In vielen Prozessen wird Wärme freigesetzt, die jedoch dort und zur gleichen Zeit nicht gebraucht wird. Wärmespeicher dienen dazu, überschüssige thermische Energie aufzunehmen und bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt oder auch an einem anderen Ort wieder abzugeben. Bei der Latentspeicherung wird ein sog. Phase Change Material (PCM) durch zugeführte Wärme geschmolzen, welche bei der Erstarrung wieder frei wird. Ziel ist es, preisgünstige Speicher mit hoher Kapazität auf kleinem Raum zu entwickeln, welche möglichst schnell be- und entladen werden können.
Der Autor beschreibt in dieser Abhandlung seinen Beitrag zum Verständnis der hierbei ablaufenden thermofluiddynamischen Vorgänge. Er hat hierzu Modelle entwickelt, Simulationen durchgeführt und deren Vorhersagen durch Experimente geprüft.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Diese Arbeit behandelt die numerische Multiskalen-Permeabilitätsvorhersage von endkonturnahen textilen Fasermodellen mit Hilfe des quelloffenen Programms OpenFOAM. Hierfür wurden mikroskopische und mesoskopische Modellierungen virtuell erzeugter Textile mit C, TexGen, PAM-CRASH und OpenFOAM erstellt. Modellparameter wie der Faservolumengehalt, die Faserbündelarchitektur und Faserbündelgeometrien wurden durch unterschiedliche Ansätze phänomenologisch reproduziert. Die sich in den Textilmodellen einstellenden Strömungsparameter wurden für einskalige, stationäre und zweiskalige, instationäre Simulationen umgesetzt. Die Diskretisierung der Faserbündel durch poröse Zonen ermöglicht die Abbildung des Zwei-Skalen Effektes und zeigt einen deutlichen Einfluss auf die vorhergesagten Permeabilitätswerte. Diese Simulationen wurden durchgeführt und reproduzieren die in der Realität auftretende charakteristische Strömung in textilen Faserhalbzeugen. Zweiphasige Simulationen ermöglichen zusätzlich das Abbilden einer gasförmigen Phase während der Infiltration textiler Halbzeuge und erlauben so die Vorhersage des Porengehalts in endlosfaserverstärkten Bauteilstrukturen. Um die numerische Multiskalen-Permeabilitätsvorhersage für die Produktion sowie den Werkzeugbau als Eingabe nutzbar zu machen, wurde ein Up-Scaling-Ansatz auf die makroskopische Bauteilskala entwickelt. Zur Validierung der numerischen Permeabilitätswerte wurden experimentelle Permeabilitätsmessstände aufgebaut. Mit diesen ist es möglich, planare Permeabilitätsmessungen und transversale Dickenpermeabilitätsmessungen isobar oder mit isochorem Fluideintrag durchzuführen. Mit der Hilfe eines Kapillar-Steig-Messstands und eines Messstands zur Analyse der mikroskopischen/mesoskopischen Benetzungseigenschaften textiler Faserhalbzeuge wird die Möglichkeit aufgezeigt, mikroskopisches Infiltrationsverhalten zu analysieren und Faserbündelpermeabilitätswerte optisch zu bestimmen.
Aktualisiert: 2022-12-30
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Im Rahmen steigender Qualitätsanforderungen der Kunden und kürzerer verfügbarer Entwicklungszeiträume sind virtuelle Methoden ein elementarer Bestandteil für die erfolgreiche Produktentwicklung. Aber nicht überall stehen Simulationsmethoden zur Verfügung. Die Auslegung des Wassermanagements und des Korrosionsschutzes ist bis heute eine erfahrungs- und versuchsbasierte Auslegung, welche erst in der Hardwarephase überprüft werden kann. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Simulationsmethodik zur Bestimmung der Fließwege korrosiver Medien und der daraus resultierenden Belastung am virtuellen Prototypen. Neben der Benetzung von Oberflächen ist auch die Benetzungsdauer zu bestimmen. In der Umsetzung kommt ein im technischen Bereich noch junger Ansatz der gitterfreien Strömungssimulation, vertreten durch die Smoothed-Particle-Hydronamics-Methodik (SPH), zum Einsatz. Mit dieser ist es möglich, die Beregnung eines Gesamtfahrzeugs über einen langen Zeitraum mit einem hohen Detailumfang und einem akzeptablen Zeitbedarf zu realisieren. Die am stationären Fahrzeug generierten Ergebnisse ermöglichen dabei eine detaillierte Auswertung der Fließwege und besitzen eine sowohl qualitative als auch quantitative hohe Übereinstimmung mit Prüfstandsdaten. Für die Bestimmung der Benetzungsdauer ist die Simulation des Phasenwechsels vorgesehen. Auch hier bildet die Basis der Einsatz der SPH-Methodik mit einer künstlichen Luftphase. Die notwendigen Randbedingungen sind durch die Kombination mit der konventionellen Strömungssimulation zu generieren. Eine Abschätzung der Effektivität von Gegenmaßnahmen wird somit virtuell möglich.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Komplexer werdende Produkte stellen die kunststoffverarbeitende Industrie vor zunehmende Herausforderungen in der Aufbereitung der Polymere. Der Ko-Kneter mit seinem einzigartigen Funktionsprinzip stellt hierbei einen Maschinentyp mit hohem Potential dar. Mangelndes Prozessverständnis führt jedoch dazu, dass Auslegung und Prozessoptimierung durch zeit- und kostenaufwändige Versuchsreihen erfolgen. Unterstützende Simulationsmodelle existieren für den Ko-Kneter noch nicht. Ziel des Projekts ist die Erstellung eines anwender-freundlichen Simulationstools für eine optimierte Auslegung des Prozesses.
Im Rahmen des Projekts werden zunächst die für die Simulation erforderlichen Materialdaten ermittelt und durch geeignete Modelle beschrieben. Durch eine Kombination aus Experimenten und 3D-Simulationen werden anschließend die Vorgänge im Ko-Kneter untersucht. Dazu wird ein Vorgehen zur Durchführung von numerischen Simulationen und zur experimentellen Bestimmung von Prozessgrößen entwickelt. Begleitend erfolgt eine analytische Modellierung des Kneters. Die entwickelten analytischen Modelle werden in ein Excel-basiertes Simulationstool implementiert. Zur Überprüfung der Modelle werden Simulationsrechnungen durchgeführt und mit experimentellen und numerischen Ergebnissen verglichen. Dabei wird für die analytischen Modelle eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment erreicht. Allerdings ist die Datenbasis für eine vollständige Validierung der Modelle noch nicht ausreichend. Das Simulationstool kann von KMU genutzt werden, um die Auslegung von Extrusionsprozessen auf dem Ko-Kneter zu unterstützen. Das neu gewonnene Prozessverständnis kann zudem zu einer Erhöhung der Produktqualität beitragen, wodurch die KMU ihre Position am Markt festigen können.
Aktualisiert: 2020-07-23
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Die Miniaturisierung von Wärmeübertragern stellt eine große technische Herausforderung dar. Es müssen Strukturen entwickelt werden, die mechanischen Belastungen standhalten und trotzdem eine hohe spezifische Oberfläche bei geringer Wandstärke aufweisen, um einen optimalen Wärmeübergang sicherzustellen.
Drahtgewebebasierte Miniaturwärmeübertrager, sogenannte Thermogewebe, sind in diesem Zusammenhang ein vielversprechender Ansatz. Durch die regelmäßige Struktur, den flexiblen Aufbau und die Modularität eignen sich solche Gewebe für eine Reihe von Spezialanwendungen: von der Kühlung von Brennstoffzellen im Automobil über die Methanisierung in der chemischen Industrie bis hin zum Einsatz in Wärmespeichern mit Paraffinen und ähnlichen Medien.
Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Modellierung und Berechnung der thermofluiddynamischen Eigenschaften von Thermogeweben.
Es werden, ausgehend von vorhandenen universellen Gesetzmäßigkeiten zum Druckverlust an Glatten Tressen, Modellgesetze für Thermogewebe offener Webart ebenso wie solche Gesetze, die den Wärmeübergang beschreiben, entwickelt.
Die Modellgesetze eint, dass sie Modellkonstanten enthalten, die durch Messungen oder numerische Simulationen parametriert werden müssen.
Zu diesem Zweck erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines Simulationsmodells, das die Strömungsvorgänge am Gewebe physikalisch genau und im vorgegebenen Parameterbereich zuverlässig darstellt.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Nachträglich freigelegte Bohrpfähle zeigen nicht selten sichtbare Mängel an ihrer Pfahlintegrität. Die Entstehung dieser Mängel ist vorrangig auf ein unzureichendes Ausbreitverhalten des Frischbetons zurückzuführen. Daher bedarf es einer grundlegenden Untersuchung der physikalischen Strömungsprozesse. Dafür fehlte es jedoch bisher noch an einer geeigneten Untersuchungsmethode. Ein Ziel dieser Arbeit war es, die Methode der numerischen Simulation (CFD), auf diesen Anwendungsfall zu übertragen, um damit die Strömungsprozesse in Bohrpfählen untersuchen zu können. Im Rahmen der numerischen Simulationen (OpenFOAM) wurde der Frischbeton als homogenes Bingham-Fluid abgebildet. Die Kalibrierung der Bingham-Parameter erfolgte anhand physikalischer Laborversuche in einem Setzfließmaßversuchsstand und dessen numerischer Simulation. Für den Nachweis, dass mit der gewählten numerischen Methode die Strömungsvorgänge von Frischbetonen zutreffend simuliert werden können, wurden Validierungsversuche im Labormaßstab in einem Versuchskasten und in Modellpfählen durchgeführt.
Dass die gewählte numerische Methode auch auf praxisrelevante Fragestellungen im Maßstab der Großausführung angewendet werden kann, wurde mit einem Vergleich der Ergebnisse der numerischen Simulation mit physikalischen Ergebnissen, die auf großmaßstäblichen Versuchen in suspensionsgestützten Großbohrpfählen basieren, nachgewiesen. Abschließend wurde eine Parameterstudie an dem numerischen Modell der Großausführung durchgeführt und die wesentlichen Einflussparameter auf die Strömungsprozesse identifiziert. Zusammenfassend kann mit der vorliegenden Arbeit ein von der bisherigen Vorstellung abweichendes Strömungsverhalten des Frischbetons nachgewiesen und die wesentlichen Einflussparameter identifiziert werden.
Aktualisiert: 2020-01-17
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Ein neuer Modellierungsansatz für die Simulation geschichteter Zweiphasenströmungen wird vorgestellt. Eine einfache Möglichkeit das Zusammenspiel von Turbulenz und Oberflächenwellen zu modellieren, bietet der Zweischichten-Turbulenzansatz. Die Wellenamplitude ist dabei als turbulentes Längenmaß für den Wellenbereich gewählt worden. Sie lässt sich dabei aus statistischen Gleichgewicht zwischen turbulenter kinetischer, turbulenter potentieller und turbulenter Oberflächenenergie berechnen. A new modeling approach for stratified two-phase flows has been developed. The two-layer turbulence model is a simple method to model the interaction between turbulence and surface waves. The wave amplitude is used here as turbulent length scale in the inner wavy region. It can be calculated from a statistical equilibrium between turbulent kinetic, turbulent potential and turbulent surface energy.
Aktualisiert: 2021-02-11
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In der vorliegenden Arbeit wird ein mathematisches Modell entwickelt um magnetohydrodynamische Strömungen in instationäre und inhomogene Magnetfelder zu beschreiben. Das Modell wird in das finite-Volumen basierende CFD-Programm OpenFOAM implementiert und an typischen Problemstellungen der Magnetohydrodynamik verifiziert und validiert. Mit dem entwickelten Algorithmus wird ein Frequenzdurchflussmessgerät numerisch modelliert und erfolgreich simuliert. In this work, I develop a numerical model for magnetohydrodynamic flows in unsteady an inhomogeneous flow. The model is implemented in the finite-volume based CFD-code OpenFOAM. Some verification and validation tests are made on several standard problems of magnetohydrodynamics. Finally I successful modelled an electromagnetic flowmeter with the code.
Aktualisiert: 2021-02-11
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In vielen Prozessen wird Wärme freigesetzt, die jedoch dort und zur gleichen Zeit nicht gebraucht wird. Wärmespeicher dienen dazu, überschüssige thermische Energie aufzunehmen und bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt oder auch an einem anderen Ort wieder abzugeben. Bei der Latentspeicherung wird ein sog. Phase Change Material (PCM) durch zugeführte Wärme geschmolzen, welche bei der Erstarrung wieder frei wird. Ziel ist es, preisgünstige Speicher mit hoher Kapazität auf kleinem Raum zu entwickeln, welche möglichst schnell be- und entladen werden können.
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Aktualisiert: 2023-04-17
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