Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Rühr- und Mischungsvorgänge in Flüssigmetallströmungen zu untersuchen, die mittels rotierender und wandernder Magnetfelder bzw. deren Kombination induziert werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Charakterisierung der dreidimensionalen Strömungsstrukturen innerhalb zylindrischer Geometrien bei der Verwendung überkritischer Magnetfelder. Neben der Untersuchung der Strömungseigenschaften stellen die physikalische Modellierung der angreifenden Kräfte, die geeignete Wahl und Validierung eines effizienten numerischen Lösungsverfahrens und dessen Erweiterung für die Durchführung von Large Eddy Simulationen wesentliche Eckpfeiler dieser Arbeit dar.

Das thermische Verhalten von Werkzeugmaschinen verursacht geometrische Abweichungen an Werkstücken. In vielen Forschungsarbeiten wurden wertvolle Beiträge zu deren Verbesserung veröffentlicht. Dabei kommt die Finite-Elemente (FE)- Simulation zum Einsatz. Für diese ist unter anderem der Wärmeübergangskoeffizient als Randparameter notwendig. Insbesondere für Hohlräume, beispielsweise unter der Maschinenverkleidung, gibt es keine Methode diesen schnell zu berechnen. Die vorliegende Arbeit liefert umfangreiche Untersuchungen zu den thermischen Vorgängen in Hohlräumen und deren Auswirkungen auf die thermischen Verlagerungen an Werkzeugmaschinen. Dafür erarbeitet diese Arbeit eine Methode, um Metamodelle für die schnelle Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten in Hohlräumen zu erstellen. Mögliche Hohlraumkonfigurationen werden dafür kategorisiert und für messtechnische Untersuchungen ein Versuchsstand konzipiert. Der Einfluss des Mikroklimas auf die thermischen Verlagerungen wird analysiert. Dabei wird der Einfluss von Konvektion und Strahlung, der Maschinenverkleidung und des Öffnens der Arbeitsraumtüre untersucht. In dieser Arbeit werden zwei Metamodelle erstellt, für einen Hohlraum mit einer Seitenwand als Wärmequelle und für einen Hohlraum mit mittig platzierter Wärmequelle. Die Anwendung der Metamodelle wird mit der thermischen FE-Simulation einer Werkzeugmaschine erläutert und eine Hilfestellung für die Übertragung auf weitere Werkzeugmaschinen gegeben. / The thermal behavior of machine tools causes most of the geometric errors on workpieces. In recent years, many authors published valuable contributions to the analysis, correction and compensation of the thermal behavior of machine tools. One way is the finite element simulation, where the heat transfer coefficient is needed as an input parameter. In particular, for enclosures, for example under the machine housing, there is no method to calculate this coefficient quickly. As state of the art the heat transfer coefficient is received from a computation-intensive fluid simulation of the enclosure. The present work provides investigations of enclosures, the microclimate in enclosures, its effect on the thermal errors of machine tools and finally a method to develop metamodels for the fast calculation of the heat transfer coefficient in enclosures and to use them in the finite element simulation. Possible enclosure configurations are categorized and a test stand is designed for metrological investigations. In basic investigations the thermal processes in different enclosures are analyzed. The influence of the microclimate on thermal errors of machine tools is analyzed in experiments. The influence of convection and radiation, the machine housing and the opening of the working room door are examined. In this work two metamodels are developed. One for an enclosure with a side wall as a heat source and one for an enclosure with a centrally placed heat source. The application of the metamodels is explained in the thermal finite element simulation of a machine tool.

Radiale Diffusoren beeinflussen signifikant die Qualität der thermischen Schichtung in Warmwasserspeichern. Um die Effizienz der Energiespeicherung zu verbessern, ist das Verständnis des komplexen Strömungsverhaltens notwendig. Diese Arbeit liefert Grundlagen zur Beschreibung der auftretenden Effekte und stellt ein geeignetes CFD-Simulationsmodell vor. Als Untersuchungsobjekt dient eine neuartige Speicherkonstruktion, wobei der Radialdiffusor direkt an einer schwimmenden Decke montiert ist. Vorteile dieser Anordnung werden aufgezeigt, die auftretenden Strömungseffekte beschrieben sowie der Einfluss verschiedener Beladergeometrien auf die thermische Schichtung untersucht. Für das Entladen bis 98 °C bei Atmosphärendruck wurde ein strömungsoptimierter Freiformdiffusor entwickelt, um Kavitation beim Ansaugen zu vermeiden. Die Untersuchungen zeigen außerdem, dass bei der Beladung über dem Umfang des Radialdiffusors ein stark asymmetrisches und einseitig gerichtetes Ausströmen auftreten kann. Gegenmaßnahmen in Form von Leit- und Lochblechen stellen ein nahezu symmetrisches Ausströmen wieder her und verbessern damit die Schichtungsqualität. Neben umfangreichen numerischen Studien mit RANS und LES fanden zahlreiche Experimente im Labor und an einem 100 m³-Speicher statt. / Radial diffusers have a significant influence on the quality of thermal stratification in hot water storage tanks. In order to improve the efficiency of energy storage, it is necessary to understand the complex flow behaviour. This thesis provides a basis for describing the effects and introduces a CFD simulation model. An innovative storage tank construction is used as the object of investigation, whereby the radial diffuser is mounted directly to a floating ceiling. Advantages of this arrangement are shown, flow effects are described and the influence of different loader geometries on the thermal stratification is investigated. For discharging up to 98 °C at atmospheric pressure, a flow-optimized free-form diffuser was developed to avoid cavitation inside the loading device. The tests also show that a highly asymmetrical and unidirectional flow over the circumference of the radial diffuser can occur during loading. Thanks to countermeasures like baffles and perforated plates, an almost symmetrical outflow can be restored and the stratification quality improved. In addition to numerical studies with RANS and LES, numerous experiments in the laboratory and at a 100m3 store were performed.

This paper describes the modelling of bubbly flow in a bubble column considering non-drag forces, polydispersity and bubble induced turbulence using the Eulerian two-fluid approach. The set of used closure models describing the momentum exchange between the phases was chosen on basis of broad experiences in modelling bubbly flows at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Polydispersity is modeled using the inhomogeneous multiple size group (iMUSIG) model, which was developed by ANSYS/CFX and Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Through the importance of a comprehensive turbulence modeling for coalescence and break-up models, bubble induced turbulence models are investigated. A baseline has been used which was chosen on the basis of our previous work without any adjustments. Several variants taken from the literature are shown for comparison. Transient CFD simulations are compared with the experimental measurements and Large Eddy Simulations of Akbar et al. (2012).

Mechanical ventilation can be a life saving treatment. However, due to the inhomogeneous and anisotropic behavior of the lung tissue, ventilation can also lead to overdistensions of lung regions whereas other areas remain even collapsed. A first step is a more comprehensive understanding of the flow mechanics under normal breathing conditions in a healthy lung as well as for a diseased, collapsed lung. This is the aim of this work. Therefore, a realistic model of the upper human airways has been generated at which experimental and numerical investigations could be carried out. Experimentally, the flow was analyzed by means of Particle Image Velocimetry (PIV) measurements which revealed new details about the flow patterns occurring during different ventilation frequencies. Numerical results were in good agreement with the experimental results and could provide new details about the three-dimensional flow structure and emerging secondary flow within the upper airways. The study of reopening of collapsed airways has shown that larger frequencies lead to airway reopening without overdistension of already open parts. Higher frequencies also lead to homogenization of mass flow distribution within the human lung. / Künstliche Beatmung ist meist eine lebensrettende Maßnahme. Aufgrund der räumlich anisotropen und inhomogenen Eigenschaften der Lunge kann die Beatmung jedoch auch zu einer Schädigung der Lunge führen. Daraus ergibt sich die Forderung einer „Protektiven Beatmung“. Ein erster Schritt dahingehend ist ein verbessertes Verständnis der Atmung und Beatmung am Beispiel der gesunden sowie kranken, teilweise kollabierten Lunge. Dies ist das Ziel der Arbeit. Hierfür wurde ein realistisches Modell der oberen Atemwege (Tracheobronchialbaum) angefertigt. An diesem Modell können sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen durchgeführt werden. Experimentell wurde die Strömung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht, wobei neue Details bezüglich der auftretenden Strömungsmuster für unterschiedliche Frequenzen gefunden wurden. Numerische Strömungsberechnungen stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Dreidimensionale Strömungsstrukturen sowie die Entwicklung von Sekundärwirbeln in der Lunge konnten erklärt werden. Eine Studie am kranken, teilweise kollabierten Lungenmodell zeigte, dass mit steigender Frequenz kollabierte Bereiche wiedereröffnet werden können. Höhere Frequenzen führen weiterhin zu einer Homogenisierung der Massenstromverteilung in der Lunge.

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.

Die Dissertation bietet eine umfassende Analyse des quasi-stationären und dynamischen Verhaltens des Bezugspegels in den Nullkammerpegelgefäßen hydrostatischer Füllstandsmesssysteme von Siedewasserreaktoren. Die bislang rein phänomenologisch beschriebenen Übergangsprozesse im Pegelgefäß werden experimentell untersucht und in ihrer Wirkung auf das Messsystem bewertet. Da der Bezugsfüllstand und die Temperaturpulsationen sicherheitsrelevante Messgrößen sind, wird ein Beitrag zur Reaktorsicherheit geleistet. Die neuartigen, nichtinvasiven Verfahren zur Messung der Phasenverteilung im Pegelgefäß liefern realistische, unverfälschte Messdaten. Die Validierung von Simulationscodes und die sicherheitstechnische Bewertung von Siedewasserreaktoren werden dadurch verbessert. Das im CFD-Code Ansys CFX 14 entwickelte und experimentell validierte Modell bietet eine wichtige Grundlage für die numerische Simulation des Füllstandsmesssystems in Ergänzung zu Experimenten und zur Einbindung in Systemsimulationen.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

Das Elektronenstrahlschweißen im Vakuum hat sich als zuverlässiges Verfahren für die Herstellung schmaler und hochpräziser Schweißnähte beim Schweißen von TRIP-Stählen bewährt. Das Verständnis für die dabei auftretenden Mechanismen und wirkenden Kräfte stellt einen wichtigen Baustein für die Weiterentwicklung des Verfahrens dar. Um zur Erweiterung dieses Verständnisses beizutragen, wird auf Basis vorhandener Berechnungsmethoden in OpenFOAM ein numerisches Modell für das Elektronenstrahlschweißen entwickelt. Es ist in der Lage, die dafür relevanten Einflussfaktoren zu berücksichtigen. So werden die Wärmeübertragung im Feststoff und der Schmelze, alle Aggregatzustandsänderungen und die auf die Dynamik der Schmelze wirkenden Kräfte einbezogen. Das entwickelte Simulationsmodell ist in der Lage zu zeigen, dass außer der natürlichen Konvektion vor allem der beim Verdampfen der Schmelze entstehende Überdruck und die thermokapillare Konvektion an der Schmelzeoberfläche für hohe Strömungsgeschwindigkeiten verantwortlich sind. Darüber hinaus haben neben der Schmelzbaddynamik die thermophysikalischen Eigenschaften des Stahls einen starken Einfluss auf die Ausprägung der Schweißnaht. Vor allem die Wärmeleitfähigkeit verändert diese erheblich, was die Simulationen unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit verdeutlichen. Die in dieser Arbeit erreichten Erkenntnisse helfen, die beim Elektronenstrahlschweißen entstehenden Nahtgeometrien und die Gründe für hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Schmelzbad besser einordnen und verstehen zu können. Darüber hinaus dient das entwickelte numerische Modell mit der Berücksichtigung aller relevanten Mechanismen als Grundlage für Weiterentwicklungen hinsichtlich vielerlei Anwendungen, beispielsweise für das Schweißen anderer Werkstoffe, zusätzliche Effekte wie dem Spiking oder anderen Elektronenstrahltechnologien wie dem Elektronenstrahlschmelzen im Bereich der additiven Fertigung.

The interaction between fluids and structures, which is an interdisciplinary problem, has gained importance in a wide range of scientific and engineering applications. Thanks to new advances in computer technology, the numerical analysis of multiphysics phenomena has aroused growing interest. Fluid-structure interactions have been numerically and experimentally studied by many researchers and published by several books, papers, and review papers. Hou et al. (2012) [3] have also published a review paper entitled “Numerical methods for fluid-structure interaction”, which provides useful knowledge about different approaches for FSI analysis. The key challenge encountered in any numerical FSI analysis is the coupling between the two independent domains with clear distinctions. For example, a structure domain requires discretizing by a Lagrangian mesh where the mesh is fixed to the mass and follows the mass motion. In fact, the Lagrangian mesh is able to deform and follows an individual structural mass as it moves through space and time. Nonetheless, the fluid mesh remains intact within the space, where the fluid flows as time passes. The numerical approaches with regard to FSI phenomena can be divided into two main categories, namely the monolithic approach and the partitioned approach. In the former, a single system equation for the whole problem is solved simultaneously by a unified algorithm; however, in the latter, the fluid and the structure are discretized with their proper mesh and solved separately by different numerical algorithms. When a fluid flow interacts with a structure, the pressure load arising from the fluid flow is exerted on the structure, followed by deformations, stresses, and strains of the structure. Depending on the resulting deformation and the rate of the variations, a one-way or two-way coupling analysis can be conducted. Fluid-structure interaction (FSI) is characterized by the interaction of some movable or deformable structure with an internal or surrounding fluid flow. In a fluid-structure interaction (FSI), the laws that describe fluid dynamics and structural mechanics are coupled. There is also another classification for FSI problems on the basis of mesh methods: conforming methods and non-conforming methods. In the first method, the interface condition is regarded as a physical boundary (interface boundary) moving during the solution time, which imposes the mesh for the fluid domain to be updated in conformity with the new position for the interface. In contrast, the implementation of the second method eliminates a need for the fluid mesh update on the account of the fact that the interface requirement is enforced by constraints on the system equations instead of the physical boundary motion. In this work, we study numerically and experimentally the fluid-structure interaction comprising a flexible slender shaped structure, free surface flow and potentially interacting rigid structures, categorized in flood protection applications, whereas more emphasis is given to numerical analysis. Objectives of this study are defined in detail as follows: The initial aim is the numerical analysis of the behavior of a down-scale membrane loaded by hydrostatic pressures, where the numerical results have to be validated against available experimental data. A further case which has to be investigated is how the full scale flexible flood barrier behaves when approached and impacted by an accelerated massive flotsam. The numerical model has to be built so as to replicate the same physical phenomenon investigated experimentally. It enables a comparison between the numerical and experimental analyses to be drawn. A more complicated case where the flexible down-scale membrane interacts with a propagated water wave is a further target area to study. Moreover, an experimental investigation is required to validate the numerical results by way of comparison. The ultimate goal is to perform a similitude analysis upon which a correlation between the full-scale prototype and the down-scale model can be formed. The implementation of the similarity laws enables the behavior of the full scale prototype to be quantitatively assessed on the basis of the available data for the down-scale model. In addition, in order to validate the accuracy of the similitude analysis, numerical analyses have to be carried out.:Contents Zusammenfassung I ABSTRACT IV Nomenclature X 1 Introduction 1 1.1 Work overview 2 1.2 Literature review 3 1.2.1 The non-conforming methods 6 1.2.2 The conforming (partitioned) approaches 11 1.2.2.1 Interface data transfer 16 1.2.2.2 Accuracy, stability and efficiency 16 1.2.2.3 Modification of interface conditions: Robin transmission conditions 18 1.3 Concluding remarks 19 2 Methodology-numerical methods for fluid-structure interaction analysis (FSI) 20 2.1 Single FV framework 21 2.1.1 The prism layer mesher 24 2.1.2 Turbulence modeling 24 2.2 Preparation of the standalone Abaqus model 27 2.2.1 Damping by bulk viscosity 28 2.2.2 Coulomb friction damping 29 2.2.3 Rayleigh damping 29 2.2.4 Determination of the Rayleigh damping parameters based on the Chowdhury procedure 29 2.2.5 The frequency response function (FRF) measurement 30 2.2.6 The half-power bandwidth method 31 2.3 Explicit partitioned coupling 33 2.4 Implicit partitioned coupling 39 2.5 Overset mesh 40 2.6 Concluding remarks 42 3 Verification and validation of the structural model 44 3.1 Numerical model setup of the down-scale membrane 44 3.2 Comparing similarity between numerical and experimental results 46 3.2.1 Hypothesis test terminology 46 3.2.2 Curve fitting 47 3.2.3 Similarity measures between two curves 48 3.3 Results (down-scale membrane) 52 3.3.1 Similarity tests for the contact length 54 3.3.2 Similarity tests for the slope 58 3.3.3 Similarity tests for the displacement in Y direction 60 3.4 Concluding remarks 63 4 Numerical model setup of the original membrane for impact analysis 66 4.1 Structure domain 67 4.2 Fluid domain 72 4.2.1 Standard mesh and results 74 4.2.2 Overset mesh 80 4.3 Co-simulation model setup and results 88 4.4 Concluding remarks 96 5 Numerical wave generation 100 5.1 Theoretical estimation of the waves 107 5.2 Numerical wave tank setup 110 5.3 Results 114 5.4 Concluding remarks 119 6 Validity of the model with dynamic pressure 121 6.1 Wave tank 123 6.2 Structure domain 127 6.3 Fluid domain 130 6.4 Co-simulation model setup 136 6.5 Experimental approach 137 6.6 Results 141 6.6.1 Similarity tests for the displacement of the membrane in X direction 156 6.6.2 Similarity tests for the displacement of the membrane in Y direction 160 6.6.3 Similarity tests for the displacement of the membrane in Z direction 164 6.7 Concluding remarks 168 7 Similarity 171 7.1 Motivation 171 7.2 Governing equations 174 7.3 Buckingham Pi theorem 175 7.4 Dimensionless numbers 175 Similitude requirement 177 7.5 Simulation setup 178 7.6 Results 179 7.7 Concluding remarks 191 8 Summary, conclusions and outlook 192 List of figures 199 List of tables 209 References 210