and torques acting upon a magnetic dipole interacting with a moving electrically conducting sphere. The work is motivated by the question whether Lorentz force velocimetry [Thess et al., Phys. Rev. Lett., vol. 96, 2006, 164501] - a noncontact flow measurement technique for liquid metals and electrolytes - can be applied to granular materials as well. We derive explicit expressions for all forces and torques for the case of low magnetic Reynolds number and small particle size. After a discussion of symmetry and reciprocity relations among the forces and torques, we apply the general theory to the particular cases of a translating (nonrotating) and rotating (nontranslating) sphere. The analysis for the purely translating sphere leads to the conclusion that the force is proportional to where is the radius of the sphere and is its minimum distance to the magnetic dipole. This result indicates that Lorentz force velocimetry can indeed be applied to granular metallic materials. The analysis for the purely rotating sphere leads to the result that the torque is proportional to. This result can be applied to derive a rigorous solution for a rotary Lorentz force flowmeter interacting with a rotating sphere. This solution implies that, contrary to intuitive expectation, a frictionless rotary Lorentz force flowmeter rotates with only 4/5 of the angular velocity of the sphere with which it interacts rather than undergoing synchronous rotation.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erweiterung der Lorentzkraft-Anemometrie (LKA oder LFV) um die Geschwindigkeitsmessung mit kleinen Permanentmagneten, die sich durch stark inhomogene Magnetfelder auszeichnen. Trotz ihres unendlich ausgedehnten Feldes liefern die kleinen Magnete Informationen über das Strömungsfeld in ihrer unmittelbaren Umgebung (Einflussbereich). Die Untersuchung stützt sich hierbei auf die numerische Modellierung der magnetohydrodynamischen Interaktion des Magnetwürfels mit einer Metallströmung, welche durch einen Kanal mit quadratischem Querschnitt fließt. Die bei der Wechselwirkung entstehende Lorentzkraft wird durch eine Kombination der Simulationsprogramme COMSOL und FLUENT ermittelt. Der den Programmen zugrunde liegende Code wird in dieser Arbeit verifiziert und durch Laborexperimente bestätigt. Anschließend wird mit einem RANS (Reynolds-Averaged Navier Stokes)-Turbulenzmodell der Einfluss verschiedener Geometrien sowie verschiedener elektromagnetischer Kontrollparameter auf die Lorentzkraft geprüft. Die Untersuchungen beziehen sich hierbei auf drei spezielle Strömungsregimes. Das erste ist das kinematische Regime, in dem die Rückwirkung der Lorentzkraft auf die Strömung vernachlässigbar ist. In diesem Regime wurde eine universelle Abhängigkeit der Kraft vom Magnetabstand gefunden. Die beiden anderen Regimes sind dynamische Regimes bei sehr niedrigen sowie hohen Reynolds-Zahlen. In diesen verändert der Magnet das Strömungsfeld. Die dynamischen Untersuchungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den durchgeführten Experimenten. Der letzte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit LES (Large Eddy Simulations): (i) Es werden die Fehler in den verschiedenen LES-Modellen analysiert und mit denen der unteraufgelösten DNS (direkten numerischen Simulation) verglichen. Die numerische Dissipation zeigt ein ähnliches Verhalten wie die subskaligen Spannungen, was den Einsatz spezifischer LES-Modelle überfluessig macht. (ii) Die Korrelation zwischen den Fluktuationen der Lorentzkraft und der Strömungsgeschwindigkeit legt eine starke Kausalität zwischen den beiden Größen nahe. Dies könnte für zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet der lokalen Geschwindigkeitsmessung mittels Lorentzkraft-Anemometrie relevant sein.

In Zeiten nachhaltiger Energieeinsparung sowie stetig steigender Rohstoffpreise ist die Durchflussmesstechnik aus dem alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sei es bei der Ermittlung des Wasserverbrauchs im Haushalt oder bei der Treibstoffabfüllung an der Tankstelle, jeder Einzelne ist darauf bedacht, dass der ihm in Rechnung gestellte auch dem tatsächlich angefallenen Verbrauch entspricht. Trotz der Vielzahl unterschiedlicher existierender Mengen- und Volumenzähler bestehen indes immer noch Anwendungsfälle, bei denen der Durchfluss nur sehr ungenau oder gar nicht erfasst werden kann. Problematisch ist die Erfassung vor allem, wenn das Messgut undurchsichtig, extrem heiß und chemisch aggressiv ist. Einen Lösungsweg zur Überwindung des aufgeführten Problems stellt die Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) dar. Das im Jahre 2005 an der Technischen Universität Ilmenau patentierte, berührungslos arbeitende Durchflussmessverfahren basiert auf den elektromagnetischen Wechselwirkungen, welche beim Durchfließen eines elektrisch leitfähigen Mediums durch ein Magnetfeld entstehen. Besonders gut funktioniert das Verfahren in der Metallurgie aufgrund der dort herrschenden hohen elektrischen Leitfähigkeiten. Aktuell werden erste serienreife Prototypen auf ihre Tauglichkeit getestet. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Frage, ob sich die LKA für schwach leitfähige Fluide erweitern lässt. Im Gegensatz zu Anwendungsfällen in der Metallurgie müssen dafür Lorentzkräfte in der Größenordnung F < 1E-5 N aufgelöst werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei LKA-Prototypen aufgebaut, die für die Messung einer Salzwasserströmung angepasst wurden. So konnte die Eignung der LKA für die Durchflussmessung von schwach leitfähigen Fluiden erstmalig experimentell nachgewiesen werden. Die von Thess et al. vorhergesagte lineare Abhängigkeit zwischen der Lorentzkraft und der Fließgeschwindigkeit sowie der elektrischen Leitfähigkeit des schwach leitfähigen Fluids wird bestätigt. Außerdem zeigt die Arbeit, wie sich verschiedene Magnet- und Geschwindigkeitsfelderauf die gemessene Lorentzkraft auswirken.

Die Durchflussmessung von heißen und aggressiven Metallschmelzen ist eine große Herausforderung bei metallurgischen Prozessen, Beispiele hierfür sind das Stranggießen von Stahl und Produktion von Sekundär-Aluminium. Aufgrund der Aggressivität von Metallschmelzen kommen vorrangig berührungslose Messmethoden in Betracht. Die Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) ist ein vielversprechendes Messverfahren, um diesen Herausforderungen gerecht zu werden. Das Verfahren beruht auf den physikalischen Prinzipien der Magnetofluiddynamik (MFD). Die für diese Arbeit genutzte und auf den MFD Prinzipien basierende Strömungsmesser, sogenannte Lorentzkraft-Anemometer bestehen aus einem Magnetsystem und einem Kraftsensor. Der Sensor misst die durch die Bewegung der elektrisch leitfähigen Metallschmelze durch das Magnetfeld induzierte elektromagnetische Lorentzkraft. Diese ist proportional zum Durchfluss oder der lokalen Geschwindigkeit in der Nähe des Magnetsystems. Ein Nachteil der Messanordnung besteht darin, dass die Lorentzkraft abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Fluides und der Stärke des von außen angelegten Magnetfeldes ist. Eine Methode, dieses Defizit zu umgehen, ist die sogenannte Time-of-Flight Technik. Hierbei sind zwei Anemometer hintereinander mit einem bestimmten Abstand angeordnet. Diese detektieren den Durchgang einer Struktur oder einer Störung in der Strömung und misst die Zeit, die die Wirbel zum Durchlaufen des Abstandes benötigen. Aus dieser Laufzeit kann auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden. Die Laufzeit wird durch die Bildung der Kreuzkorrelation der Kraftsignale der beiden Anemometer bestimmt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, experimentell nachzuweisen, dass die ToF-LKA ein vielversprechender Ansatz zur berührungsfreien der Strömungsmessung in Metallschmelzen ist. Diese Arbeit stellt eine Reihe von experimentellen Untersuchungen vor. Zu Beginn wird die Durchflussmessung in einer turbulenten Flüssigmetall-Kanalströmung durchgeführt. Im Weiteren werden die Untersuchungen auf Flüssigmetallströmung an der Oberfläche ausgeweitet. Hier ist die lokale Geschwindigkeitsmessung an der Oberfläche von Interesse. In diesem Experiment wird das niedrigschmelzende Flüssigmetall GaInSn verwendet. Basierend auf diesen Messungen wird ein spezielles Messgerät entwickelt, um lokale Oberflächengeschwindigkeiten in heißen Metallschmelzen zu erfassen. Mit diesem Sensor werden, Testmessungen unter industrienahen Bedingungen mit der Metallschmelze Sn32%Pb52%Bi bei ca. 210&ring;C und mit geschmolzenem Stahl bei ca. 1700&ring;C durchgeführt. Zu jedem Experiment wird das Ergebnis numerischer Simulationen präsentiert, um ein besseres Verständnis der Magnetofluiddynamik herzustellen.

We study characteristic convection patterns emerging during the mass transfer of acetic acid from a glycerol-water layer to a superposed acetone layer by means of experiments and numerical simulations. The patterns form as a result of the stationary Marangoni instability. The initial phase of the pattern evolution is studied using high-resolution simulations. They show hierarchically ordered cellular structures which closely resemble experimental observations. In the later stages presently accessible to the experiments, the cells are locally replaced by relaxation oscillation waves. The emergence of these structures is favored when the experiment is performed in narrow cuvettes.

In the framework of linear stability theory, we analyze how a liquid-gas mixing layer is affected by several parameters: viscosity ratio, density ratio, and several length scales. These scales reflect the presence of a velocity defect induced by the wake behind the splitter plate and the presence of boundary layers which develop ahead of the plate trailing edge. Incorporating such effects, we compute the various temporal and spatial instability modes and identify their driving instability mechanism based on their Reynolds number dependence, spatial structure, and energy budget. It is examined how the velocity defect modifies the temporal and the spatial stability properties. In addition, the transition from convective to absolute instability occurs at lower velocity contrast between gas and liquid free streams when a defect is present. This transition is also promoted by surface tension. Compared to inviscid stability computations, our spatial stability analysis displays a better agreement with measured growth rates obtained in two recent air-water experiments.

In the present work experimental and numerical investigations of the large-scale structures of isothermal air flow in a highly simplified model room are reported and discussed. We compare the measured velocity distribution with direct numerical simulations (DNSs) for the reference Reynolds number Reref 2.4 104, which is based on the maximum inlet velocity and the height of the room. This comparison shows a high similarity concerning the flow structures. Furthermore, we investigate the dependence of the spatial and temporal behavior of flow structures on the Reynolds number from measurements covering a Reynolds number range of 1.0 104 Re 7.0 104. The major finding is that there is a coherent oscillation of the large-scale flow structures, which depends on the Reynolds number. Our findings show that the frequencies of the oscillations are in a good agreement with an empirical model, which describes the auto-oscillation of two colliding planar jets with respect to the Reynolds number and the geometry relations of the inlets. Moreover, the present work indicates that the chosen flow geometry is well suited as a simplified model for problems of room ventilation and can serve as a base for forthcoming studies of non-isothermal cases.

The pulse tube engine is an innovative simple heat engine based on the pulse tube process used in cryogenic cooling applications. The working principle involves the conversion of applied heat energy into mechanical power, thereby enabling it to be used for electrical power generation. Furthermore, this device offers an opportunity for its wide use in energy harvesting and waste heat recovery. A numerical model has been developed to study the thermodynamic cycle and thereby help to design an experimental engine. Using the object-oriented modeling language Modelica, the engine was divided into components on which the conservation equations for mass, momentum and energy were applied. These components were linked via exchanged mass and enthalpy. The resulting differential equations for the thermodynamic properties were integrated numerically. The model was validated using the measured performance of a pulse tube engine. The transient behavior of the pulse tube engine's underlying thermodynamic properties could be evaluated and studied under different operating conditions. The model was used to explore the pulse tube engine process and investigate the influence of design parameters.

Electromagnetic driving of the fluids as the driving mechanism in electromagnetic pumps is of great interest in industry. On the other hand the fluid flow in annulus has its own place in investigating the channel flow structure in the sense that we can use it as a model for a very long channel. It means that we can have the same flow structure in a confined area without wasting too much energy and effort to build up a long channel. Although the combination of electromagnetic force with toroidal geometry sounds efficient and practical, but lots of questions will arise when we do combine them. These questions are mainly about the formation of Hartmann layer and its role on transition to turbulence. During the last decades several numerical and experimental investigations were aimed to determine the instability criteria of this problem. In the previous experiments the potential drop across the annular channel has been used as a measure to show the transition to turbulence. Since these voltage drops can't give us any information about the structure of the flow, we decided to spot the possibility of using UDV to detect this structure. A rectangular channel with 10mm x 67mm cross section and an inner radious of 40mm is used in this investigation. The channel is filled up with eutectic alloy GaInSn. Two insulating Hartmann walls and two conducting side walls which are 10mm apart (in the radial direction) are the special boundary conditions in our case. Side walls are parallel to the magneitc field. Our facilities let us test 500mT as maximum magnetic field and 2000A as the maximum driving current. An ultrasounic 8 MHz sensor with the aid of DOP2000 is used for this investigation.Here we will reperesnts the results of our experiments and compare them with the theoretical predictions of the reference literatures. This will help understanding the role of Hartman layer on transition to turbulence.

We consider liquid metal flow in a square duct with electrically insulating walls under the influence of a magnetic point dipole using three-dimensional direct numerical simulations with a finite-difference method. The dipole acts as a magnetic obstacle. The Lorentz force on the magnet is sensitive to the velocity distribution that is influenced by the magnetic field. The flow transformation by an inhomogeneous local magnetic field is essential for obtaining velocity information from the measured forces. In this paper we present a numerical simulation of a spatially developing flow in a duct with laminar inflow and periodic boundary conditions.

The motion of a conductor in a magnetic field induces eddy currents whose interaction with the field produces Lorentz forces opposing the motion. One can determine the velocity of the conductor from the force on the magnet system since the latter is equal but opposite to the Lorentz force on the conductor. This contactless method is known as Lorentz force velocimetry (LFV). We study an idealized configuration of LFV, i.e. a rotating solid cylinder interacting with a point dipole. The understanding of parameter influences in this setup can be helpful for more realistic configurations. We use a purely kinematic approach appropriate for low magnetic Reynolds numbers. Numerical results for small and large distances between dipole and cylinder have been obtained with the commercial software COMSOL Multiphysics.

The pulse tube engine is a simple prime mover based on the pulse tube process. It has high potential to be applicable in waste heat usage. In the present work a simulation model is used to design a pressurized experimental pulse tube engine employing helium as working fluid. The measurd engine characteristics are comparred with the calculated predictions. Using the model and the experimental test rig, the engine performance is studied for different heat input temperatures, filling pressures and operating frequencies. The energy conversion process based on a broken thermodynamic symmertry and a thermal lag occurring in the pulse tube is proven theoretically. Fundamental characteristics and application limiations of the pulse tube engine are disclosed experimentally. The obtained engine behavior provides suggestions for its further development.

We present a RANS numerical model for calibrating LFF. Two common metallurgy industry flow types: duct flow and open-channel flow have been studied with this model. For duct flow, the computing calibration constant demonstrates coincide with accuracy of 3.4% with an experimental model. For open-channel flow, a multiphase model is built to take free surface into account. The free surface deformation, magnetic field optimization and characteristics of the realistic flow in an open channel can be simulated by this numerical model.

Lorentz force velocimetry (LFV) is a noncontact electromagnetic flow measurement technique that is currently successfully applied for velocity measurements in liquid metals both in laboratory experiments and industry. However, up to now the application of LFV was restricted to conducting fluids with electrical conductivities of the order of 106 S/m such as are encountered in liquid metals. Here we demonstrate that LFV can be successfully extended to poorly conducting fluids (electrolytes) by using high-resolution force measurements.

We report an investigation of the motion of a freefalling permanent magnet in an electrically conducting pipe containing an idealized defect. This problem represents a highly simplified yet enlightening version of a method called Lorentz force eddy current testing which is a modification of the traditional eddy current testing technique. Our investigation is a combination of analytical theory, numerical simulation and experimental validation. The analytical theory allows a rigorous prediction about the relation between the size of the defect and the change in falling time which represents the central result of the present work. The numerical simulation allows to overcome limitations inherent in the analytical theory. We test our predictions by performing a series of experiments. We conclude that our theory properly captures the essence of Lorentz force eddy current testing although a refinement of the experiment is necessary to reduce the discrepancy to the predictions. In spite of its apparent simplicity the present system can serve as a prototype and benchmark for future research on Lorentz force eddy current testing.

In der Metallurgiebranche fehlen derzeit geeignete Verfahren zur präzisen Erfassung, Regelung und Dosierung der zwischen den einzelnen Produktionsstufen übertragenen Mengen an Metallschmelze. Durch den Einsatz des patentierten Verfahrens der Lorentzkraft-Anemometrie, bei dem der direkte Kontakt zur heißen Metallschmelze nicht erforderlich ist, lässt sich diese Aufgabe lösen und somit ein nachhaltiger Beitrag zu zukünftig energie- und kostenoptimierter Produktion leisten. Im vorliegenden Artikel werden das Prinzip des Verfahrens erläutert und die wissenschaftlich-technischen Wege zur Entwicklung, Prüfung und Kalibierung von entsprechenden Lorentzkraft-Anemometern vorgestellt. Desweiteren werden Beispiele aktueller Anwendungen der Lorentzkraft-Anemometer in der Praxis diskutiert.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Wachstum wellenförmiger Störungen an der Fluidgrenze in Zwei-Phasen-Mischungsschichten. Dieses Phänomen tritt z.B. beim primären Zerstäubungsprozess von Flüssigkeiten durch ein angrenzendes oder die Flüssigkeit umschließendes Gas auf. Im Rahmen der linearen Stabilitätstheorie wird sowohl der Einfluss der verschiedenen Stoffgrößen als auch jener der Beschaffenheit der Grundströmung betrachtet. Die gegebene Grundströmung, auf der sich die Störungen ausbreiten, ist dabei durch ein ebenes Geschwindigkeitsfeld mit parallelen Stromlinien gegeben. Ferner wird die charakteristische Struktur des Geschwindigkeitsfeldes am Düsenausgang berücksichtigt: Zunächst werden im Inneren der Düse Flüssigkeit und Gas getrennt voneinander auf unterschiedliche Geschwindigkeiten beschleunigt. Infolge der trennenden Wand im Inneren der Düse kommt es zur Bildung von Geschwindigkeitsgrenzschichten in beiden Medien an der festen Wand. Nach anschließendem Kontakt beider Ströme bildet sich somit ein Geschwindigkeitsfeld mit Nachlaufströmung in der Umgebung der Grenzfläche heraus. Für anwachsende wellenförmige Störungen in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche zwischen beiden Fluiden werden die Wellenlängen und Wachstumsraten untersucht, wobei sowohl die zeitliche als auch die räumliche Ausbreitung der Störungen von Interesse ist. Die Abhängigkeit der Größen von den Stoffparametern, Fluidgeschwindigkeiten, sowie dem Geschwindigkeitsdefekt relativ zu den mittleren Geschwindigkeiten der flüssigen und gasförmigen Phase werden dokumentiert. Dabei wird die Oberflächenspannung berücksichtigt, jedoch Einflüsse des Schwerefeldes vernachlässigt.

Die vorliegende Arbeit dient der Minimierung des Energieverbrauchs von Wohngebäuden, ohne die thermische Behaglichkeit negativ zu beeinflußen und trägt damit zur Verringerung von CO2-Emissionen bei. Es wurden thermische, energetische und wirtschaftliche Gesichtspunkte betrachtet. Der Einsatz von Passivsolarsystemen und Energieeinsparungssysteme wurde für typische Wohnhäuser mit einer Wohnfläche vom 154 m2 in Europa und dem Nahen Osten in drei verschiedenen Klimazonen untersucht.Um die Performance der Energiesysteme zu analysieren, wurden Simulationsrechnungen mit den kommerziellen Programmpaketen TRNSYS und INSEL durchgeführt. Darüberhinaus wurde eine Verdampfungs- und Speichereinheit, die ein Phasenwechselesmaterial enthält simuliert. Zu diesem Zweck wurde ein Software Module in Visual Basic entwickelt und eingesetzt. Dieses Software Module heißt IESU software. Eine Gleichung zur Beschreibung der Lebenszykluskosten (LCC) wurde in Abhängigkeit thermischer Parameter und ökonomischer Faktoren der lokalen Märkte aufgestellt und eine Optimierungsrechnung durchgeführt.Das optimale Design von Wohnhäusern und Energiesystemen hat großen Einuss auf den Energieverbrauch. Die Ergebnisse zeigen, dass der Energieverbrauch um 85,62% in Berlin, um 86,33% in Amman und um 74,05% in Aqaba gesenkt werden kann. Darüberhinaus konnte das LCC Criterion in Berlin um 41,85%, in Amman um 19,21% und in Aqaba um 15,22% gesenkt werden.Die makkroökonomische Analyse zeigt, dass eine Anwendung der präsentierten Methoden bei Million typischen Wohngebäuden die jährlich CO2- Einsparungen in Höhe von 5,7 Mio.t in Berlin, 2,98 Mio.t in Amman und 2,96 Mio.t in Aqaba zur Folge hätte. Die Amortisierungszeit beträgt 18 Jahre in Berlin, 11 Jahre in Amman und 8,6 Jahre in Aqaba.

Die vorliegende Zusammenfassung wissenschaftlicher Veröffentlichungen stellt mehrere theoretische und numerische Untersuchungen von Instabilitäten und komplexer nichtlinearer Dynamik in Strömungen vor. Die Zusammenfassung schildert vorwiegend die Motivation für die verschiedenen Arbeiten sowie die grundlegende Physik der betrachteten Strömungen. Hauptergebnisse werden auch angegeben. Einzelheiten zu den mathematischen Modellen und numerischen Methoden finden sich in den Veröffentlichungen. Der Eigenanteil des Autors an den verschiedenen Veröffentlichungen ist in einem separaten Anhang ausgewiesen. Bei den betrachteten Strömungen handelt es sich um thermische Konvektion in Ein- und Zwei-Schicht-Systemen nichtmischbarer Fluide, Zweiphasen-Scherschichten und Kanalströmungen elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten in einem äußeren Magnetfeld. Diese Konfigurationen sind durch eine Reihe von Anwendungen motiviert, z.B. Wärme- und Stoffübergang an fluiden Grenzflächen bei verfahrenstechnischen Prozessen, Zerstäubung von Flüssigkeiten für die Verbrennung oder elektromagnetische Pumpen und Bremsen für die Materialverarbeitung in der Metallurgie. Die Komplexität der realen Anwendungen wurde beträchtlich reduziert, um fundamentale Mechanismen und Eigenschaften solcher Strömungen zu untersuchen. Die erreichte geometrische und konzeptionelle Einfachheit ist zweckmäßig für die numerischen Untersuchungen, weil man dadurch spezialisierte, aber sehr effiziente numerische Methoden einsetzen kann. Die Ergebnisse solcher Untersuchungen können das physikalische Verständnis der Strömungen verbessern und zur Validierung von allgemeineren numerischen Verfahren dienen. Thermische Konvektion wurde in mehreren Anordnungen betrachtet. Die erste ist oberflächenspannungsgetriebene (thermokapillare) Konvektion in einer einzelnen Flüssigkeitsschicht, für die die Strömungsstruktur und das Skalierungsverhalten des Wärmestroms mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht wurden. Die zweite Anordnung ist ein System aus zwei Schichten mit Heizung von unten bzw. von oben und verschiedenen Kombinationen von nicht mischbaren Flüssigkeiten. Zwei verschiedene Zwei-Schicht-Systeme wurden mit dreidimensionalen, nichtlinearen Simulationen untersucht, wobei der Schwerpunkt auf den Veränderungen der Konvektionsmuster bei Variation der Stärke des thermischen Antriebs lag. Auf dem Gebiet der Zweiphasen-Scherschichten wurden zwei lineare Stabilitätsuntersuchungen auf der Grundlage der gekoppelten Rayleigh/Orr-Sommerfeld-Gleichungen durchgeführt, sowie eine Verifikation des nichtlinearen SURFER Codes mit Hilfe der linearen Stabilitätsresultate aus den Orr-Sommerfeld-Gleichungen. Das Neue an diesen Arbeiten ist der direkte Vergleich der Resultate für den reibungsfreien Fall und den Fall endlicher Zähigkeit bei Grundströmungen mit gleicher Struktur, und die Identifikation eines spezifischen, zähigkeitsbedingten Instabilitätsmechanismus im Parameterbereich von Zerstäubungsexperimenten mit Luft und Wasser. Auf dem Gebiet der Kanalströmungen leitfähiger Flüssigkeiten war der Autor an numerischen Untersuchungen des Turbulenzübergangs und der Turbulenz beteiligt. Für ein Magnetfeld in Spannweitenrichtung wurde ein nichtlinearer Mechanismus für den Turbulenzübergang bei subkritischer Reynoldszahl analysiert. Außerdem wurden die Eigenschaften der Turbulenz sowohl für ein Magnetfeld senkrecht zur Kanalwand als auch mit Magnetfeld in Spannweitenrichtung mittels numerischer Simulationen bestimmt.

In Trockenschränken der Lackier- und Kunststofftechnikindustrie werden während eines Trocknungsprozesses brennbare Stoffe freigesetzt. Diese verursachen bei Kontakt mit heißen Oberflächen (den Heizstäben in dem Trocknungsofen) eine Explosionsgefahr. Die Sicherheitsanforderungen solcher Trockner sind in DIN EN 1539 detailliert beschrieben. In diesen Trocknern muss technisch bedingt ein Teil der Umluft (Trocknungsluft) abgeführt und mit Frischluft ersetzt werden, damit die Konzentration der entzündbaren freigesetzten Dämpfe einen bestimmten vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet. Die in der Abluft enthaltene Wärme geht dabei verloren. Daher muss die Frischluft vor der Zufuhr in den Nutzraum auf Betriebstemperatur gebracht werden. Die dazu notwendige Wärme erzeugen die Heizstäbe, die die Frischluft auf dem Weg zum Ofennutzraum überströmt. Durch den Einsatz eines Luft-Luft-Wärmetauschers wird ein Teil der Abluftwärme zur Vorheizung der Frischluft verwendet. Typischerweise werden für solchen Prozesse Plattenwärmetauscher eingesetzt. Die mit der Abluft abgeführten brennbaren Stoffe erreichen während der Abkühlung im Wärmetauscher ihren Taupunkt und kondensieren. Dieses Kondensat neigt dazu, sich auf den Wärmeaustauschoberflächen abzulagern. Das schnelle Verkrusten von konventionellen Wärmetauschern erschwerte bisher die technische Nutzung der Abwärme. Der hohe Wartungs- und Reinigungsaufwand durch die Ablagerung und die Partikelabscheidung macht den Betrieb von Wärmetauschern unwirtschaftlich. Das Ziel dieser Dissertation ist die notwendigen Kenntnisse zu sammeln, um einen wartungsfreien Wärmetauscher zu entwickeln bzw. die Wartungszyklen zu verlängern. Die Dissertation ist in sechs Hauptkapitel unterteilt. Das erste beinhaltet die Problembeschreibung. Ein theoretischer Hintergrund der Grundlagen der Ablagerung und die notwendigen Basiskenntnisse der durchgeführten numerischen Simulationen werden im zweiten Kapitel dargestellt. Das dritte Kapitel beinhaltet die durchgeführten numerischen Simulationen und ihre Ergebnisse. Das vierte Kapitel legt die durchgeführten Experimente und ihre Ergebnisse dar. Dann werden alle Ergebnisse der Dissertation in Kapitel fünf zusammengefasst und eine Diskussion durchgeführt und schließlich werden Vorschläge zu Weitererforschung der Ablagerung im Luft-Luft-Wärmetauscher in Kapitel sechs erörtert.

This paper presents a reversal effect which is a particular deformation effect of compliant monolithic fluid driven actuators. Compared to conventional miniaturizable bending structures the mechanisms discussed in this paper have several properties such as larger movement range, greater flexibility and less sensory effort. Typical applications of the discussed mechanisms with novel reversal effect are gripping and manipulating tasks in robotics. This paper is mainly focused on the analytical and numerical investigations together with experimental verification describing the reversal effect of the considered mechanisms.

Die elektromagnetische Strömungskontrolle von Flüssigkeiten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit wird bereits in verschiedenen Bereichen industriell genutzt. Vergleichsweise neu ist die Anwendung elektromagnetischer (Lorentz) Kräfte zur Beeinflussung von Fluiden mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Glasschmelzen. Die Lorentzkraft in Glasschmelzen wird durch die Überlagerung eines eingeprägten elektrischen Stromes und eines externen Magnetfeldes erzeugt.Grundsätzlich kann die Lorentzkraft zur Durchflussregulierung und für das Durchmischen genutzt werden. Diese theoretische Arbeit widmet sich beiden Anwendungsmöglichkeiten unter Berücksichtigung der charakteristischen Materialeigenschaften von Glasschmelzen. Im ersten Teil der Dissertation wird die Rohrströmung von Glasschmelzen anhand eines eindimensionalen analytischen Modells untersucht. Die Strömung wird durch Lorentzkraft und Gravitation beeinflusst. Weiterhin werden Temperaturänderungen durch Wärmeverluste, direkte elektrische Heizung, Konvektion und Wärmeleitung in die Betrachtung einbezogen. Wie bei laminarer Rohrströmung mit konstanten Materialeigenschaften hängt die mittlere Geschwindigkeit im Bereich hoher und sehr niedriger antreibender Kräfte linear von diesen ab. Für reine Heizung wird eine neue laminare Strömungscharakteristik beobachtet das Quadrat der mittleren Geschwindigkeit ist proportional zur antreibenden Kraft. Bei Kühlung jedoch kann das Strömungsverhalten Bifurkationen mehrwertige Lösungen aufweisen, die bereits durch ein einfaches nicht-magnetisches Experiment nachgewiesen werden können. Dieses nichtlineare Verhalten wird durch die starke Kopplung von Geschwindigkeit, Temperatur und temperaturabhängigen Materialeigenschaften hervorgerufen. Die Ergebnisse des analytischen Modells werden durch zweidimensionale, axialsymmetrische Simulationen validiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird dreidimensionale Strömungssimulationen von Glasschmelze in einem Tiegel präsentiert. Die Lorentzkraft führt insgesamt zu einer Zunahme der kinetischen Energie. Die mittlere Geschwindigkeit ist eine lineare Funktion der Lorentzkraft, falls diese dominiert. Der Übergang von einer vorwiegend durch Auftrieb angetriebenen Strömung zu einer elektromagnetisch gesteuerten Strömung ist durch eine Hysterese gekennzeichnet. Man erhält zwei verschiedene stationäre Strömungsstrukturen für einen gegebenen Steuerparameter. Die Lösung hängt dabei von den Anfangsbedingungen der Berechnung ab. Weiterhin kann das dreidimensionale Problem auf eine Strömung in einem geschlossenen Rohrkreislauf reduziert werden. Die mittlere Geschwindigkeit wird dabei durch eine algebraische Gleichung beschrieben. Der geschlossene Rohrkreislauf ist die stark vereinfachte Darstellung einer geschlossenen Stromlinie in einem Tiegel unter dem Einfluss der Lorentzkraft. Das Modell ermöglicht klar den Einfluss der temperaturabhängigen Viskosität und elektrischen Leitfähigkeit auf das Strömungsverhalten aufzuzeigen.

Die elektromagnetische Modifizierung von Materialien mittels elektromagnetisch generierter Kraftdichten steht seit Jahren im Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen. Dazu zählen Prozesse wie das Schmelzen, Erstarren, Kristallisieren, Abscheiden von metallischen und anorganisch-nichtmetallischen Materialien in Magnetfeldern. - Grundsätzliche Voraussetzungen für die Wirkung von elektromagnetischen Kräften in Materialien sind bewegliche elektrisch geladene Teilchen (woraus elektrische Leitfähigkeiten resultieren, mit denen in einem elektrischen Feld Stromdichten erzeugt werden können) oder bewegliche mit magnetischen Momenten behaftete Teilchen/Bereiche (woraus endliche Suszeptibilitäten resultieren) und in jedem Fall das Vorhandensein eines Magnetfeldes. Dann wirken im oder auf das Material Lorentzkräfte und/oder paramagnetische Kräfte. - Im vorliegenden Beitrag werden die Realisierbarkeit solcher elektromagnetischer Kräfte in Glasschmelzen diskutiert und Ergebnisse zu deren Modifizierung aus eigenen Forschungen, die im Rahmen der von der DFG seit 2001 geförderten Forschergruppe "Magnetofluiddynamik" und weiterer bilateraler FuE-Projekte durchgeführt werden konnten, vorgestellt.

In der vorliegenden Arbeit wird der Wärmetransport in Automobilscheinwerfern numerisch und experimentell untersucht. Die Scheinwerfer unterteilen sich dabei in Bezug auf die Lichtquelle in zwei Klassen: Scheinwerfer mit Halbleiter-Lichtquellen (Light-Emitting-Diodes) und Scheinwerfer mit Temperaturstrahlern (Halogen-Glühlampen). Das Auslegungskonzept beider Klassen unterscheidet sich grundlegend. Deshalb entstehen für die Arbeit zwei Schwerpunkte: Die optimale Kühlung von Halbleiter-Lichtquellen im Scheinwerfer und die Verminderung von lokalen Überhitzungen an der Abdeckscheibe von Scheinwerfern mit Temperaturstrahlern, sogenannten Hot-Spots. Halbleiter-Lichtquellen werden zum verbesserten Wärmetransport mit Kühlkörpern versehen. Sind diese im geschlossenen Gehäuse des Scheinwerfers platziert, muss die Wärme vom Kühlkörper an die Innenluft des Scheinwerfers und von dort an die Gehäusewand abgegeben werden. Der erste Teil der Arbeit untersucht den Einfluss der erzwungenen und gemischten Konvektion auf den Wärmetransport von Kühlkörper zu Gehäuse und vergleicht ihn mit dem Einfluss der natürlichen Konvektion im geschlossenen Scheinwerfergehäuse. Im Gegensatz zu bestehenden Studien wird die erzwungene Konvektion zur Erhöhung des Wärmeüberganges am Kühlkörper und dem Gehäuse genutzt und nicht zum Abtransport von erwärmten Fluid. Der Einsatz der gemischten Konvektion erhöht den Wärmetransport im untersuchten Modell um mehr als 50% gegenüber natürlicher Konvektion. Der Wärmetransport kann durch Positionierung der Wärmequelle in der Hauptströmung, durch Vergrößerung der Gehäusefläche und durch den Einsatz eines Abdeckrahmens maximiert werden. Wird der Kühlkörper anstelle einer ebenen Platte durch eine Oberfläche mit Rippen ersetzt, erhöht sich der Wärmetransport maximal um den Faktor 2,2. Behindern benachbarte Bauteile das kühlende Fluid am Zu- und Abströmen vom Kühlkörper, so wird der Wärmetransport stark reduziert. Der Abstand und die Größe der Begrenzungen vermindern den Wärmetransport im untersuchten Parameterbereich für natürliche Konvektion um bis zu 65%. Die Untersuchungen werden numerisch durchgeführt und mit Modellexperimenten validiert. Die Entstehung des Hot-Spots an der Abdeckscheibe von Scheinwerfern wird im zweiten Teil der Arbeit studiert. Anhand eines experimentellen Aufbaus kann der Druck innerhalb eines Scheinwerfermodells reduziert werden und somit erlauben die Experimente die Variation der Rayleigh-Zahl über sechs Größenordnungen. Dies mindert den Einfluss des konvektiven Wärmetransportes stark und die Kopplung von Konvektion und Strahlung wird direkt beeinflusst. Die gefundenen Ergebnisse erweitern die wenigen, in diesem Parameterbereich verfügbaren Literaturdaten erheblich. In den Experimenten werden die Rayleigh-Zahl, Abstand von Reflektor und Abdeckscheibe und Emissionskoeffizient des Reflektors als Kennzahlen des Modells ermittelt. Begleitende numerische Simulationen bilden die Strömungsverhältnisse innerhalb der Geometrie nach und erklären die auftretenden Effekte. Eine zweite numerische Studie untersucht ein Modell der Abdeckscheibe, die alle vorher variierten Parameter in sich vereint. Weitere Parameter der Abdeckscheibe, wie die Scheibendicke, werden so in die Untersuchungen aufgenommen. Das Modell ist mit dem einer ebenen Platte, mit diskreter Wärmequelle und gekoppeltem Wärmetransport auf zwei Seiten vergleichbar und stellt eine neuartige Kombination zum Studium des Wärmetransportes dar. Es kommt außerdem ohne die Benutzung eines Strahlungsmodells für gerichtete Strahlung aus

Diese Arbeit ist den Effekten gewidmet, die an der Oberfläche von Flüssigmetall im Magnetfeld auftreten können. Im Prinzip erlauben Magnetfelder, Lorentzkräfte auf flüssiges Metall auszuüben und in seinem Innern Induktionswärme zu generieren. Es ist aber auch bekannt, dass Flüssigmetall-Oberflächen durch Magnetfelder dramatische Formänderungen oder Schwingungen erfahren können. Ein Verständnis dieser Phänomene ist wichtig für sämtliche metallurgische Anwendungen, bei denen freie Oberflächen vorkommen. Als repräsentatives Problem untersuchen wir einen Tropfen aus Flüssigmetall, der eine freie Oberfläche mit einem endlichen Volumen verbindet. Wir schliessen Temperatureffekte aus und konzentrieren uns auf die Wirkung der Lorentzkraft. Wir erarbeiten ein Schema zur Klassifikation von Tropfen-Magnetfeld-Problemen basierend auf der Frequenz des Magnetfeldes und dem Shielding-Parameter des Tropfens in diesem Feld. Anhand dieses Schemas wählen wir fünf Fallstudien aus und studieren das Tropfenverhalten im i) transienten, ii) hochfrequenten und iii) mittelfrequenten Magnetfeld. Die Untersuchungen sind vorwiegend analytischer Art, nur die Mittelfrequenz-Studie ist experimentell. Die beiden wichtigsten Probleme, welche die vorliegende Arbeit zum Gegenstand hat, sind das symmetrische Zusammendrücken oder Halten von Flüssigmetalltropfen einerseits und deren azimutale Verformungen andererseits. Für das transiente Magnetfeld werden zwei Studien präsentiert, jede zu einem der beiden Hauptprobleme. Eine Verbindung zwischen transientem und hochfrequentem Feld besteht darin, das mit beiden Feldtypen stationäre Kräfte im Metall erzeugt werden können. Ein wichtiger Unterschied ist jedoch, dass transiente Felder das Metall durchdringen können, während hochfrequente Felder vom Metall abgeschirmt werden, wodurch eine Kopplung zwischen Tropfenform und Magnetfeld entsteht. Die Effekte im hochfrequenten Feld sind daher schwieriger zu modellieren. Wir präsentieren eine Hochfrequenz-Studie, in der es um das Zusammendrücken und Halten von Tropfen in einem gegebenen Magnetfeld geht. Eine zweite Hochfrequenz-Studie beschäftigt sich mit longitudinaler Levitation. Dort geben wir als einfache Tropfenform einen Flüssigmetall-Zylinder vor und ermitteln das Magnetfeld, welches die vorausgesetzte Tropfenform tatsächlich ermöglichen würde. Im mittelfrequenten Feld bieten sich für theoretische Betrachtungen die grössten Schwierigkeiten, da das Magnetfeld den Tropfen nun partiell durchdringt und kaum noch vereinfacht werden kann. Dieser Bereich wurde daher durch die fünfte Studie experimentell erkundet. Dabei wurde eine Flüssigmetall-Scheibe verwendet, welche nur zweidimensionale Verformungen ausführen kann. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass insbesondere transiente Magnetfelder gangbare Wege der analytischen Modellierung bieten. Ebenso wie hochfrequente Magnetfelder eignen sie sich zum Formen und Stützen freier Flüssigmetall-Oberflächen. Für das Studium der azimutalen Verformungen hat sich die Scheiben-Geometrie als günstig erwiesen, sowohl analytisch als auch experimentell. Insgesamt zeigt sich, dass eine Fortführung der Arbeit auf dem Gebiet der Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern und Flüssigmetall-Oberflächen lohnenswert ist.

The formation of the melt flow plays a key role in the production of glass due to the required homogeneity of the melt and the quality of the product. Recently, we have reported on the manipulation of the flow velocity of glass melts in crucibles realized by the generation of external Lorentz forces [1]. The electromagnetic effects can be applied to improve the mixing in the melt which results in an enhancement of the thermal and chemical homogenization. In this paper we want to summarize the results of in-situ measurements of temperature and compare these outcomes with the striae formation in solidified glasses in dependence on the used chemical composition of the glass melts (transparent, cobalt oxide doped glass). In the following we deduce the possibilities of acceleration, deceleration and even reversion of the flow from calculated values of the flow velocity resulting from the reversion of the external Lorentz force direction.

In der vorliegenden Arbeit wird der Wärmetransport in einem Automobilscheinwerfer numerisch und experimentell untersucht. Der Wärmetransport wird durch das gleichzeitige Auftreten von Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung charakterisiert. Im vorliegenden Fall dominiert Strahlung den Wärmetransport. Durch die gekoppelten Transportmechanismen bilden sich lokale Überhitzungen (sog. Hot Spots) an Gehäuse und Abschlussscheibe. Das Entstehen dieser Hot Spots und damit ein Verständnis des Wärmetransports gehören zu den Schwerpunkten der Arbeit.Zur Modellierung des gekoppelten Wärmetransports werden zwei- und dreidimensionale numerische Modelle entworfen. Die numerische Simulation wird mit Hilfe eines kommerziellen Strömungssimulationsprogramms STAR-CD durchgeführt, das über die DTRM-Methode zur Strahlungsberechnung verfügt. Diese Methode beschränkt die Strahlungsberechnung auf die diffuse Komponente. Die gerichtete Komponente bleibt zunächst unberücksichtigt. Das Verhalten des Wärmetransports wird in 2D-Modellen in verschiedenen Kombinationen untersucht: reine Konvektion, reine Strahlung und Konvektion gekoppelt mit Strahlung. Als Ergebnis werden Korrelationen zum Wärmeübergang ermittelt und daraus Maßnahmen zur Reduzierung des Temperaturniveaus des Hot Spots abgeleitet.Dazu zählen die Erhöhung der konvektiven Kräfte (Erhöhung der Ra-Zahl), die Reduzierung des Emissionsgrads der Lampe und die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Abschlussscheibe (Reduzierung Rl). Anschließend werden die Ergebnisse aus der 2D-Simulation in der 3D-Geometrie verifiziert.Neben der numerischen Modellierung werden die strömungsmechanischen Phänomene auch experimentell untersucht. Dafür werden Versuchsmodelle zur Strömungs- und Temperaturanalyse aufgebaut. Die Strömungsanalyse wird mit Hilfe eines optischen PIV-Messverfahrens (Particle Image Velocemetry) durchgeführt. Damit wird sowohl das globale Strömungsfeld als auch die Strömung in der Nähe des Hot Spots an der Scheibe analysiert. In einem weiteren Experiment wird das Verhalten des Hot Spots in Abhängigkeit vom Innendruck experimentell untersucht. Mittels der Druckvariation wird das Verhältnis zwischen Konvektion und Strahlung verändert. Dazu wird der Wärmetransport in einem Parameterbereich untersucht, für den bisher keine Untersuchungen vorliegen. So kann die Ra-Zahl im Bereich 10 < Ra < 1000000 variiert werden. Zur Analyse des Wärmeübergangs wird eine neuartige Messmethode vorgestellt, die auf dem Einsatz einer Leuchtdichtemesskamera in Verbindung mit thermochromen Flüssigkristallen basiert. Diese Methode wird zur berührungslosen Bestimmung der Temperaturverteilung auf der Innenseite des Modells eingesetzt. Gleichzeitig wird die Temperaturverteilung an Außenoberflächen mittels Infrarot-Messkamera erfasst. Dadurch können Aussagen zum Wärmeübergang an der Abschlussscheibe getroffen werden. Die Anwendung dieser Methode an einem Scheinwerfermodell zeigt die Genauigkeit von +/- 0.35 im Vergleich zu Standardmethoden.Die Erkenntnisse aus numerischen und experimentellen Untersuchungen werden für die Analyse des Wärmetransports in einem realen Scheinwerfer angewandt. Die DTRM-Methode mit der diffusen Strahlung führt zu großen Abweichungen zur Realität. Zur Verbesserung der Strahlungsmodellierung wird eine optimierte Berechnungsmethode entwickelt, die auf der Kopplung zwischen einem kommerziellen Strömungssimulationsprogramm und einem Ray Tracing Programm beruht. Mit diesem Verfahren gelingt es, die korrekte Lage des Hot Spots und dessen Temperaturniveau in realer Geometrie zu bestimmen.

Simulation und Optimierung der Betriebsweise einer solarthermisch betriebenen Absorptionskältemaschine unter Berücksichtigung verschiedener Arbeitsstoffpaare In der vorliegenden Arbeit werden rechnergestützte Verfahren anhand verschiedener Programme (ANSYS, EES, und V BASIC) zur Simulation und Optimierung der Komponentengeometrie sowie der stationären Betriebsweise des Gesamtsystems von solarbetriebenen Absorptionskältemaschinen, die bei niedrigen Antriebstemperaturen (ab 50 &ayn;C) betrieben werden sollen, entwickelt. Die Simulationsmodelle werden an Messungen verifiziert und dann auf einige Problemstellungen angewendet. Zur Realisierung des Zieles (Austreibung ab 50 &ayn;C) wird das im Fachgebiet untersuchte neue Arbeitsstoffpaar Aceton-Zinkbromid eingesetzt. Die dafür erforderlichen thermophysikalischen Stoffdaten sowie die in der Kältetechnik sehr häufig verwendeten Arbeitsdiagramme (Log P, T; h, T; h, ? und ?, T) für die Lösung Aceton-Zinkbromid und Mollier log P, h-Diagramm für das reine Aceton wurden berechnet, dargestellt, korreliert, diskutiert und mit der Literatur verglichen. Die Simulationsergebnisse haben die Einsatzmöglichkeit des neuen Arbeitsstoffpaares als Arbeitsmittel in der Niedertemperatur betriebener Absorptionskältemaschine bestätigt.

In dieser Arbeit wird ein neues Anwendungsgebiet für eine ortsauflösende Leuchtdichtekamera vorgestellt. Die Kamera wird zur Messung lichttechnischer Daten von choresterinischen Flüssigkristallen eingesetzt, die ihre optischen Eigenschaften mit der Temperatur ändern. Damit kann die Temperaturverteilung von mit Flüssigkristall beschichteten Oberflächen bestimmt werden. Hierzu wir der Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Leuchtdichte bestimmt. Es werden zwei Messverfahren vorgestellt. Das erste Verfahren basiert auf der Bestimmung des in der Flüssigkristallschicht transmittierten Lichtstromes. Bei dem zweiten Verfahren wir der reflektierte Lichtstrom in Abhägigkeit von der Temperatur untersucht. Diese Methode kann beispielsweise auf die Temperaturmessung von Leuchtmitteln angewandt werden.

Mit Hilfe experimenteller Untersuchungen und numerischen Simulationen konnte eine Veränderung der Strömungsverhältnisse durch die Wirkung von künstlichen Lorentzkräften nachgewiesen werden. Die Generierung von künstlichen Lorentzkräften erfolgt durch das Einprägen einer elektrischen Stromdichte und eines magnetischen Wechselfeldes bei gleicher Frequenz (50Hz) in die Glasschmelze. Die experimentellen Ergebnisse tragen in Verbindung mit numerischen Simulationen zum Verständnis der physikalischen Grundlagen des elektromagnetischen Rührens und damit zur Erforschung der Wirkungskette: Elektromagnetisches Feld Strömungsfeld Werkstoffeigenschaften bei.

Der Gegenstand dieser Arbeit ist die lineare Stabilitätsanalyse einer instabilen Aluminium/Kryolith Grenzfläche in Aluminium-Elektrolysezellen mit einer Gundströmung ("background flow") sowie Methoden für die Rekonstruktion der Aluminium/Kryolith Grenzfläche. Es wurden zwei Rekonstruktionsprobleme behandelt: die Rekonstruktion aus der Störung des elektrischen Potentials bzw. aus der Störung des Magnetfelds. Die Ursache für beide Störungen ist die Grenzflächenauslenkung. - Die lineare Stabilitätsanalyse wurde an einem vereinfachten Modell durchgeführt. Es wurde die Ausbreitung von Gravitationswellen unter Einfluss von vertikalem Magnetfeld in einem unendlich ausgedehnten Kanal mit isolierenden Wänden studiert. Die Navier-Stokes Gleichungen wurden in einer Flachwassernäherung aufgeschrieben und dann linearisiert. Es wurde festgestellt, das der Stabilitätsbereich durch die dimensionslose Geschwindigkeit der Grundströmung und der MHD-Parameter begrenzt ist. Das Aspektverhältnis und die Materialeigenschaften beeinflussen die Stabilitätsgrenzen. Es wurde gefunden, dass die Kelvin-Helmholtz-Instabilität und die MHD-Instabilität unabhängig voneinander entstehen. - Die Rekonstruktion der Grenzfläche in einer Alu-Zelle aus dem elektrischem Potential beinhaltet zwei Klassen von Problemen. Das Vorwärtsproblem betrifft die Berechnung eines elektrischen Potentials in den Fluiden bei bekannter Grenzflächendeformation. Das Inverse Problem umfasst die Bestimmung von einer unbekannten Grenzfläche aus der bekannten Potentialverteilung. Bei der Lösung des Vorwärtsproblems wurden die linearisierte Grundgleichungen analytisch gelöst. Das Inverse Problem wurde mit Standardtechniken wie Singulär-Wert Zerlegung gelöst. Anschließend wurde eine optimale Lösung mittels L-Kurve gefunden, die als Kompromiss zwischen dem Datenfehler und dem Lösungsfehler gewählt wurde. Zwecks Validierung wurde ein numerisches Experiment durchgeführt, das die Robustheit des Verfahren gegenüber dem Messfehler gezeigt hat. - Für die Rekonstruktion der Grenzfläche aus dem Magnetfeld wurde das Vorwärtsproblem gelöst. Die Geometrie des Systems wurde als ein unendlich ausgedehnter Zylinder mit isolierenden Wänden und beliebiger Querschnittsform beschrieben. Zwei Fluide mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten und Dichten sind übereinander angeordnet. Der vertikale homogene elektrische Strom fließt über die Grenzfläche. Die Störung des Magnetfeldes und die Stromverteilung wurden berechnet. Zwei Beispiele wurden berechnet, eins für eine kreisförmige Querschnittsform und ein anderes für eine rechteckige Querschnittsform.

Marangoni drying, solutal and thermal Marangoni effect, bouyancy convection, Hele-Shaw cell, stability analysis, spectral methods, direct numerical simulation

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