Zugl.: Aachen, Techn. University, Diss., 2009.

In der Technik des Metallgusses spielt das Coldbox-Verfahren eine bedeutende Rolle. Mit ihm werden die Kerne für Gießformen hergestellt und die stellen nach dem Gießprozess die innere Kontur eines hohlen Gusserzeugnisses dar. Die Verfestigung gebundener Formstoffe im Sandkern geschieht infolge der Durchströmung eines mit gasförmigem Katalysator versetzten Luftstromes. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Etappen des Modellierungsprozesses und deren Methode festgelegt, die den obigen technischen Prozess abbilden. Der Modellierungsprozess beinhaltet ein mathematisches und numerisches Modell. Das numerische Modell wurde mit Hilfe von FEM und objektorientierter Programmiertechnik in C++ gelöst. Außerdem wurde die Wirkung der geometrischen Gestalt und der heterogenen Porosität auf die Durchströmung des porösen Systems mit parallel ablaufender Stoffübertragung einer Modellierung unterzogen.

Beim Kammer-Pfeiler-Abbauverfahren auf flach einfallende Kaliflöze wird die Stabilität der Kammerfirsten von einer Reihe naturgegebener sowie technischer Faktoren beeinflusst, die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden. Ausgewählte Einflussfaktoren wie Lage und Eigenschaften von Löserflächen, die Firstankerung, Stoffgesetze für die Salzgesteine sowie die Firstwölbung werden darüber hinaus mit Hilfe numerischer Parametervariationsrechnungen unter Nutzung eines Finite-Differenzen-Programms und einer vergleichenden Ergebnisauswertung untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Firstankerung, wobei das tatsächliche elasto-plastisch-verfestigende Materialverhalten heutiger Ankerstähle numerisch umgesetzt wird, Ankervorspannkräfte sowie der Ankersetzzeitpunkt variiert werden und der Einfluss unterschiedlicher Teufen auf das Anker- und Firstverhalten herausgearbeitet wird. Durch die Untersuchungen werden die Modellvorstellungen über die Ankerwirkung bei dünnmächtig ausgebildetem unmittelbarem Kammerhangenden gefestigt, es werden Verformungsreserven bei dem verwendeten Ankerstahl „Bergbau – GEWI – Stahl ST 450 / 700“ aufgedeckt und insgesamt zeigen die numerischen Untersuchungsergebnisse, dass die bisher in der Praxis angewandte Verfahrensweise zur Erzielung stabiler Firstverhältnisse in der Gewinnungsphase als geeignet anzusehen ist.

The aim of this research work is to deepen the understanding of joint shear behavior under different boundary conditions. For this purpose, joint closure tests under quasi-static and dynamic conditions, direct shear and cyclic shear tests under CNL and DNL boundary conditions of plane joints are performed using GS-1000 big shear box device. The dissertation also presents the procedure to simulate the shear box device and simulating the behavior of plane joints at the micro-scale using FLAC3D. Special attention has been given to understand the influencing factors of the normal stress level, direct shear rate, horizontal cyclic shear frequency, normal impact frequency, horizontal cyclic shear displacement amplitude and vertical impact force amplitude. Lab test and numerical simulation results show that the quasi-static joint stiffness increases with increasing normal force. Dynamic joint stiffness decreases with increasing superimposed normal force amplitudes. Normal impact frequencies have little influence on the joint stiffness. Rotations and stress changes at the plane joint during shearing are proven. Rotations and development of stress gradients can be decreased significantly by increasing the size of the bottom specimen and applying a shear velocity at the upper shear box and normal loading piston. Furthermore, peak shear force increases with increasing normal force. Friction angle of cyclic shear tests is smaller than that of direct shear tests. Moreover, significant time shifts between normal and shear force (shear force delay), normal force and friction coefficient (friction coefficient delay) during direct shear tests under DNL boundary conditions are observed and the reference quantity ‘shear-velocity-normal-impact-frequency’ (SV-NIF) to describe the behavior under DNL boundary conditions is defined. Peak shear force and minimum friction coefficient increase with increasing SV-NIF. Relative time shift between normal force and shear force decreases with increase of SV-NIF. The mechanical behavior of the GS-1000 big shear box device is simulated and the loss of normal force caused by the tilting of the loading plate is quantified. Finally, the novel direct and cyclic shear strength criterions under DNL conditions are put forward. The shear strength criterions are in close agreement with the measured values, which indicates that the novel shear strength criterions are able to predict the shear strength under DNL conditions.

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.

Erstmalig wird das Forschungsziel, für Magnesiumfeinblech einen experimentell validierten, gefüge- und mechanismenbasierten Parametersatz für die numerische Verformungs- und Schädigungssimulation unter Berücksichtigung der anisotropen Verfestigung zu ermitteln, erreicht. Damit wird dem ansteigenden Bedarf anwendungsrelevanter Werkstoffmodelle für die Entwicklung von Mg-Blechbauteilen entgegengekommen. Besonders die Formulierung von gekoppelten Schädigungsmodellen scheitert bis jetzt an der lückenhaften experimentellen Ermittlung von Schädigungsparametern. Daher sieht die vorliegende Arbeit vor, ein numerisches Modell für die Anwendung in der FEM-Simulation zur Verfügung zu stellen. Es wurden speziell für Feinblech relevante Charakterisierungsmethoden für die Parametrisierung eines gekoppelten Schädigungsmodells unter Berücksichtigung der Orthotropie eingesetzt. Die Anwendung erfolgte anhand von 1,0 mm dünnem AZ31 Feinblech eines über das Gießwalzverfahren mit anschließendem Warmwalzprozess hergestellten Coils. / For the first time the research goal of determining an experimentally validated, microstructureand mechanism-based parameter set for the numerical deformation and damage simulation under consideration of anisotropic hardening has been achieved for magnesium thin sheet. This will meet the increasing demand for application-relevant material models for the development of Mg sheet metal components. In particular, the formulation of coupled damage models has so far failed due to the incomplete experimental determination of damage parameters. Therefore, the present thesis provides a numerical model for the application in FEM simulation. Characterization methods relevant for thin sheet metal were used for the parameterization of a coupled damage model under consideration of the orthotropy. The application was based on 1.0 mm thin AZ31 sheet metal of a coil produced by the twin-roll casting process with subsequent hot-rolling process.

Beim Kammer-Pfeiler-Abbauverfahren auf flach einfallende Kaliflöze wird die Stabilität der Kammerfirsten von einer Reihe naturgegebener sowie technischer Faktoren beeinflusst, die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden. Ausgewählte Einflussfaktoren wie Lage und Eigenschaften von Löserflächen, die Firstankerung, Stoffgesetze für die Salzgesteine sowie die Firstwölbung werden darüber hinaus mit Hilfe numerischer Parametervariationsrechnungen unter Nutzung eines Finite-Differenzen-Programms und einer vergleichenden Ergebnisauswertung untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Firstankerung, wobei das tatsächliche elasto-plastisch-verfestigende Materialverhalten heutiger Ankerstähle numerisch umgesetzt wird, Ankervorspannkräfte sowie der Ankersetzzeitpunkt variiert werden und der Einfluss unterschiedlicher Teufen auf das Anker- und Firstverhalten herausgearbeitet wird. Durch die Untersuchungen werden die Modellvorstellungen über die Ankerwirkung bei dünnmächtig ausgebildetem unmittelbarem Kammerhangenden gefestigt, es werden Verformungsreserven bei dem verwendeten Ankerstahl „Bergbau – GEWI – Stahl ST 450 / 700“ aufgedeckt und insgesamt zeigen die numerischen Untersuchungsergebnisse, dass die bisher in der Praxis angewandte Verfahrensweise zur Erzielung stabiler Firstverhältnisse in der Gewinnungsphase als geeignet anzusehen ist.

Diese Arbeit stellt einen Beitrag zur Modellierung der gerichteten Erstarrung von Silizium für die Photovoltaik dar. Es wurde basierend auf einem industriellen Prozesses ein Modellaufbau der Schmelze mit zwei Induktoren nach der Ähnlichkeitstheorie abgeleitet. Dieser ermöglicht, durch die Verwendung von niedrig schmelzenden Metallen, eine umfassende Messung der Strömungsgeschwindigkeiten mit Ultraschall-Velocimetrie. Basierend auf den experimen- tellen Daten wurde ein numerisches Modell zur Berechnung der Schmelzströmung unter Magnetfeldeinfluss validiert. Es wurden detaillierte Untersuchungen zu Strömungsstrukturen und beeinflussende Parameter durchgeführt, eine Methode zur Klassifizierung entwickelt und die Rotationskennzahl Ro eingeführt, mit welcher man in Abhängigkeit vom Magnetfeld und der Schmelzgeometrie die horizontale Rotation der Schmelzströmung in einem breiten Gültigkeitsbereich vorhersagen kann. Das validierte numerische Modell wurde zur Prozessoptimierung auf die Schmelzströmung des industriellen Prozesses angewendet.

Abrasivity is a characteristic property of rocks. Rock abrasivity has influence on tool wear, energy consumption and construction time and is therefore an important parameter in rock engineering. Over the years, a number of testing methods have been developed to define and quantify the abrasive potential of rocks. Due to simple design and convenient handling, Cerchar abrasivity test and its index, Cerchar abrasivity index, are most commonly used to assess the rock abrasivity. Besides the abrasivity index, various parameters can be derived from the Cerchar test thanks to the development of a special designed testing device. Diverse parameters like scratching force, applied work and specific energy can be used to estimate the cutting efficiency. Moreover, a new composite parameter named Cerchar abrasion ratio is proposed, which considers both, the wear on the stylus tip and the material removal on the rock surface and can be regarded as an indicator to evaluate the cutting effectivity. Since the development of Cerchar abrasivity test, major attentions are focused on the abrasion of the stylus, but minor attentions are paid to investigate the mechanical behavior of rocks against the action of the stylus during the scratching process. The scratch groove produced on the rock surface is observed under a scanning electron microscope. The Cerchar wear mechanism can be explained as follows: mineral grains are detached from damaged surface by fracturing after plastic deformation on stressed surface. Transition from plastic deformation-induced to cracking-induced wear are related to the rock microstructure. For the Cerchar test, various factors affecting the Cerchar abrasivity index have been studied, which can be divided into testing condition-based and geotechnical-based factors. The influence of some dominant testing condition-based factors including surface condition, testing distance and velocity on the test result is investigated by using the new designed testing device, in which the sliding distance and scratching velocity can be exactly controlled during the test. Results show that the surface condition can affect the result of Cerchar index, especially for hard and inhomogeneous rocks, while the testing distance and velocity have no obvious influence on the Cerchar index. As far as it is known, in rock mechanics, anisotropic features of rocks can affect the experimental results significantly. In the original Cerchar specification, testing procedure for stratified or foliated rocks is not specially discussed. Due to this, the influence of rock anisotropy on the Cerchar abrasivity index is investigated based on two intact metamorphic rocks of slate and gneiss. However, no significant dependency is found. Cerchar scratch test is simulated based on a quasi-homogeneous model made of sandstone with respect to its mineralogical-mechanical properties. The numerical simulation is conducted by using the discrete element method-based particle flow code of PFC3D. As a result, the simulated scratching force shows a good agreement with the experimental result. A gap between numerical and experimental studies can be attributed to the testing condition-based factors, such as rock mineralogy and microstructure, scratching velocity and depth of scratch, tool abrasion and temperature. Based on the calibrated sandstone model, numerical simulations of rock cutting are conducted under different testing conditions. The influence of tool geometry like tip shape, tip angle and tip wear, and cutting parameters including cutting velocity, depth of cut and rake angle on the cutting force and crack pattern is studied.

To uilize the shallow geothermal energy, heat pumps are often coupled with borehole heat exchangers (BHE) for heating and cooling buildings. In cold regions, soil freezing around the BHE is a potential problem which can seriously influence the underground soil temperature distribution, inlet and outlet fluid temperature of the BHE, and thus the efficiency of the whole GSHP system. The influence of the freezing process on the overall system performance is investigated by comparing different BHE configuration with and without latent heat effect from the frozen groundwater. The coefficient of performance (COP) of the heat pump will alter when freezing process in taken into account and lead to various electricity consumption. Except for the efficiency aspect, the freezing behavior can also lead to the redistribution of pore pressure and fluid flow, and in some extreme cases can even result in frost damage to the BHEs. A fully coupled thermohydro-mechanical model is required for advanced system design and scenario analyses. Based on the framework of the Theory of Porous Media, a triphasic freezing model is derived and solved with the finite element method. Ice formation in the porous medium results from a coupled heat and mass transfer problem with phase transition and is accompanied by volume expansion. The model is able to capture various coupled physical phenomena through the freezing process including the latent heat effect, groundwater flow with porosity change and mechanical deformation. With this kind of THM freezing model, we are also able to solve different kinds of engineering problem, e.g. geotechnics, construction engineering and material engineering.