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In dieser Arbeit wird der Wärmeübergang bei der Tropfenkondensation aus feuchter, turbulent strömender Luft experimentell untersucht. Die Versuchsstrecke besteht aus einem horizontalen Kanal in den Abmessungen (12 × 32 × 750) mm . Die Kondensation findet auf einem mit Kunststoff beschichteten Wärmestromsensor statt, der in einer der vertikalen Kanalwände bündig eingelassen ist. Experimentell erfasst werden der Wärmedurchgangswiderstand der Kondensatschicht durch Anwendung eines theromografischen Verfahrens sowie der in den Sensor eindringende Wärmestrom. Messergebnisse werden für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten, Luftfeuchten und -temperaturen, sowie für variierende Temperaturen der Sensoroberfläche gewonnen. Die Messergebnisse werden mit den Vorhersagen eines aus dem Kontext der Filmkondensation entlehnten Modells verglichen. Systematische Abweichungen konnten mit der Größe der Tropfen auf der Oberfläche korreliert werden. Die ermittelten Korrelationsgleichungen werden angegeben. Die Übertragbarkeit des hier entwickelten Ansatzes auf andere Geometrien und Randbedingungen konnte durch seine Anwendung auf externe Messdaten gezeigt werden.

Ziel der Dissertation ist die ebenso valide wie effiziente Vorhersage der Schmelz- und der Wärmeeinflusszone der Schweißverbindung beim Thermit-Schweißen. Dazu werden reduzierte Modelle vorgestellt, darunter ein niederdimensionales Modell des Schienenstegs und dreidimensionale Modelle des Gießsystems für das Schweißverfahren. Mit dem niederdimensionalen Modell werden mittels Parameterschätzung unbekannte Randbedingungen der Vorwärmung des Gießsystems ermittelt sowie mittels Sensitivitätsanalyse systematisch Einflüsse auf die Schmelz- und die Wärmeeinflusszone untersucht. Durch den systematischen Vergleich der vorgestellten Modelle werden Gültigkeitsgrenzen der Modelle gezielt auf die Modellreduktionen zurückgeführt und über die Modelle hinausgehende Aspekte für die Beschreibung des Schmelz- und Erstarrungsverhaltens identifiziert. Dabei wird die Validität der Modelle anhand von experimentellen Daten der Schmelz- und der Wärmeeinflusszone im Schienenlängsschnitt untersucht. This dissertation aims at providing a valid and efficient prediction of the melting zone and heat-affected zone of thermite welds. For this purpose, reduced models are presented, including a low-dimensional model of the rail web and three-dimensional models of the casting system for the welding process. With the low-dimensional model, unknown boundary conditions of the preheating of the casting system are determined by means of parameter estimation and influences on the melting zone and the heat-affected zone are systematically examined by means of a sensitivity analysis. By a systematic comparison of the models presented, the validity limits of the models are specifically traced back to the model reductions and aspects beyond these models for the description of the melting and solidification behavior are identified. The validity of the models is examined on the basis of experimental data from the melting zone and the heat-affected zone in the longitudinal section of the rails.

Dropwise condensation, which collects the condensate liquid in the form of droplets, has attracted a growing interest due to much higher heat transfer coefficient. One important and challenging issue in dropwise condensation is the presence of non-condensable gas (NCG) which drastically reduces its heat transfer performance. Concerning the mechanism understanding, this thesis is aiming to investigate dropwise condensation in case of NCG by combing different methods. Firstly, convective dropwise condensation out of moist air is experimentally investigated under controllable conditions. In modeling, some crucial aspects are reasonably captured: the coupled heat and mass transfer during droplet growth by a multi-scale droplet growth model; the inter-droplet interaction defined by a distributed point sink method; the enhancement of the convective mass transfer using the droplet Sherwood number. Furthermore, a multi-component multi-phase thermal pseudopotential-based LB model is developed to advance the directly numerical simulation of dropwise condensation.

The aluminothermic (AT) process utilises a self-propagating high-temperature synthesis (SHS) type reaction for producing primarily thermite steel and alumina slag at high temperatures during the welding of rails. In this work, an investigation on the early stages of the aluminothermic process, the separation of AT reaction products and mould filling has been carried out, using both experimental and computational methods to predict the time duration of a complete separation and to obtain a better understanding of the internal multiphase flow within the crucible and mould. The decomposition of AT reaction products after the combustion and the subsequent mould filling by thermite steel and alumina slag have been simulated numerically, using a diffusive phase field and volume-of-fluid model. However, to minimize numerical errors on the input parameters of the high- temperature multiphase flow, a careful review on transport properties has been made. Missing data, e.g. the contact angle of thermite steel on waterglass-bonded mould and crucible wall material has been investigated experimentally. Being further necessary for the prediction of the separation time of AT reaction products in compacted thermite, results on the propagation front velocity show a decreasing trend with increasing initial compact temperature. Further, the combustion front velocity is used for a subsequent analysis of the separation time, which is obtained from the phase distribution of thermite steel, alumina slag and intermetallic compounds, using a combustion front quenching (CFQ) methodology. Moreover, geometric modifications on the crucible and mould have been developed for a reduction in changeover time, as well as an optimized multiphase flow field. Their performance during crucible discharge and mould filling has been verified numerically. Furthermore, alumina slag inclusions have been tracked within the mould using a volume-of-fluid approach with their final positions being verified through an authentic welding. Während des aluminothermischen (AT) Prozesses findet eine SHS-Reaktion Anwendung, um primär Thermitstahl und Aluminiumoxidschlacke bei hohen Temperaturen für das Verschweißen von Bahnschienen herzustellen. In dieser Arbeit wurden Anfangsstadien, welche die Separation der AT-Reaktionsprodukte sowie das Füllen der Gießform einbeziehen, unter Anwendung von sowohl experimentellen als auch numerischen Verfahren untersucht. Damit konnte die Zeitdauer einer kompletten Separation ermittelt und ein genaueres Verständnis der Mehrphasenströmung in Tiegel und Gießform erlangt werden. Die Separation der AT-Reaktionsprodukte nach der aluminothermischen Reaktion und die anschließende Formfüllung wurden mit einem diffusen Phasenfeld und einem Volume-of-Fluid-Modell numerisch berechnet. Für die Minimierung numerischer Fehler in den Eingangsgrößen dieser Hochtemperatur-Mehrphasenströmungen wurde eine intensive Literaturrecherche durchgeführt und fehlende Parameter, wie zum Beispiel die Kontaktwinkel von Thermitstahl auf Wasserglas gebundenem Form- und Tiegelmaterial, wurden experimentell ermittelt. Messungen der Reaktionsfrontgeschwindigkeit in gepresstem Thermit sind notwendig für eine Vorhersage der Separationszeit der AT-Reaktionsprodukte, und die Ergebnisse zeigen einen linear abfallenden Trend mit zunehmender Anfangstemperatur des verdichteten Materials. In dieser Arbeit wurde die Geschwindigkeit der Reaktionsfront verwendet, um aus der Phasenverteilung von Thermitstahl, Aluminiumoxidschlacke und intermetallischen Verbindungen als Ergebnis des CFQ-Experimentes die Separationszeit in verdichtetem Thermit zu approximieren. Es wurden Modifikationen an Tiegel und Gießform erprobt, die für eine Verbesserung der internen Strömungsführung sowie für die Reduzierung der Umrüstzeit sorgen sollen. Die Effizienz dieser Veränderungen wurde anschließend mit numerischen Methoden überprüft. Des Weiteren konnten durch eine Realschweißung die numerisch vorhergesagten finalen Positionen von Schlackeeinschlüssen innerhalb der Gießform verifiziert werden.

The purpose of this study is to investigate forced convection of air through open cell foams. It can be numerically investigated either by implementing the time efficient macroscopic models or computationally expensive microscopic models. However, during the course of this study, it was observed that the macroscopic models are not sufficient for determining the desired key parameters. Nevertheless, it is still possible that these macroscopic models can be used to design an application accurately with minimum time efforts if the concerned key parameters are already known through other means. Accordingly, in this work, a methodology is developed to determine the desired key parameters by implementing the microscopic models, which are further used into the macroscopic models for designing different applications. To validate the proposed methodology, a set of steady state and transient forced convection experiments were performed for a set of ceramic foams having different pore diameter (10−30 PPI) and porosity (0.79−0.87) for a superficial velocity in the range of 0.5−10 m/s.

The potential of flexible micro pillars for measuring near wall flow phenom- ena was theoretically and experimentally investigated. The bending of the micro pillars is a measure for the local wall shear stress (WSS) or a visualisa- tion of near wall flow phenomena. Polydimethylsiloxane (PDMS) was chosen as material for the sensor. Within the thesis the experimental work with the shear stress sensor mainly has the focus on the transition to turbulence. Closely connected are improvements of the measurement techniques. The transition is thereby investigated qualitatively and quantitatively. Another huge part of the thesis was the improvement of the reliability of the manu- facturing process of the micro pillars. For this purpose new manufacturing methods for single pillars and pillar arrays have been tested. Further on, dif- ferent detection methods for capturing the bending of the pillar were tested, too. The measurements of the transitional flow were performed at flat plate boundary layer in an oil channel. Ondina 913 was used as test fluid. The physical properties of the PDMS changed dramatically while longer exposed to Ondina 913. Hence, it was unfeasible to receive reproducible quantita- tive results. Better results were achieved if the pillars are used as flexible micro tufts revealing the flow and WSS topology directly at the wall quali- tatively. With the pillar sensor it was possible to detect turbulent spots in the transitional state of the flat plate boundary layer. Furthermore, coherent structures and their typical sign in the viscous sublayer could be identified and the occurrence of critical points and back flow could be experimentally verified.

Fernkälte bietet das Potenzial, wirtschaftlich und ökologisch vorteilhaft zur Deckung des stetig zunehmenden Klimakältebedarfs beizutragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein dynamisches thermohydraulisches Netzmodell „ISENA“ entwickelt, mit dem während der Planung und des Betriebs von Fernkältesystemen auftretende Fragen, beispielsweise in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz, beantwortet werden können. Das Netzmodell setzt sich aus einem quasistationären hydraulischen Modell und einem instationären thermischen Modell zusammen, das auf der Verfolgung von Wasserpfropfen durch das gesamte Netz basiert (Lagrange-Ansatz). Mit diesem Modellierungsansatz können numerische Fehler sowie Bilanzungenauigkeiten vermieden werden, sodass sich eine höhere Ergebnisgüte im Vergleich zu bisher bekannten Netzmodellen erreichen lässt. Ebenfalls neu entwickelt wurde das Teilmodell zur Abbildung der Wärmeströme über die Wände unterirdischer Rohrpaare (Kälteverluste und -gewinne). Dieses Modell erlaubt die Bestimmung der instationären Rohrwand-Wärmeströme für wärmegedämmte unterirdische Rohrpaare, Rohrpaare mit gedämmtem Vor- und ungedämmtem Rücklauf sowie ungedämmte Rohrpaare. Anhand von Validierungs- und Verifikationsrechnungen wird gezeigt, dass ISENA verlässliche Ergebnisse liefert und für die praktische Anwendung geeignet ist. Abschließende Beispielrechnungen geben einen Einblick in die Untersuchungsmöglichkeiten, die das neue Modell bietet – unter anderem im Hinblick auf den Vergleich von Pumpenregelungsvarianten, den Einfluss von Rohrdämmung und Erdreicheigenschaften auf Kälteverluste und -gewinne sowie die Einbindung von Hochtemperatur-Kälteverbrauchern in den Netzrücklauf.:1 Einleitung 1.1 Situation 1.2 Aufbau und Betrieb von Fernkältesystemen 1.3 Netzmodellierung und -simulation 1.4 Präzisierte Aufgabenstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Begriffe und Definitionen 2.2 Rohrleitungen 2.2.1 Technik 2.2.2 Modellierung 2.3 Peripherie 2.3.1 Kälteabnehmer 2.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 2.3.3 Erzeuger 2.3.4 Pumpen 2.3.5 Bypass 2.4 Netz 2.4.1 Netzstruktur 2.4.2 Hydraulisches Verhalten 2.4.3 Thermisches Verhalten 2.4.4 Beispielsysteme 2.5 Zwischenfazit 3 Modellerstellung 3.1 Grundlagen 3.2 Rohrleitungen 3.2.1 Hydraulisches Rohrmodell 3.2.2 Modellierung des Rohrwand-Wärmestroms 3.2.3 Thermisches Rohrmodell 3.3 Peripherie 3.3.1 Kälteabnehmer 3.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 3.3.3 Erzeuger 3.3.4 Pumpen 3.3.5 Bypass 3.3.6 Rücklaufabnehmer 3.4 Netz 3.4.1 Hydraulisches Modell 3.4.2 Thermisches Modell 3.4.3 Gesamtmodell 3.5 Programmtechnische Umsetzung 4 Modellvalidierung und -verifikation 4.1 Vorbetrachtungen 4.2 Kernmechanismen 4.2.1 Hydraulik 4.2.2 Konvektiver Energietransport 4.2.3 Wärmeübertragung über die Rohrwand 4.2.4 Wärmezufuhr bei Kälteabnehmern 4.3 Schlussfolgerungen 5 Beispielsimulationen 5.1 Vorgaben 5.2 Referenzfall 5.3 Varianten 5.3.1 Pumpenregelung 5.3.2 Netz-Vorlauftemperatur 5.3.3 Rohrgeometrie und Erdreicheigenschaften 5.3.4 Rücklaufabnehmer 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A Existierende Modelle A.1 Hydraulikberechnung mit Regelelementen A.2 Rohrwand-Wärmeströme A.3 Freie Konvektion bei Stillstand im Rohr B Numerisches Modell für Rohrwand-Wärmeströme B.1 Referenzmodell B.2 Bestimmung der Neipor-Parameter B.3 Tabellierte Neipor-Parameter C Modell ISENA C.1 Pfropfenteilung C.2 Programmtechnische Umsetzung C.3 Rohrklassen C.4 Stoffdaten District cooling can provide economic and ecological benefits while supplying the increasing cooling demand for air conditioning. In the present thesis, a dynamic thermo-hydraulic model “ISENA” is presented which may be used in order to answer questions arising during design and operation of district cooling networks—e. g., that are related to economic and energy efficiency. The network model consists of a quasi-static hydraulic module and a transient thermal module being based on the tracking of water segments through the entire network (Lagrangian method). With this approach, numerical errors and inaccuracies in the balance of conserved quantities could be avoided, which eventually leads to a better reliability of the results as compared to that obtained from other network models. Additionally, a new sub-model has been developed for predicting the transient heat flux through the walls of buried pipes in order to model thermal gains and losses. This model covers un-insulated, insulated and combinations of insulated as well as un-insulated pipes. Calculations performed for the purpose of validation and verification are presented in order to demonstrate that ISENA provides reliable results and hence is suitable for practical applications. Finally, example simulations show the various possibilities provided by the new model—for example, concerning the comparison of different strategies for pump control, the influence of pipe insulation and soil properties on thermal gains and losses as well as the connection of buildings equipped with high temperature cooling systems to the return line of the network.:1 Einleitung 1.1 Situation 1.2 Aufbau und Betrieb von Fernkältesystemen 1.3 Netzmodellierung und -simulation 1.4 Präzisierte Aufgabenstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Begriffe und Definitionen 2.2 Rohrleitungen 2.2.1 Technik 2.2.2 Modellierung 2.3 Peripherie 2.3.1 Kälteabnehmer 2.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 2.3.3 Erzeuger 2.3.4 Pumpen 2.3.5 Bypass 2.4 Netz 2.4.1 Netzstruktur 2.4.2 Hydraulisches Verhalten 2.4.3 Thermisches Verhalten 2.4.4 Beispielsysteme 2.5 Zwischenfazit 3 Modellerstellung 3.1 Grundlagen 3.2 Rohrleitungen 3.2.1 Hydraulisches Rohrmodell 3.2.2 Modellierung des Rohrwand-Wärmestroms 3.2.3 Thermisches Rohrmodell 3.3 Peripherie 3.3.1 Kälteabnehmer 3.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 3.3.3 Erzeuger 3.3.4 Pumpen 3.3.5 Bypass 3.3.6 Rücklaufabnehmer 3.4 Netz 3.4.1 Hydraulisches Modell 3.4.2 Thermisches Modell 3.4.3 Gesamtmodell 3.5 Programmtechnische Umsetzung 4 Modellvalidierung und -verifikation 4.1 Vorbetrachtungen 4.2 Kernmechanismen 4.2.1 Hydraulik 4.2.2 Konvektiver Energietransport 4.2.3 Wärmeübertragung über die Rohrwand 4.2.4 Wärmezufuhr bei Kälteabnehmern 4.3 Schlussfolgerungen 5 Beispielsimulationen 5.1 Vorgaben 5.2 Referenzfall 5.3 Varianten 5.3.1 Pumpenregelung 5.3.2 Netz-Vorlauftemperatur 5.3.3 Rohrgeometrie und Erdreicheigenschaften 5.3.4 Rücklaufabnehmer 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A Existierende Modelle A.1 Hydraulikberechnung mit Regelelementen A.2 Rohrwand-Wärmeströme A.3 Freie Konvektion bei Stillstand im Rohr B Numerisches Modell für Rohrwand-Wärmeströme B.1 Referenzmodell B.2 Bestimmung der Neipor-Parameter B.3 Tabellierte Neipor-Parameter C Modell ISENA C.1 Pfropfenteilung C.2 Programmtechnische Umsetzung C.3 Rohrklassen C.4 Stoffdaten

Liquid film flow is an important flow type in many applications of process engineering. For supporting experiments, theoretical and numerical investigations are required. The present state of the art is to model the liquid film flow with Navier--Stokes-based methods, whereas the lattice Boltzmann method is employed here. The final model has been developed within this treatise by means of a two-phase flow and a heat transfer model, and boundary and initial conditions. All these sub-models have been applied to simple test cases. It could be found that the two-phase model is capable of solving flow phenomena with a large density ratio which has been shown impressively in conjunction with wall boundary conditions. The heat transfer model was tested against spectral method results with a transient non-uniform flow field. It was possible to find optimal parameters for computation. The final model has been applied to steady-state film flow, and showed very good agreement to OpenFOAM simulations. Tests with transient film flow demonstrated that the model is also able to predict these flow phenomena. Flüssigkeitsfilmströmungen kommen in vielen verfahrenstechnischen Prozessen zum Einsatz. Zur Unterstützung von Experimenten sind theoretische und numerische Untersuchungen nötig. Stand der Technik ist es, Navier--Stokes-basierte Modelle zu verwenden, wohingegen hier die Lattice-Boltzmann-Methode verwendet wird. Das finale Modell wurde unter Verwendung eines Zweiphasen- und eines Wärmeübertragungsmodell entwickelt und geeignete Rand- und Anfangsbedingungen formuliert. Alle Untermodelle wurden anhand einfacher Testfälle überprüft. Es konnte herausgefunden werden, dass das Zweiphasenmodell Strömungen großer Dichteunterschiede rechnen kann, was eindrucksvoll im Zusammenhang mit Wandrandbedingungen gezeigt wurde. Das Wärmeübertragungsmodell wurde gegen eine Spektrallösung anhand eines transienten und nichtuniformen Strömungsproblemes getestet. Stationäre Filmströmungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit OpenFOAM-Lösungen und instationäre Berechungen bewiesen, dass das Model auch solche Strömungen abbilden kann.

One elementary part of a centrifugal compressor is the volute, which is located downstream the impeller. Its purpose is to collect the flow and increase the static pressure by converting kinetic energy into potential energy. Despite its significant effect onto the design point and operating range of the compressor, the number of publications regarding this component is quite small. Therefore, a numerical optimization of the volute housing is performed in order to identify important geometric parameters and find an optimal volute geometry. For this purpose, a new density-based CFD solver for all Mach numbers is developed as well as an automated geometry generation tool for the volute housing. The results show, that a volute with an inlet eccentricity of 0.9 and a slightly lower radial volute channel offers the best compressor efficiency. Moreover, the actual cross-sectional shape of the volute has only a minor influence onto the performance. As a result, the isentropic efficiency could be improved by up to 2 % compared to the reference compressor model, in particular at high off-design flow rates. These results are a novelty in the scientific community and help to design more efficient compressors. Das Spiralgehäuse eines Radialverdichters wird im Gegensatz zum Laufrad kaum in wissenschaftlichen Arbeiten untersucht. Um wichtige Geometrieparameter und Einflussfaktoren dieses Bauteils zu identifizieren, wird daher eine Optimierung mittels genetischer Algorithmen durchgeführt. Dazu wird zunächst ein dichte-basierter CFD-Löser entwickelt und validiert, um die komplexe Strömung in einem Radialverdichter mit hoher Genauigkeit simulieren zu können. Darauf aufbauend wird das Spiralgehäuse parametrisiert und ein Programm entwickelt, welches die komplexe Geometrie automatisiert erstellt. Durch die neuartige Kombination von numerischer Optimierung, automatisierter Geometrieerstellung und CFD-Simulation des Spiralgehäuses können erstmals Aussagen zur optimalen Geometrie sowie über Verlusteffekte für eine Vielzahl an Geomtrievarianten getroffen werden. Mit Hilfe dieses Wissens können sparsamere und effizientere Radialkompressoren für viele Bereiche des Maschinenbaus entwickelt werden.

Zellulare metallische Strukturen zeichnen sich durch ihre hohe Porosität und ihre komplexe geometrische Struktur aus. Dadurch ist die Bestimmung ihrer Wärmeleitfähigkeit eine komplizierte und aufwändige Messaufgabe. Für die vorliegende Arbeit wurden Materialien ausgewählt, die sich im Grundmaterial, in der Herstellungsmethode und im strukturellen Aufbau unterscheiden. Dabei wurden Materialien mit unterschiedlicher Porosität und Porengröße untersucht. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde mit drei unterschiedlichen Messverfahren bestimmt. Die Messungen wurden bei normalem Druck bei Raumtemperatur und für ausgewählte Materialien bis maximal 800 °C durchgeführt. Dabei wurden die Bedingungen für die optimale Durchführung der Messungen und die Probleme jedes Verfahrens herausgearbeitet. Daraus wurden Empfehlungen für die optimale Messungsdurchführung abgeleitet. Die gewonnenen Messergebnisse wurden miteinander, mit Werten aus der Literatur und mit vorhandenen mathematischen Modellen verglichen.

Die experimentellen Untersuchungen zur Strömungs-Struktur-Interaktion kommen zu folgenden Ergebnissen. Die als entrainment bezeichnete Verhaltensweise von Fischen kann durch den gezielten Ausgleich von Auftriebs-, Widerstands- und einer erstmals nachgewiesenen Saugkraft und der damit verbundenen Reduzierung der lokomotorischen Energie erklärt werden. Des Weiteren zeigen die Experimente an einer wellenförmig bewegten Oberfläche, dass die Strömung an einem Wellenberg zyklisch zwischen laminarem und turbulentem Regime wechselt und dass diese Oszillation zur Reduzierung des Form- und Gesamtwiderstandes der geschleppten Oberfläche führt. Dünne, flexible Häutchen hairy flaps an der Rückseite eines Zylinders führen zu einer Änderung der Struktur der Wirbelablösung an diesem. Dadurch wird sowohl die auf den Zylinder wirkende Auftriebskraft als auch die Widerstandskraft um bis zu 65% reduziert. Für die Interaktion zwischen der Strömung um zwei hintereinander positionierte elastische Zylinder und ihrer Kinematik konnte die Synchronisierung (lock-in) ihrer Bewegung mit einer verbundenen Zerstörung der Wirbelstraße hinter dem zweiten Zylinder gezeigt werden.:Zusammenfassung 1 Conclusions 7 1. Einleitung und Zielsetzung 11 2. Messtechnische Grundlagen 17 2.1. Klassische Particle Image Velocimetry 18 2.2. Scanning Particle Image Velocimetry 20 2.3. Mirror Particle Tracking Velocimetry 21 2.4. Druckberechnung 35 3. Hydrodynamisches Modell des entrainments 37 3.1. Stand der Forschung 38 3.2. Experimenteller Aufbau 42 3.3. Ergebnisse 44 3.4. Zusammenfassung 51 4. Undulatorisch bewegte Oberflächen 53 4.1. Stand der Forschung 54 4.2. Mechanisches Modell 57 4.3. Experimenteller Aufbau 61 4.4. Ergebnisse 65 4.5. Zusammenfassung 74 5. Selbstadaptive elastische Klappen - hairy flaps 77 5.1. Stand der Forschung 78 5.2. Experimenteller Aufbau 82 5.3. Ergebnisse 86 5.4. Zusammenfassung 107 6. Umströmung stumpfer elastischer Körper 109 6.1. Stand der Forschung 110 6.2. Experimenteller Aufbau 116 6.3. Ergebnisse 120 6.4. Zusammenfassung 128 7. Ausblick 131 Abbildungsverzeichnis 135 Tabellenverzeichnis 141 Symbolverzeichnis 142 Literaturverzeichnis 146 A. Anhang 155 The experimental investigations presented herein explain the behavioural adaptation of fish called entrainment for the first time. The results confirm a balance of lift-, drag- and a suction-force, explaining the reduction of locomotive energy. Furthermore, flow measurements around an undulating membrane affirm an oscillation between laminar and turbulent flow over one period of the motion and that this oscillation decreases the pressure- and drag-force of the towed membrane. Experiments on thin and flexible flaps attached at the lee-side of a cylinder, show that the flaps alter the natural vortex separation cycle in such a way that the vortices do not shed in a staggered side-by-side arrangement but in line in a row with the cylinder wake axis. Thus, flow fluctuations are reduced by 42% in stream-wise - and 35% in transversal direction at best, compared to a reference case without hairy-flaps. Finally, investigations on the flow around and on the kinematics of two flexible cylinders in a tandem arrangement demonstrate a synchronisation of their motion (lock-in), resulting in the destruction of the vortex-street behind the second cylinder.:Zusammenfassung 1 Conclusions 7 1. Einleitung und Zielsetzung 11 2. Messtechnische Grundlagen 17 2.1. Klassische Particle Image Velocimetry 18 2.2. Scanning Particle Image Velocimetry 20 2.3. Mirror Particle Tracking Velocimetry 21 2.4. Druckberechnung 35 3. Hydrodynamisches Modell des entrainments 37 3.1. Stand der Forschung 38 3.2. Experimenteller Aufbau 42 3.3. Ergebnisse 44 3.4. Zusammenfassung 51 4. Undulatorisch bewegte Oberflächen 53 4.1. Stand der Forschung 54 4.2. Mechanisches Modell 57 4.3. Experimenteller Aufbau 61 4.4. Ergebnisse 65 4.5. Zusammenfassung 74 5. Selbstadaptive elastische Klappen - hairy flaps 77 5.1. Stand der Forschung 78 5.2. Experimenteller Aufbau 82 5.3. Ergebnisse 86 5.4. Zusammenfassung 107 6. Umströmung stumpfer elastischer Körper 109 6.1. Stand der Forschung 110 6.2. Experimenteller Aufbau 116 6.3. Ergebnisse 120 6.4. Zusammenfassung 128 7. Ausblick 131 Abbildungsverzeichnis 135 Tabellenverzeichnis 141 Symbolverzeichnis 142 Literaturverzeichnis 146 A. Anhang 155

Der Gegenstand dieser Arbeit ist eine neue Optimierungsmethode zur Minimierung der Produktkosten von Kraftwerksprozessen ohne und mit nachgeschalteten Anwendungen. Diese Methode, die Planern und Projektanten als Werkzeug zur Auslegung von Kraftwerken dienen soll, wird erläutert und exemplarisch zur Optimierung eines ausgewählten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes verwendet. Im Rahmen der Untersuchungen werden dabei zwei Varianten betrachtet: Der Kraftwerksentwurf/-betrieb ohne und mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen. Beim Kraftwerksentwurf/-betrieb mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen wird das Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einer nachgeschalteten hybriden Meerwasserentsalzungsanlage verknüpft. Zur Identifizierung der jeweils zu optimierenden Komponenten/Parameter werden bei der neuen Methode Elemente der thermo- bzw. exergoökonomischen Analyse und der Sensitivitäts- und Trendlinienanalysen verwendet. Die Optimierung selbst folgt dem Koordinatenverfahren nach Gauß und Seidel. Anhand der Optimierungsergebnisse und der Kriterien ’Auswahl/Beitrag der Komponenten/Parameter’ sowie ’Rechenumfang’ wird die neue Optimierungsmethode mit bekannten thermo- bzw. exergoökonomischen Optimierungsmethoden (Quadranten-/Matrix-Methode, thermo-/exergoökonomische Kennzahlen-Methode) verglichen und bewertet. Zur Ergebnisdiskussion werden Parameterstudien erstellt. Abschließend werden Empfehlungen zur Gestaltung des untersuchten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes gegeben und Ansätze für weiterführende Forschungsarbeiten in der Kraftwerkstechnik abgeleitet.

In dieser numerischen Arbeit wurden Lamellenrohr-Wärmeübertrager mit ovalen, flachen und kreisförmigen Rohren in versetzter Anordnung untersucht. Dabei wurde die Strömungsgeschwindigkeit, der Lamellenabstand und die Rohrreihenzahl variiert und ihre Wirkung auf den Wärmeübergang und den Druckverlust beobachtet. Neben der globalen Auswertung wurden die lokalen Vorgänge untersucht und dargestellt. Es wurden Korrelationen für den Wärmeübergang und den Druckverlust auf der Grundlage der Verwendung der numerischen Ergebnisse aufgestellt.

Im Rahmen der verfassten Dissertation wurde der Zerfall eines Flüssigkeitsstrahles untersucht, dessen Austrittsgeschwindigkeit durch periodische Geschwindigkeitsschwankungen moduliert wurde. Dabei konnten Phänomene beobachtet werden, die sich in neun Kategorien klassifizieren lassen. In dem relevanten fünfparametrigen dimensionslosen Raum konnten alle beobachteten Phänomene gegeneinander abgegrenzt werden. Soweit dies möglich war, wurden die Lage bzw. der Verlauf der Grenzen quantitativ bestimmt. Anhand dieser Grenzen konnten die relevanten Einflussgrößen auf die entstehenden Strahlstrukturen beschrieben werden. Es konnten Aussagen bezüglich der Entstehungsmechanismen gemacht werden. Die Untersuchungen wurden durch Auswertung der experimentell ermittelten Daten sowie durch numerische Berechnungen vorgenommen.

A three-dimensional numerical study is performed to investigate the heat transfer and pressure drop performance on the air-side of circular finned tube bundles in cross flow. New heat transfer and pressure drop correlations for the air-cooled heat exchangers have been developed with the Reynolds number ranging from 5000 to 70000. The heat transfer and pressure drop results agree well with several existing experimental correlations. In addition, the influence of the geometric parameters on the heat transfer and pressure drop are studied in detail and their results discussed. The numerical flow visualization results for the boundary layer developments, horseshoe vortex system, and local velocity and temperature distributions are presented.

Wärmeleitfähigkeiten von Dämmstoffen, die mit verschiedenen Verfahren gemessen wurden, zeigen in vielen Fällen Differenzen, deren Ursachen bisher nicht eindeutig geklärt werden konnten. In der Arbeit werden die Ergebnisse der systematischen experimentellen Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit von isotropen und anisotropen Dämmstoffen mit verschiedenen stationären und instationären Messverfahren im Temperaturbereich 20 – 1200 °C dargestellt. Mit Hilfe numerischer Simulationsmodelle werden Fehlerquellen an ausgewählten stationären Messapparaturen analysiert. Unter Beachtung materialbedingter Schwankungen und von Veränderungen der Materialien unter Temperaturbelastung zeigen sich beim Vergleich der Messergebnisse keine systematischen Unterschiede zwischen den verwendeten Verfahren. Es werden Empfehlungen zur Auswahl geeigneter Messverfahren abgeleitet, die neben der Probenpräparation speziell die Isotropie / Anisotropie der verschiedenen Dämmstoffe berücksichtigen.

Die Integral-Differentialgleichung zur Beschreibung des Energietransports der gekoppelten Strahlung/Leitung in einem grauen, absorbierenden und emittierenden, von zwei koaxial zylindrischen Oberflächen begrenzten Medium wird mit der Methode der Finiten Differenzen numerisch gelöst, um Strahlungseffekte bei instationären Heizdrahtmessungen an porösen Wärmedämmstoffen theoretisch zu analysieren. Der Einfluss des Extinktionskoeffizienten des Probenmediums, der Emissivität des Heizdrahtes, der Messtemperatur, der Heizleistung und des thermischen Kontaktwiderstandes wird untersucht. Aufgrund der Berechnungsergebnisse wird die effektive Wärmeleitfähigkeit poröser Wärmedämmstoffe unterbestimmt, wenn deren Extinktionskoeffizienten klein sind. Die Untergrenze des erlaubten Extinktionsbereiches verschiebt sich zu größeren Werten mit zunehmender Messtemperatur. Der thermische Kontaktwiderstand bedeutet eine Verfälschungsgefahr von Messergebnissen, insbesondere wenn der Heizdraht stark emittiert und die Probenoberfläche reflektiert.