@phdthesis{Motuz2014, author = {Motuz, Vasyl}, title = {Gleichm{\"a}ßiges Mikro-Ausblasen zur Beeinflussung einer turbulenten Grenzschicht}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31242}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2014}, abstract = {Das gleichm{\"a}ßige Ausblasen ist eine effektive Methode zur Beeinflussung einer turbulenten Grenzschicht, n{\"a}mlich zur Reduzierung des Reibungswiderstands einer umstr{\"o}mten Wandoberfl{\"a}che. In der vorliegenden Arbeit wurde turbulente Grenzschicht an einer ebenen Platte hinsichtlich ihrer Beeinflussbarkeit mittels gleichm{\"a}ßigem kontinuierlichen Mikro-Ausblasen in einer Str{\"o}mung ohne Druckgradient untersucht. Die durchgef{\"u}hrte Untersuchung umfasst das Str{\"o}mungsverhalten in einer viskosen Unterschicht {\"u}ber einer durchl{\"a}ssigen Wand ohne und mit Ausblasen, der Einfluss der Ausblasrate und der Temperatur der ausgeblasenen Luft auf die Grenzschichtparameter sowie eine Visualisierung und qualitative Analyse des Temperaturfeldes der Oberfl{\"a}che der durchl{\"a}ssigen Wand ohne und mit Ausblasen unter verschiedenen Bedingungen. Die Untersuchung wurde in einem geschlossenen Unterschall Windkanal f{\"u}r einen Reynoldszahlen-Bereich von 1x10³ < Reₓ < 1x10⁶ und f{\"u}r eine Ausblasrate von 0 < F < 0.0173 durchgef{\"u}hrt. Die Ermittlung der Profile der Str{\"o}mungsgeschwindigkeit im wandnahen Bereich sowie des Einflusses der Ausblasrate und der Temperatur der ausblasenden Luft auf die Parameter der Grenzschicht wurde mit Hilfe des noninvasiven Laser Doppler- und bei einzelnen Experimenten mit Hilfe des hochaufl{\"o}senden Konstant Temperatur Anemometrie-Verfahrens durchgef{\"u}hrt. Zur Untersuchung des Temperaturfeldes sowie dessen {\"A}nderung wurde ein Thermografiesystem auf Basis einer Infrarot-Kamera eingesetzt. Die ermittelten Profile der Str{\"o}mungsgeschwindigkeit u(x,z) und besonders v(x,z) haben gezeigt, dass das Ausblasen durch eine durchl{\"a}ssige Wand, die gleichm{\"a}ßig verteilte Mikro-{\"O}ffnungen enth{\"a}lt, als ein „Ensemble" einzelner Freistrahlen zu betrachten ist. Im Fall einer Unterschallstr{\"o}mung darf diese Art des Ausblasens nur grob als ein gleichm{\"a}ßiges Ausblasen angenommen werden. Mit Hilfe des gleichm{\"a}ßigen Ausblasen wurde der Reibungsbeiwert im Bereich Reynoldszahlen Reₓ < 1x10⁶ im Vergleich zur festen Wand um bis zu 59 \% reduziert. Dabei wurde festgestellt, dass der Reibungsbeiwert bzw. die Wandschubspannung einer durchl{\"a}ssigen Wand mit Ausblasen von der Ausblasrate abh{\"a}ngt und deren Reduzierung nur bis zu einem bestimmten Wert der Ausblasrate stattfindet. Durch das Ausblasen der Luft verschiedener Temperatur wurde es gezeigt, dass auf die Eigenschaften der turbulenten Grenzschicht {\"u}ber einer durchl{\"a}ssigen Wand neben dem Ausblasen selbst, die Temperatur des ausblasenden Mediums auch eine wichtige Rolle spielt. Je nach dem, welche Temperatur das ausblasende Fluid besitzt, wird der Reibungsbeiwert reduziert oder erh{\"o}ht. Mittels einer Visualisierung des Temperaturfeldes der Oberfl{\"a}che der durchl{\"a}ssigen Wand mit Ausblasen wurde eine indirekte Visualisierung der Wirkung der {\"a}ußeren Str{\"o}mung auf die umstr{\"o}mte Wand realisiert. Da sich eine {\"a}ußere Str{\"o}mung in Wandn{\"a}he eine Grenzschicht bildet, kann diese Visualisierung als eine Visualisierung der Wirkung des Ausblasens auf die Grenzschicht betrachtet werden. Der Vergleich des Temperaturfelds der Oberfl{\"a}che der durchl{\"a}ssigen Wand ohne Ausblasen in einer {\"a}ußeren Str{\"o}mung mit derjenigen mit Ausblasen hat gezeigt, dass die Wirkung der {\"a}ußeren Str{\"o}mung auf die umstr{\"o}mte Wand durch das Ausblasen nicht direkt am Anfang des Ausblasbereichs, sondern in einem Abstand davon voll verhindert wird. Infolge Wechselwirkung zwischen {\"a}ußerer Str{\"o}mung und dem Ausblasen, bildet sich {\"u}ber dem Ausblasbereich eine Zwischenschicht bzw. eine D{\"a}mpferschicht, die einen Energieaustausch zwischen der {\"a}ußeren Str{\"o}mung und der Oberfl{\"a}che durchl{\"a}ssiger Wand blockiert. Diese Zwischenschicht bildet sich nicht sofort am Anfang des Ausblasbereichs, sondern {\"u}ber einer Strecke, deren L{\"a}nge von der Ausblasrate abh{\"a}ngt.}, subject = {Reduzierung des Reibungsbeiwerts; Viskose Unterschicht; Mikro-Ausblasen; Skin friction reduction; Viscous sub layer; Microblowing; Turbulent boundary layer; Turbulente Grenzschicht; Turbulente Grenzschicht; Ausblasen; Reibungskoeffizient}, language = {de} } @phdthesis{Neben2019, author = {Neben, Matthias}, title = {3D-CFD der Gas-Partikel-Str{\"o}mung in einer Laval-D{\"u}se zur Vorhersage mechanischer Erosion}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47976}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2019}, abstract = {Die vorliegende Doktorarbeit betrachtet den erosiven Verschleiß von Laval-D{\"u}sen f{\"u}r den pneumatischen Stofftransport. Dazu wurden 3D-CFD-Simulationen der Gas-Partikel-Str{\"o}mung auf Basis des Softwarepaketes OpenFOAM durchgef{\"u}hrt und ein kompressibler 2-Wege-gekoppelter sowie 4-Wege-gekoppelter Str{\"o}mungsl{\"o}ser entwickelt. Zus{\"a}tzlich wurden die Partikelmethoden von OpenFOAM erheblich erweitert. So sind z.B. zus{\"a}tzliche stochastische Methoden f{\"u}r die Partikel-Partikel und Partikel-Wand-Kollisionen (Sommerfeld \& Huber, 1999) mit einer erweiterten translatorischen und rotatorischen Impulserhaltung implementiert worden. Die auf die disperse Phase wirkenden fluidmechanischen Kr{\"a}fte sind die Widerstandskraft nach Henderson (1976), die Kraft durch Druck- und Spannungstensor sowie die Auftriebskraft. Der erosive Verschleiß wird wahlweise mit dem Tabakoff-Modell (Grant \& Tabakoff, 1973) und dem Oka-Modell (Oka et al., 2005; Oka \& Yoshida, 2005) berechnet. Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem HKW Cottbus, welches im Rauchgasreinigungssystem Laval-D{\"u}sen f{\"u}r den pneumatischen Abtransport von Asche verwendet. Aufgrund der hohen Gas- und Partikel-Geschwindigkeiten und der Kontur der D{\"u}sen sind diese massiv durch Erosion gesch{\"a}digt worden. Dadurch haben diese ihre Funktion als Blende verloren, was eine Sch{\"a}digung weiterer Komponenten des Rauchgasreinigungssystems zur Folge hatte. Zur Validierung des numerischen Str{\"o}mungsl{\"o}sers wurde das Experiment von Kumar et al. (1983) ausgew{\"a}hlt und ein qualitativ vergleichbares Ergebnis generiert (60\% des experimentellen Werts). Das charakteristische Verschleißbild des Experiments stellt sich nur unter Verwendung eines stochastischen Partikel-Wand-Kollisionsmodells mit hoher Wandrauigkeit ein. Im Fall glatter W{\"a}nde ist der erosive Verschleiß insgesamt geringer und es verschiebt sich das Maximum der lokalen Erosionsrate. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen ist sowohl die Kontur der Laval-D{\"u}se des HKW Cottbus modifiziert worden als auch das Material der D{\"u}senwandung von 13CrMo44-Stahl zu Siliziumcarbid-Keramik ge{\"a}ndert worden. Die numerischen Simulationen des 4-Wege-gekoppelten Str{\"o}mungsl{\"o}sers zeigen, dass sich das lokale Maximum der Verschleißrate im kritischen Bereich der D{\"u}senkehle auf 1.5 \% des Ausgangswerts reduziert und zugleich von der D{\"u}senkehle weg verschiebt. In dieser Doktorarbeit ist im Gegensatz zu vergleichbaren numerischen Studien eine Validierung des Str{\"o}mungsl{\"o}sers an experimentellen Daten durchgef{\"u}hrt worden. Zudem ist die Bedeutung der Partikel-Partikel-Kollisionen und der Wandrauigkeiten f{\"u}r die Berechnung des erosiven Verschleißes bei Laval-D{\"u}sen aufgezeigt worden.}, subject = {Laval-D{\"u}se; Gas Partikel Str{\"o}mung; Mechanische Erosion; CFD; Laval nozzle; Gas particle flow; Mechanical erosion; Laval-D{\"u}se; Fluidpartikelstr{\"o}mung; Numerische Str{\"o}mungssimulation; Erosion}, language = {de} } @phdthesis{Kessler2024, author = {Keßler, Raphael}, title = {Entwicklung eines raumflugf{\"a}higen Moduls zur optischen Untersuchung weicher Materie unter Schwerelosigkeit}, doi = {10.26127/BTUOpen-6696}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66960}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2024}, abstract = {Mit dem Begriff „weiche Materie" wird eine Stoffklasse bezeichnet, die uns im Alltag st{\"a}ndig und nahezu {\"u}berall begegnet. Dennoch z{\"a}hlt die Erforschung solcher Materialsysteme zu einer noch recht jungen Disziplin moderner Materialforschung. Dem Ziel, ein besseres Verst{\"a}ndnis und Vorhersehbarkeit mechanischer Eigenschaften zu gewinnen, gehen Kenntnisse {\"u}ber die innere Dynamik voraus. Die Dynamik in solchen Systemen wird dabei von vergleichsweise geringen Kr{\"a}ften getrieben, die bei Untersuchungen auf der Erde von dominant erscheinenden schwerkraftgetriebenen Ph{\"a}nomenen wie beispielsweise der Sedimentation {\"u}berlagert werden k{\"o}nnen. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer Anlage beschrieben, die eine modulare Experimentplattform auf einer H{\"o}henforschungsrakete darstellt und Experimente zur Untersuchung weicher Materie unter nahezu g{\"a}nzlicher Ausschaltung der Schwerkraft erm{\"o}glicht. Ein druckdichter und wiederverwendbarer Rumpf stellt den Experimenten auch w{\"a}hrend des Fluges atmosph{\"a}rische Bedingungen zur Verf{\"u}gung, wobei durch eine Luke nicht langzeitstabile Proben kurz vor Start der Rakete integriert werden k{\"o}nnen. H{\"a}ufig genutzte Diagnostikelemente von Lichtstreuexperimenten und Servicesystemkomponenten zur Versorgung mit Energie und Informationen werden in eine Baugruppe geb{\"u}ndelt und {\"u}ber definierte Schnittstellen f{\"u}r Neuentwicklungen zug{\"a}nglich gemacht, sodass deren Entwicklungszeiten verk{\"u}rzt werden k{\"o}nnen. Exemplarisch werden zwei Lichtstreuexperimente entwickelt und in das Modul integriert: Ein kolloidaler Teil, der die Bewegung aktiver Mikroschwimmer untersucht, und einen granularen Teil, bei dem Licht an Teilchen und Gasblasen gestreut wird. Die phototaktisch getriebenen Mikroschwimmer zeigen ohne die auf der Erde unvermeidlichen Randschichteffekte unter Mikrogravitation eine messbar verschiedene Dynamik. Mit einer kritischen Bewertung werden Verbesserungspotentiale aufgelistet, die teils im Zweitflug umgesetzt werden. F{\"u}r zuk{\"u}nftige Anwendungen auf der Experimentplattform werden Ideen und Vorhaben im Kontext der M{\"o}glichkeiten aufgef{\"u}hrt, wobei der Nutzen und der Mehrwert eines wiederfliegenden Moduls an Hand von Ergebnissen aus den stattgefundenen Fl{\"u}gen manifestiert werden k{\"o}nnen.}, subject = {Mikrogravitation; H{\"o}henforschungsrakete; Weiche Materie; Microgravity; Sounding rockets; Soft matter; H{\"o}henforschungsrakete; Weiche Materie; Mikrogravitation}, language = {de} }