Diese Dissertation befasst sich in einem ersten Abschnitt mit der Energieübertragung in Seitenkanalmaschinen. Mit Hilfe der PIV (Particle-Image-Velocimetry) wird die Strömung in einem mit Wasser betriebenen Seitenkanalverdichter sichtbar gemacht. Es wird gezeigt, dass die Zirkulationstheorie die tatsächlich ablaufende Strömung gut wiedergibt. Im weiteren wird ein Seitenkanalverdichter mit radialer Zuströmung und einem, bzw. zwei Unterbrechern im Seitenkanal vorgestellt. Mit dieser Sonderform kann die Lücke im Cordier-Diagramm zwischen den Radialverdichtern und den Seitenkanalverdichtern geschlossen werden.

Gegenstand der Dissertation ist die Untersuchung der Stabilität von Oberflächenwellen auf einem Flüssigkeitsstrahl bei Anregung durch einen äußeren Gasstrahl.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Programmcode zur numerischen Modalanalyse dreidimensionaler Fluide in komplexen akustischen Systemen, speziell in Resonatoren, entwickelt. Mit diesem Code ist es möglich, turbulente Strömungen im Rahmen der Modalanalyse zu berücksichtigen. Hierzu wird ein realistisches Strömungsprofil, ermittelt mithilfe eines 3D-Navier-Stokes-Lösers, verwendet. Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Herleitung der für die Berechnung notwendigen Galbrun-Gleichung und deren Aufbereitung zur numerischen Analyse. Für die numerische Umsetzung kommt die Methode der finiten Elemente in Verbindung mit komplex konjugierten, infiniten Astley-Leis Elementen zur Anwendung. Die infiniten Elemente werden genutzt, um in den betrachteten Außenraumproblemen die Abstrahlung in das Fernfeld abzubilden. Nach der Anwendung des entwickelten Programmcodes auf einfachere Modelle erfolgen Untersuchungen zur Intonation einer Blockflöte. Hierzu wird das Fluid innerhalb und im Nahfeld des Instruments unter Berücksichtigung des turbulenten Strömungsprofils, welches sich beim Spielen der Blockflöte ausbildet, betrachtet. Im Ergebnis stehen die Eigenwerte des Instruments in Abhängigkeit von der gewählten Griffkombination. Zur Evaluierung der Ergebnisse und zur Untersuchung des Einflusses der Strömung auf den Klang erfolgt der Vergleich mit den exakten Eigenfrequenzen. Die Galbrun-Gleichung wurde bereits von anderen Autoren untersucht und auf akustische Problemstellungen angewendet. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt jedoch erstmalig die Anwendung der Galbrun-Gleichung auf Eigenwertprobleme. Darüber hinaus sind der Autorin keine Arbeiten bekannt, die sich mit dreidimensionalen Modellen befassen. In der vorliegenden Arbeit werden somit erstmals komplexe dreidimensionale Modelle unter Anwendung der Galbrun-Gleichung untersucht.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet Modelluntersuchungen der Strömungsverhältnisse am Beispiel des Imperial Smelting-Ofens. Die Versuche verfolgen das Ziel, Erkenntnisse über optimale Einblasbedingungen der Sekundärluft zu erhalten, um die Neigung zur Ansatzbildung verringern zu können. Die durchgeführten Untersuchungen lassen die Schlussfolgerung zu, dass die Simulation der in der Gasphase ablaufenden Strömungsvorgänge eines pyrometallurgischen Aggregates mittels eines physikalischen Modells realisierbar ist. Aufgrund der Berücksichtigung der Arbeitsweise des Ofens sowie der Ähnlichkeitstheorie bei der Prozessmodellierung, können die erhaltenen Ergebnisse in der Tendenz auf das Original übertragen werden. Für die weitere Erklärung der Problematik der Ansatzbildung in der IS-Anlage werden thermodynamische Berechnungen durchgeführt, Ansatzproben aus dem Originalofen analysiert und die Abscheidungen der Nebelflüssigkeit an den Modellwänden untersucht. Im Ergebnis dieser Untersuchungen werden Vorschläge zur Optimierung des IS-Prozesses unterbreitet.

Im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen wurde das zeitabhängige Strömungsfeld in einem Seitenkanalverdicher unter Verwendung der reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen für mehrere Kennlinienpunkte numerisch berechnet und mit den Ergebnissen bereits vorhandener Messungen verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass es mit Hilfe des zeitabhängigen Berechnungsverfahrens möglich ist, die Kennlinie eines Seitenkanalverdichters (Massestrom als Funktion der Druckdifferenz) mit guter Genauigkeit zu berechnen. Hierbei zeigte sich, dass die Berechnungsergebnisse stark von der Wahl des verwendeten Turbulenzmodells abhängen. Weiterhin konnten tieffrequente Strömungszustände, die von akustischen Messungen her bekannt waren, in den Ergebnissen der Berechungen nachgewiesen werden.

Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Kernformstofffließens als nichtnewtonsche Fluidströmung. Dazu werden verschiedene Formgrundstoffe und Kernformstoffe rheologisch untersucht. Als Bindersysteme kommen PUR Coldbox und Wasserglas zum Einsatz. Für diese Untersuchungen wird ein eigens für diesen Zweck entwickeltes Messgerät verwendet. Die gewonnenen Daten werden in ein numerisches Modell implementiert, welches mit den Methoden der numerischen Strömungsmechanik den Kernschießvorgang abbildet. Dabei kommt der Open Source CFD Code OpenFOAM zum Einsatz. Der Kernschießvorgang wird mit verschiedenen Kernkastengeometrien numerisch und experimentell untersucht und die Ergebnisse verglichen. Die Ergebnisse der rheologischen Untersuchungen zeigen deutlich den Einfluss der Beschaffenheit des Formgrundstoffes und des Bindersystems auf die Fließfähigkeit des Kernformstoffes. Der Vergleich zwischen Experiment und Simulation zeigt gute Übereinstimmung. Das formulierte Modell gibt die Möglichkeit, Probleme in der Kernqualität vorherzusagen.

Der VHTR als Weiterentwicklung des HTR gilt als eines von sechs aussichtsreichen Reaktorkonzepten für Kernkraftwerkte der Generation IV. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein CFD-Modell des HTR-Moduls entwickelt und durch die Simulation eines postulierten Lufteinbruchszenarios die Anwendbarkeit unter Beweis gestellt. Zunächst wird eine Bestandsaufnahme bestehender HTR-Rechenprogramme vorgestellt und die Methodik CFD in ihren Grundzügen erläutert. Anhand der Grundgleichungen werden die zur Berechnung des Störfalls zu modellierenden, HTR-spezifischen Parameter diskutiert, die verwendeten empirischen Korrelationen vorgestellt und die umfangreiche Validierung des entwickelten Modellansatzes zusammengefasst. Anschließend wird die Anwendbarkeit des HTR-Modells auf ein konkretes Lufteinbruchszenario eines HTR-Moduls gezeigt. Dabei werden die einzelnen Phasen des Szenarios anhand der Simulationsergebnisse intensiv diskutiert. Abschließend erfolgt eine Diskussion der Modellunsicherheiten und der numerischen Fehler.

Zur Verringerung von Schadstoffemissionen werden in Kaminöfen oft Keramikfilter integriert, die Staub und Ruß aus dem Abgas entfernen sollen. Die Filter beeinflussen jedoch die strömungsmechanischen, energetischen und chemischen Vorgänge im Feuerraum. Für die Auslegung und die praktische Anwendung der Filter ist die Kenntnis der Einflussgrößen und deren Umfang nötig. Mit Hilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen wurden die Stoff- und Energietransportvorgänge von zwei Kaminöfen charakterisiert. Zur Bestimmung der Massenabnahme von Holzscheiten kam eine neue, praktisch leicht umsetzbare Methode, basierend auf einer Schockkühlung mit flüssigem Stickstoff, zum Einsatz. Parallel dazu wurde die Massenabnahme der Holzscheite mit Hilfe einer Online-Massenbestimmung mittels Waage aufgezeichnet und ein Verfahren zur Bestimmung der Abbrandkinetik entwickelt. Die Schwierigkeiten der messtechnischen Erfassung und Auswertung der instationären Vorgänge wurden dargestellt und diskutiert. Für die zwei Kaminöfen sind numerische Simulationen mit der Software ANSYS CFX erstellt worden, die weitgehend auf realen Geometrien beruhen. Vergleichende null- und eindimensionale Simulationen mit unterschiedlichen Reaktionsmechanismen und gasförmigen Brennstoffen wurden realisiert und hinsichtlich ihrer Eignung für die Berechnung von Kaminöfen untersucht. Nach erfolgter Validierung wurde ein parametrisches Simulationsmodell eines Kaminofens erstellt. Mit diesem wurde eine Parameterstudie zur Untersuchung der Veränderung der Zielgrößen Heizleistung, Kohlenmonoxid- und Rußkonzentration sowie Gesamt- und Sekundärluftmassenstrom in Abhängigkeit der Parameter durchgeführt.

The development of fluid mechanics during the twentieth century has been affected by intense research in order to fathom numerous practically relevant hydrodynamic effects, to understand the physical processes and correlations and to describe them mathematically. This became necessary because employing only the fundamental hydrodynamic equations, the description of certain phenomena in fluid flows caused by fluid properties was impossible. In order to assess the quality of fluids regarding their gas contents and their nuclei distributions, various measuring methods and devices have been developed and constructed since the beginning of the twentieth century. This historical development could be described nearly completely in this work, particularly the development of devices to determine the total gas content. Apart from the mostly difficult handling of these measurement methods and devices, only the influence of single parameters such as the total gas content, the dissolved oxygen content, nucleus content, nucleus distribution and the distribution of nucleus sizes on hydrodynamic effects was examined. However, the correlations between these single parameters, as they occur in real flows, could not be taken into consideration. As early as the end of the ninetieth century the development of methods and devices began to determine the tensile strength of fluids. The initially static methods have been followed by the developments of dynamic methods since the beginning of the 1970s. While for specially prepared fluids, tensile strengths of several hundred bar were measured under static conditions, the typical values for water, measured with the eddy and swirl nozzle, range between zero and two bar. This illustrates the strong influence of interactions between all parameters on the tensile strength in flowing fluids. Except for sound velocity and pressure distribution at profiles, water quality particularly affects certain cavitation phenomena. Various cavitation tests around the world have shown that without determining the actual tensile strength of the test water, it is impossible to obtain reproducible results regarding cavitation inception. In experiments concerning cavitation erosion, the correlation between water quality, erosive aggressiveness and erosion rate was proven unmistakably. Evidently, permanent measurement of the test fluid?s tensile stress during cavitation experiments with model bodies is compulsory in order to be able to interpret measurement results correctly. Cavitation phenomena at profiles or other parts affected by flow cause changes of lift, drag and loss coefficients depending on the degree of the cavitation progress. The influence of transition, detachment, obstruction and pressure distribution plays a special role. The quality of electrically conductive fluids is determined by their conductivity. By means of electromagnetic fields Lorentz-forces are generated, whose effect can be observed in lessening of flow detachment, drag reduction and increased lift. Manifold experimental research results in the area of fluid mechanics have proven that the fluid quality must be taken into account when describing real flow processes. Since the many flow parameters are subject to permanent interaction, ultimately, the sum of all single parameters lead to the effects mentioned. For the determination of the water quality such as in cavitation experiments, the tensile stress of the water can be measured making the mathematical description of cavitation inception possible. / Die Entwicklung der Strömungsmechanik im 20. Jahrhundert wurde auch durch intensive Forschungen geprägt, um die zahlreichen in der Praxis auftretenden hydrodynamischen Effekte zu ergründen, die physikalischen Abläufe und Zusammenhänge zu verstehen und diese mathematisch zu beschreiben. Dies wurde notwendig, da mit den hydrodynamischen Grundgleichungen allein keine Beschreibung der aus den Fluideigenschaften resultierenden Erscheinungen in Flüssigkeitsströmungen möglich war. Um die Qualität der Flüssigkeiten bezüglich ihres Gasgehaltes und ihrer Keimverteilung beurteilen zu können, wurden mit Beginn des 20. Jahrhunderts unterschiedliche Messmethoden und Apparaturen entwickelt und gebaut. Diese Entwicklung ließ sich annähernd vollständig darstellen, hierbei besonders die Entwicklungen von Apparaturen zur Bestimmung des Gesamtgasgehaltes. Neben der zumeist schwierigen Handhabung dieser Messgeräte und Methoden wird dabei nur der Einfluss einzelner Messgrößen, wie Gesamtgasgehalt, Gelöstsauerstoffgehalt, Keimgehalt, Keimverteilung und Keimgrößenverteilung auf hydrodynamische Effekte untersucht. Die aber in realen Strömungen auftretenden Wechselwirkungen zwischen den Einflussgrößen werden nicht berücksichtigt. Schon am Ende des 19. Jahrhundert begann die Entwicklung von Geräten und Methoden zur Bestimmung von Zugspannungen in Flüssigkeiten. Den anfänglich statischen Methoden folgten mit Beginn der 70er Jahre des 20. Jahrhunderts die bis heute andauernden Entwicklungen dynamischer Methoden. Während für speziell behandelte Flüssigkeiten unter statischen Bedingungen Zugspannungen von einigen hundert bar gemessen wurden, liegen die typischen Werte für Wasser mit der Wirbel- oder Dralldüse gemessen, zwischen null und zwei bar. Das zeigt den starken Einfluss der Wechselwirkungen aller Einflussgrößen auf die Zugspannung in strömenden Flüssigkeiten. Außer auf die Schallgeschwindigkeit und die Druckverteilung an Profilen hat die Wasserqualität einen besonders starken Einfluss auf bestimmte Kavitationserscheinungen. Weltweite Kavitationstests zeigten, dass ohne Bestimmung der aktuellen Zugspannung des Testwassers keine reproduzierbaren Ergebnisse bezüglich des Kavitationsbeginns möglich sind. Bei Untersuchungen zur Kavitationserosion wurde der Zusammenhang zwischen Wasserqualität und erosiver Aggressivität und Erosionsrate eindeutig nachgewiesen. Die permanente Messung der Zugspannung der Testflüssigkeit ist bei Kavitationsexperimenten an Modellkörpern offensichtlich zwingend notwendig, um die Messergebnisse korrekt interpretieren zu können. Kavitationserscheinungen an Profilen oder Durchströmteilen bewirken Änderungen von Auftriebs-, Widerstands- und Verlustbeiwerten in Abhängigkeit vom Fortschrittsgrad der Kavitation. Hierbei spielen die Beeinflussung der Transition, Ablösung, Versperrung und Druckverteilung eine besondere Rolle. Bei elektrisch leitfähigen Fluiden ist die Qualität durch die Leitfähigkeit bestimmt. Mittels elektromagnetischer Felder werden Lorentzkräfte erzeugt, deren Wirkung sich zeigt in der Unterdrückung von Strömungsablösung, Widerstandsverringerung und stärkerem Auftrieb. Vielfältige experimentelle Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Strömungsmechanik haben gezeigt, dass für die Beschreibung realer Strömungsvorgänge die Qualität des Fluides berücksichtigt werden muss. Da die vielen Einflussgrößen in der Strömung permanenten Wechselwirkungen unterliegen, führt letztlich die Summe aller Einzeleinflüsse auf die genannten Effekte. Für die Bestimmung der Wasserqualität z.B. bei Kavitationsexperimenten kann die Zugspannung des Testwassers gemessen werden, wodurch die genauere mathematische Beschreibung des Kavitationsbeginns möglich wird. - (Diese Arbeit liegt auch in englischer Sprache unter dem Titel "Hydro-dynamic effects with particular consideration of water quality an their measurement methods" in elektronischer Form vor - http://hsss.slub-dresden.de/hsss/servlet/hsss.urlmapping.MappingServlet?id=1141217614058-7645)

Die Entwicklung der Strömungsmechanik im 20. Jahrhundert wurde auch durch intensive Forschungen geprägt, um die zahlreichen in der Praxis auftretenden hydrodynamischen Effekte zu ergründen, die physikalischen Abläufe und Zusammenhänge zu verstehen und diese mathematisch zu beschreiben. Dies wurde notwendig, da mit den hydrodynamischen Grundgleichungen allein keine Beschreibung der aus den Fluideigenschaften resultierenden Erscheinungen in Flüssigkeitsströmungen möglich war. Um die Qualität der Flüssigkeiten bezüglich ihres Gasgehaltes und ihrer Keimverteilung beurteilen zu können, wurden mit Beginn des 20. Jahrhunderts unterschiedliche Messmethoden und Apparaturen entwickelt und gebaut. Diese Entwicklung ließ sich annähernd vollständig darstellen, hierbei besonders die Entwicklungen von Apparaturen zur Bestimmung des Gesamtgasgehaltes. Neben der zumeist schwierigen Handhabung dieser Messgeräte und Methoden wird dabei nur der Einfluss einzelner Messgrößen, wie Gesamtgasgehalt, Gelöstsauerstoffgehalt, Keimgehalt, Keimverteilung und Keimgrößenverteilung auf hydrodynamische Effekte untersucht. Die aber in realen Strömungen auftretenden Wechselwirkungen zwischen den Einflussgrößen werden nicht berücksichtigt. Schon am Ende des 19. Jahrhundert begann die Entwicklung von Geräten und Methoden zur Bestimmung von Zugspannungen in Flüssigkeiten. Den anfänglich statischen Methoden folgten mit Beginn der 70-er Jahre des 20. Jahrhunderts die bis heute andauernden Entwicklungen dynamischer Methoden. Während für speziell behandelte Flüssigkeiten unter statischen Bedingungen Zugspannungen von einigen hundert bar gemessen wurden, liegen die typischen Werte für Wasser mit der Wirbel- oder Dralldüse gemessen, zwischen null und zwei bar. Das zeigt den starken Einfluss der Wechselwirkungen aller Einflussgrößen auf die Zugspannung in strömenden Flüssigkeiten. Außer auf die Schallgeschwindigkeit und die Druckverteilung an Profilen hat die Wasserqualität einen besonders starken Einfluss auf bestimmte Kavitationserscheinungen. Weltweite Kavitationstests zeigten, dass ohne Bestimmung der aktuellen Zugspannung des Testwassers keine reproduzierbaren Ergebnisse bezüglich des Kavitationsbeginns möglich sind. Bei Untersuchungen zur Kavitationserosion wurde der Zusammenhang zwischen Wasserqualität und erosiver Aggressivität und Erosionsrate eindeutig nachgewiesen. Die permanente Messung der Zugspannung der Testflüssigkeit ist bei Kavitationsexperimenten an Modellkörpern offensichtlich zwingend notwendig, um die Messergebnisse korrekt interpretieren zu können. Kavitationserscheinungen an Profilen oder Durchströmteilen bewirken Änderungen von Auftriebs-, Widerstands- und Verlustbeiwerten in Abhängigkeit vom Fortschrittsgrad der Kavitation. Hierbei spielen die Beeinflussung der Transition, Ablösung, Versperrung und Druckverteilung eine besondere Rolle. Bei elektrisch leitfähigen Fluiden ist die Qualität durch die Leitfähigkeit bestimmt. Mittels elektromagnetischer Felder werden Lorentzkräfte erzeugt, deren Wirkung sich zeigt in der Unterdrückung von Strömungsablösung, Widerstandsverringerung und stärkerem Auftrieb. Vielfältige experimentelle Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Strömungsmechanik haben gezeigt, dass für die Beschreibung realer Strömungsvorgänge die Qualität des Fluides berücksichtigt werden muss. Da die vielen Einflussgrößen in der Strömung permanenten Wechselwirkungen unterliegen, führt letztlich die Summe aller Einzeleinflüsse auf die genannten Effekte. Für die Bestimmung der Wasserqualität z.B. bei Kavitationsexperimenten kann die Zugspannung des Testwassers gemessen werden, wodurch die genauere mathematische Beschreibung des Kavitationsbeginns möglich wird. / The development of fluid mechanics during the twentieth century has been affected by intense research in order to fathom numerous practically relevant hydrodynamic effects, to understand the physical processes and correlations and to describe them mathematically. This became necessary because employing only the fundamental hydrodynamic equations, the description of certain phenomena in fluid flows caused by fluid properties was impossible. In order to assess the quality of fluids regarding their gas contents and their nuclei distributions, various measuring methods and devices have been developed and constructed since the beginning of the twentieth century. This historical development could be described nearly completely in this work, particularly the development of devices to determine the total gas content. Apart from the mostly difficult handling of these measurement methods and devices, only the influence of single parameters such as the total gas content, the dissolved oxygen content, nucleus content, nucleus distribution and the distribution of nucleus sizes on hydrodynamic effects was examined. However, the correlations between these single parameters, as they occur in real flows, could not be taken into consideration. As early as the end of the ninetieth century the development of methods and devices began to determine the tensile strength of fluids. The initially static methods have been followed by the developments of dynamic methods since the beginning of the 1970s. While for specially prepared fluids, tensile strengths of several hundred bar were measured under static conditions, the typical values for water, measured with the eddy and swirl nozzle, range between zero and two bar. This illustrates the strong influence of interactions between all parameters on the tensile strength in flowing fluids. Except for sound velocity and pressure distribution at profiles, water quality particularly affects certain cavitation phenomena. Various cavitation tests around the world have shown that without determining the actual tensile strength of the test water, it is impossible to obtain reproducible results regarding cavitation inception. In experiments concerning cavitation erosion, the correlation between water quality, erosive aggressiveness and erosion rate was proven unmistakably. Evidently, permanent measurement of the test fluid?s tensile stress during cavitation experiments with model bodies is compulsory in order to be able to interpret measurement results correctly. Cavitation phenomena at profiles or other parts affected by flow cause changes of lift, drag and loss coefficients depending on the degree of the cavitation progress. The influence of transition, detachment, obstruction and pressure distribution plays a special role. The quality of electrically conductive fluids is determined by their conductivity. By means of electromagnetic fields Lorentz-forces are generated, whose effect can be observed in lessening of flow detachment, drag reduction and increased lift. Manifold experimental research results in the area of fluid mechanics have proven that the fluid quality must be taken into account when describing real flow processes. Since the many flow parameters are subject to permanent interaction, ultimately, the sum of all single parameters lead to the effects mentioned. For the determination of the water quality such as in cavitation experiments, the tensile stress of the water can be measured making the mathematical description of cavitation inception possible. - (The German online version of this thesis for qualification as university teacher has been published under the titel "Hydrodynamische Effekte unter besonderer Berücksichtigung der Wasserqualität und ihre Messverfahren" - http://hsss.slub-dresden.de/hsss/servlet/hsss.urlmapping.MappingServlet?id=1141215758714-7391)