620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
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Semi-solid metal alloys, as used in thixoforming, have a special microstructure of globular grains suspended in a liquid metal matrix. The complex rheological properties are strongly influenced by the local solid fraction, particle shape, particle size and state of agglomeration. There is a high demand for models and software tools allowing the simulation of semi-solid casting processes. The material under investigation is a tin-lead alloy (Sn-15%Pb) which exhibits a similar microstructure to aluminium alloys. The experiments were performed with a concentric cylinder rheometer of the Searle type. Initially, the liquid alloy is cooled down to the semi-solid range under constant shearing and then kept under isothermal conditions for further experimentation. Based on the experimental data, a single-phase model has been derived where the semi-solid alloy is regarded as a homogeneous material with thixotropic properties and the microstructure is characterised by a structural parameter. The model consists of two parts: the equation of state, including a finite yield stress, and a rate equation for the structural parameter. The model equations are employed in numerical software and used for the simulation of characteristic filling cases and the comparison with the conventional filling.
A suspension of PMMA spheres in a density matched saccharose solution is investigated with a classical Searle rheometer and a NMR (Nuclear Magnetic Resonance) spectrometer. Here the NMR is used to measure the radial distribution of the PMMA spheres in the rotating cell, in addition to the local velocity profile of the suspension. The influence of particle concentration on the wall depletion is studied. Further analysis are carried out with computational fluid dynamics software. The velocity field as well as the solid distribution in the couette flow is simulated with a two-phase model including the Darcy law and compared to the experimental data.
Semi-solid metal alloys, as used in thixoforming, have a special microstructure of globular grains suspended in a liquid metal matrix. The material under investigation is a tin–lead alloy (Sn–15% Pb) which exhibits a similar microstructure as aluminum alloys. The experiments were performed with concentric cylinder rheometers. Initially, the liquid alloy is cooled down to the semi-solid range under constant shearing and then kept under isothermal conditions for further experimentation. The microstructure is characterized in dependence of the shearing time. The rheological techniques consisted of step change of shear rate and shear stress ramp experiments for different solid fractions (40–50%). Based on the experimental data a single phase model has been derived, where the semi-solid alloy is regarded as a homogeneous material with thixotropic properties and the microstructure is characterized by a structural parameter. The model consists of two parts: the equation of state, including a finite yield stress, and a rate equation for the structural parameter. The model equations are employed into numerical software and used for the simulation of a characteristic thixocasting process. The results are compared to real experiments.
Semi-solid metal alloys, as used in industrial thixoforming, have a special microstructure of globular grains suspended in a liquid metal matrix. The complex rheological properties are strongly influenced by the local solid fraction, particle shape, particle size and state of agglomeration. It was analysed how the microstructure develops in dependence of the shear rate and cooling rate during the solidification and it was observed that the average particle size increased with increasing shear rate and decreasing cooling rate. In order to account for those phenomena, the rate of crystal growth and the relationship between average particle diameter and viscosity was modelled by applying the Sherwood two-film model for the mass transport. The dependence of the viscosity from the particle size were modelled with a modified Krieger–Dougherty model. Based on the rheological and microstructural observations an evaluation method was elaborated that allows for the construction of objective master curves that are independent of the particle growth during the experimentation. The isothermal experiments for the characterisation of the rheological behaviour consisted of step-change of shear-rate and yield-stress experiments. From the experimental data the steady-state flow curves could be determined as well as the time-dependent relaxation of the shear stress after a change of shear rate. The steady-state rheological behaviour was found to be shear thinning. Nevertheless, immediately after a shear-rate change an overshoot was observed that resulted from a short-time shear-thickening behaviour. The yield stress was found to strongly depend on the microstructure and the degree of agglomeration of the solid phase. With increasing rest time the yield stress was increasing strongly, because of the agglomeration of the solid particles. Based on the step-change of shear-rate experiments a single-phase flow has been developed that consists of a modified Herschel–Bulkley approach and accounts for the thixotropic as well as for the yield-stress behaviour of the alloys.
In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung eines Schlitzplatten-Mikromischers zur Produktion von O/W-Emulsionen in der Lebensmittelindustrie untersucht. Das verwendete System besteht aus dem Modularen MikroReaktions System (MMRS) der Firma Ehrfeld BTS, einer Mahr Mikrozahnradpumpe, einer HNPM Mikrozahnringpumpe, einer Temperiervorrichtung und Kapillaren zur Verbindung der einzelnen Komponenten. Zur Beurteilung des Emulgierergebnisses wird die Tropfengröße der Öltröpfchen mithilfe eines Malvern Mastersizers 2000 bestimmt. Hierzu erfolgt zunächst eine Identifikation der relevanten Prozessparameter. Mithilfe einer ausführlichen Evaluation der Mischgeometrie, der Geschwindigkeit der Fluide und der Ölkonzentration können die Effekte und Wechselwirkungen herausgearbeitet werden. Alle hergestellten Emulsionen weisen eine bimodale Tropfengrößenverteilung auf. Dennoch kann festgestellt werden, dass die Geschwindigkeit, dicht gefolgt von der Konzentration, den größten Einfluss auf das Emulgierergebnis hat. Hierbei kann die Geschwindigkeit analog zum Energieeintrag betrachtet werden. Eine weiterführende Untersuchung der Parameter Temperatur und Energieeintrag zeigt, dass die Temperatur einen starken Einfluss auf das Emulgierergebnis hat. Die Versuchsergebnisse zeigen bei einer Prozesstemperatur von 75 °C eine monomodale Tropfengrößenverteilung mit einem Tropfendurchmesser von d90,3= 6,07 µm und d3,2= 2,28 µm. Die Untersuchung der Energieeinträge erfolgt in beiden Phasen getrennt voneinander. Es ist nicht möglich, eine klare Aussage über diese Einflüsse zu machen. Als Anwendungsbeispiel für die Lebensmittelindustrie wird die Evaluation unterschiedlicher lebensmitteltauglicher Emulgatoren gewählt. Als Emulgatoren dienen enzymatisch modifiziertes Sojalecithin, Milchphospholipide auf einem Träger, Polysorbat 80 und SDS. Die Untersuchung erfolgt bei drei unterschiedlichen Temperaturen und einem konstanten Energieeintrag. Es ergibt sich eine klare Abhängigkeit der Emulgatorwirkung von der Temperatur. Alle lebensmitteltauglichen Emulgatoren weisen im Temperaturbereich von 25 °C bis 65 °C eine bimodale Tropfengrößenverteilung auf. Der Vergleich der Versuchsergebnisse mit herkömmlichen Emulgierverfahren macht deutlich, dass ein großes Potential in der Anwendung eines Schlitzplatten-Mikromischers in der Lebensmittelindustrie liegt. Im Vergleich zur Literatur ergeben sich bei der Anwendung des MMRS bei gleichen Energieeinträgen ähnlich Tropfengrößen wie bei Membranemulgierverfahren.
Es wurde ein numerisches Modell insbesondere für thermosiphonische Fassadensysteme entwickelt und mit experimentellen Daten validiert. Mittels Systemsimulation wurden die Sensitivitäten des solaren Deckungsgrades in Abhängigkeit von diversen Design- und Einflussparametern untersucht. Es zeigt sich, dass Fassaden- bzw. Balkonsysteme durch die optimale Wahl der Parameter einen attraktiven Beitrag zur Energieeinsparung in großen Wohnkomplexen darstellen.
Film- und Alltagsszenen als Lernfeld für die mathematisch-technische Modellbildung und Simulation
(2016)
Es werden ausgewählte Beispiele und Ideen vorgestellt, die Studierende des Moduls "Modellierung und Simulation" besonders motivieren sollen, mathematisch-technische Problemstellungen wissen-schaftlich zu bearbeiten. Dabei werden Fragestellungen aus dem persönlichen Alltag, aber auch aus dem Alltag berühmter Geheimagenten behandelt. Zu diesen Projekten gehören die Erstellung geeigneter mathematischer Modelle, die Implementierung in Matlab/Simulink® sowie die Systemsimulation. Die Erfahrungen zu Motivation und Erfolg, aber auch zu Schwierigkeiten bei der Bearbeitung werden abschließend reflektiert.
Die Kostenreduzierung solarthermischer Systeme bleibt eine der großen Herausforderungen, um die Solarthermie wirtschaftlich attraktiv zu machen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine vollständige Simulationsumgebung geschaffen, mit der bereits in der Entwicklungsphase automatisierte Optimierungen in Bezug auf Ertrag und Wirtschaftlichkeit von Kollektoren und Systemen zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung möglich sind. Die Anwendung dieses Simulationstools ist sowohl für den Komponentenhersteller als auch für den Systemplaner relevant.
The aim of this study was to provide a systematic overview of available pressure ulcer prevention quality indicators and to evaluate the underlying empirical evidence. A systematic mapping review was conducted with combined searches in Embase and Medline, and websites of relevant institutions and organisations. The eligibility criteria were clear use of the term “quality indicator” regarding pressure ulcer prevention; English or German language; and all settings, populations, and types of resources, including articles, brochures, and online material. In total, n = 146 quality indicators were identified. Most indicators were published in the United States (n = 50). The majority of indicators was developed for the hospital setting (n = 102). Process indicators were the most common (n = 71), followed by outcome indicators (n = 49). Less than half of identified indicators appeared to be practically used. Evidence supporting the validity and reliability were reported for n = 25 and n = 30 indicators respectively. The high number of indicators demonstrate the importance of measuring pressure ulcer prevention quality. This is not an indicator of our ability to accurately measure and evaluate this construct. There is an urgent need to develop evidence-based and internationally comparable indicators to help improve patient care and safety worldwide.
A recently published study of high temperature nitridation of iron chromium aluminum alloys (FeCrAl) at 900°C in N2–H2 has redundantly shown the formation of locally confined corrosion pockets reaching several microns into the alloy. These nitrided pockets form underneath chromia islands laterally surrounded by the otherwise protective alumina scale. Chromia renders a nitrogen‐permeable defect under the given conditions and the presence of aluminum in the alloy. In light of these findings on FeCrAl, a focused ion beam–scanning electron microscope tomography study has been undertaken on an equally nitrided FeNiCrAl sample to characterize its nitridation corrosion features chemically and morphologically. The alloy is strengthened by a high number of chromium carbide precipitates, which are also preferential chromia formation sites. Besides the confirmation of the complete encapsulation of the corrosion pocket from the alloy by a closed and dense aluminum nitride rim, very large voids have been found in the said pockets. Furthermore, metallic particles comprising nickel and iron are deposited on top of the outer oxide scale above such void regions.
The deployment of containers as building modules has grown in popularity over the past years due to their inherent strength, modular construction, and relatively low cost. The upcycled container architecture is being accepted since it is more eco-friendly than using the traditional building materials with intensive carbon footprint. Moreover, owing to the unquestionable urgency of climate change, existing climate-adaptive design strategies may no longer respond effectively as they are supposed to work in the previous passive design. Therefore, this paper explores the conceptual design for an upcycled shipping container building, which is designed as a carbon-smart modular living solution to a single family house under three design scenarios, related to cold, temperate, and hot–humid climatic zones, respectively. The extra feature of future climate adaption has been added by assessing the projected future climate data with the ASHRAE Standard 55 and Current Handbook of Fundamentals Comfort Model. Compared with the conventional design, Rome would gradually face more failures in conventional climate-adaptive design measures in the coming 60 years, as the growing trends in both cooling and dehumidification demand. Consequently, the appropriate utilization of internal heat gains are proposed to be the most promising measure, followed by the measure of windows sun shading and passive solar direct gain by using low mass, in the upcoming future in Rome. Future climate projection further shows different results in Berlin and Stockholm, where the special attention is around the occasional overheating risk towards the design goal of future thermal comfort.
The simulation of the residual stress field achieved by shot peening cannot be carried out on component-large models. Hence, an efficient unit cell model for the simulation of the shot peening process is developed. The model allows both, the simple inclusion of a pre-stress and the evaluation of the up-arching of the Almen strip. For this purpose, generalized coupling constraints for the periodic boundaries of the unit cell are developed. These allow for displacement and rotation of the coupled boundaries relative to each other. In the coupling constraints, this is accomplished by respective variables, which can either be prescribed to the analysis or read out as a result from the analysis. Hence, the unit cell can expand, shear, bend and twist under driving forces like, e. g., residual stresses or thermal effects. At the same time, deformations of the cell’s periodic boundary pairs are kept congruent by the generalized coupling. The ability to cover expansion is novel regarding known periodic boundary conditions. Also, the application of a generalized unit cell to shot peening is new.
Results obtained with the generalized unit cell are displayed, demonstrating its capabilities: A fundamental analysis of the residual stress field from shot peening shows inhomogeneities at a fatigue relevant level to be inevitable. A validation of the model was done by comparison with experimental Almen strip shot peening tests reported in literature. Shot peening under pre-stress is demonstrated and its results in terms of residual stress are evaluated. The application of the generalized unit cell is not limited to shot peening.
Kugelstrahlen ist ein im Maschinenbau eingesetztes Verfahren zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit. Es wird z. B. bei hochbelasteten Komponenten in der Luft- und Raumfahrt, der Fahrzeugtechnik, im Turbomaschinenbau und weiteren Industriezweigen angewandt. Die Einstellung der Betriebsparameter der Kugelstrahlanalage findet üblicherweise mit kostenintensiven empirischen Versuchen statt, mit dem Ziel, die vorgegebene Druckeigenspannung zu erreichen. In [1, 2] wird auf der Basis einer dort beschriebenen neuartigen Elementarzelle vorgeschlagen, die Almenstreifenaufbiegung als Mittel zur Spezifikation der Verfestigung heranzuziehen. Dazu ist deren Simulation notwendig, welche sich mit der entwickelten Elementarzelle wirtschaftlich bewerkstelligen lässt. In der hier vorliegenden Veröffentlichung werden die der Elementarzelle zugrundeliegenden Finite-Elemente-Netze (FE-Netze) mithilfe von Einzelbe-schussversuchen validiert. Weiterhin wird eine ähnlichkeitsmechanische Betrachtung des Kugelstrahlprozesses zur vereinfachten Parametereinstellung vorgestellt.
Vanadium carbide (VC) reinforced FeCrVC hardfacings have become important to improving the lifetime of tools suffering abrasive and impressive loads. This is because the microstructural properties of such hardfacings enable the primary VCs to act as obstacles against the penetrating abrasive. Because dilution is supposed to be the key issue influencing the precipitation behaviour of primary carbides during surfacing, the development of deposit welding processes exhibiting a reduced thermal impact, and hence lower dilution to the base material, is the primary focus of the current research. By inserting an additional hot wire in the melt, an approach was developed to separate the material and energy input during gas metal arc welding (GMAW) and hence realised low dilution claddings. The carbide content could be increased, and a grain refinement was observed compared with conventional GMAW. These effects could be attributed to both the reduced dilution and heterogeneous nucleation.
Leichtbauanwendungen auf Basis des Containerbaus bieten ökologische und ökonomische Potenziale für das Bauwesen und sind daher relevant innerhalb der Energiewende zur Erreichung eines nahezu klimaneutralen Gebäudebestandes. Daher werden hier verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen Klimazonen behandelt. Dazu werden zunächst die globalen Klimazonen analysiert und containerbasierte Leichtbaulösungen mit ihren Energiebedarfen und Nutzerprofilen vorgestellt. Durch bautechnische Optimierungen wird nahezu ein Passivhausstandard hergestellt. Auf Basis dieser Eingangsdaten werden verschiedene Energiekonzepte diskutiert, bei denen Solar- und Windenergie, aber auch Biomasse als regenerative Energieträger integriert werden. Die Konzepte werden allesamt mit der Software Polysun® simuliert und analysiert. Die verschiedenen Ansätze werden insbesondere in Bezug auf Energieautarkie, aber auch in Bezug auf Umsetzbarkeit verglichen und bewertet. Beispielsweise können mit einem Konzept bestehend aus einer Photovoltaik-Anlage, Wärmepumpe zur Wärme- und Kälteerzeugung sowie integriertem Batteriespeicher, Wärme- und Kältespeicher, sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Schließlich wird noch der Einfluss der verschiedenen Klimazonen auf die erforderliche energietechnische Gebäudeausstattung sowie Potenziale für andere Anwendungskonzepte beschrieben.
Der Einsatz regenerativer Energien ist eine wichtige Maßnahme zur Minderung von Treibhausgas-Emissionen in der Landwirtschaft und leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Im vorliegenden Fall wird ein Ferkelaufzuchtstall betrachtet, dessen hoher Wärmebedarf aktuell durch spezielle elektrische Wärmelampen gedeckt wird. Zusätzlich besteht regional die Problematik, dass zahlreiche Holzbestände durch den Borkenkäfer befallen sind und somit in nächster Zeit zwangsläufig gefällt werden müssen. Hierdurch fallen die Holzpreise auf den Märkten, weshalb eine Eigennutzung gegenüber dem Brennholzverkauf eine lohnende Alternative darstellt.
In einer Machbarkeitsstudie wird eine Solarthermieanlage ausgelegt, die einen Großteil des hohen Wärmebedarfs der Jungtiere decken soll und deren Überschusswärme in den Sommermonaten zur Trocknung des Hackgutes verwendet wird. Die hierdurch getrocknete Biomasse wird zur Deckung des verbleibenden Wärmebedarfes genutzt, wodurch die Anlage nahezu CO2-neutral ist. In einer Variantenstudie werden verschiedene Auslegungsparameter variiert und in Bezug auf Wirtschaftlichkeit diskutiert.
Regenerative Energiekonzepte zur Versorgung von Containergebäuden für verschiedene Klimazonen
(2020)
Leichtbauanwendungen auf Basis des Containerbaus bieten ökologische und ökonomische Potenziale für das Bauwesen und sind daher relevant innerhalb der Energiewende zur Erreichung eines nahezu klimaneutralen Gebäudebestandes. Daher werden hier verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen Klimazonen behandelt.
Dazu werden zunächst die globalen Klimazonen analysiert und containerbasierte Leichtbaulösungen mit ihren Energiebedarfen und Nutzerprofilen vorgestellt. Durch bautechnische Optimierungen wird nahezu ein Passivhausstandard hergestellt. Auf Basis dieser Eingangsdaten werden verschiedene Energiekonzepte diskutiert, bei denen Solar- und Windenergie, aber auch Biomasse als regenerative Energieträger integriert werden. Die Konzepte werden allesamt mit der Software Polysun® simuliert und analysiert. Die verschiedenen Ansätze werden insbesondere in Bezug Energieautarkie, aber auch in Bezug auf Umsetzbarkeit verglichen und bewertet. Beispielsweise können mit einem Konzept bestehend aus einer Photovoltaik-Anlage, Wärmepumpe zur Wärme- und Kälteerzeugung sowie integriertem Batteriespeicher, Wärme- und Kältespeicher sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Schließlich wird noch der Einfluss der verschiedenen Klimazonen auf die erforderliche energietechnische Gebäudeausstattung sowie Potenziale für andere Anwendungskonzepte beschrieben.
Der nachfolgende Projektbericht, welcher im Rahmen des Masterprojektes und des Moduls „Bildgebende Sensortechnik“ erarbeitet wurde, ist wie folgt den beiden Fächern zuzuordnen.
Die Kapitel, welche sich mit der Inbetriebnahme und den Umgang des SICK RMS320 Radarsensors beschäftigen, sind Teil des Masterprojektes. Dies betrifft die Kapitel 2.2, 4.1, 4.3 und in Teilen das Kapitel 4.5.
Dem Modul „Bildgebende Sensortechnik“ sind hingegen die Messung des Einflusses von Kleidung auf die Erkennungsfähigkeit eines Menschen sowie die Radarmessungen der verschiedene Prüfkörper zuzuordnen. Dies wird in den Kapiteln 2.3, 3, 4.2, 4.4 und 4.5 behandelt.
Die „Grundlagen der Radartechnik“ sind für beide Teile gleichbedeutend wichtig.
In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich ein steigender energetischer Autarkiegrad eines speziellen containerbasierten Einfamilienhauses auf verschiedene ökologische Indikatoren auswirkt. Zur Steigerung des Autarkiegrades wurden folgende Komponenten verbaut und variiert: Photovoltaik (PV) mit und ohne Batteriespeicher sowie Vakuum-Isolations-Paneelen (VIP) und Phasenwechselmaterialien (PCM) in der Gebäudehülle. Bei der Betrachtung der Umweltbelastungen stehen dabei die folgenden Lebenswegphasen im Vordergrund: Herstellung, Nutzung und Verwertung. Das Recycling Potenzial spielt hier eine untergeordnete Rolle. Nach der Definition des Gebäudes und der Ermittlung der Wärme und Strombedarfswerte werden die Ergebnisse für die verschiedenen Umweltindikatoren einzeln errechnet. Das Treibhauspotenzial (GWP), Versauerungspotenzial (AP) und der abiotische Ressourcenverbrauch werden in Abhängigkeit vom Autarkiegrad dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die ökologisch günstigste Lösung je nach Umweltindikator sehr unterschiedlich ausgeprägt ist und zwischen 0 bis 75 % Autarkiegrad liegt. Abschließend findet eine kurze ökonomische Betrachtung statt.