04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Untersuchung der Antriebsstrangdynamik in Windenergieanlagen(2020) Horch, JoachimDiese Arbeit beschäftigt sich damit die Stabilität und Funktionstüchtigkeit des Antriebsstranges einer Windenergieanlage der Größenordnung 10 MW zu untersuchen. Hierfür erfolgt der Aufbau eines Computermodells einer 10-MW-Windenergieanlage mithilfe des Mehrkörpersimulationsprogrammes SIMPACK. Weiterhin wird eine Parameterstudie durchgeführt, welche über eine Matlab-induzierte SIMPACK-Simulation speziell ausgewählte Parameter des Antriebsstranges variiert, Simulationen durchführt und so den Einfluss bestimmter Parameter, sowie Parameterkombinationen, auf die Stabilität des Antriebsstranges prüft. Auf diese Weise sollen Stabilitätskriterien für einen Antriebsstrang dieser Größenordnung ermittelt werden. Es erfolgen sowohl statische, als auch dynamische Untersuchungen.Item Open Access Wege zur Ermittlung von Energieeffizienzpotenzialen von Informations- und Kommunikationstechnologien(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2020) Miller, Michael; Hufendiek, Kai (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Konzepte zur Übertragbarkeit von Prozessparametern des Rührreibschweißens(2016) Noveva, Radostina; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Der Einsatz von Aluminiumlegierungen hat sich als eine Schlüsselkomponente in zahlreichen Leichtbaukonzepten etabliert. Ein wichtiger Aspekt bei der industriellen Anwendung von Aluminiumwerkstoffen ist mit ihrer Schweißeignung verbunden. Das Rührreibschweißverfahren bietet eine einfache, umweltfreundliche und wirtschaftliche Methode zum Fügen von solchen Materialien. Die Integration dieses Verfahrens in den Fertigungsprozessketten kleiner und mittelständischer Unternehmen ist jedoch mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden. Dazu gehören beispielsweise die unzureichenden Informationen über die Randbedingungen des Schweißprozesses sowie die begrenzte Übertragbarkeit von Prozessparametern auf unterschiedliche Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Schweißparameterstudien an drei Aluminiumlegierungen (EN AW-5454-O, EN AW-5754-O und EN AW-6016) durchgeführt. In einer Reihe von Experimenten, realisiert an einer Rührreibschweißanlage und zwei Werkzeugmaschinen, konnten die verbindungsspezifischen Prozessfelder für die jeweilige Werkstoff-Blechdicken-Konfiguration ermittelt werden. Die Prozessfelder umfassen unterschiedliche Kombinationen der Hauptschweißparameter Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit des Schweißwerkzeugs sowie Anpresskraft Fz auf den zu schweißenden Halbzeugen. Die Eignung der Parametersätze für die gestellte schweißtechnische Aufgabe wurde anhand des Vergleichs der mechanischen und der mikrostrukturellen Eigenschaften der hergestellten Verbindungen beurteilt. Für jeden Versuchswerkstoff wurden gezielt zwei Gruppen von Parametersätzen gewählt. Mit der ersten Gruppe konnte keine direkte Übertragbarkeit der guten Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Verbindungen auf die unterschiedlichen Anlagen gewährleistet werden. In der zweiten Gruppe wurden Parametersätze betrachtet, mit denen, unabhängig von den verwendeten Schweißanlagen, eine wiederholbar gute Qualität der Verbindungen erzielt werden konnte. Die Wiederholung und die weiterführende thermographische Analyse solcher Parametersätze haben aufgezeigt, dass die Abweichungen in der Qualität der Schweißverbindungen bei einer relativ geringen Wärmeeinbringung in der Fügezone auftreten d.h., dass die unterschiedlichen Steifigkeiten der Versuchsanlagen nur bei ungünstigen Randbedingungen der Prozessführung eine messbare Reduktion der Qualität der Verbindungen verursachen. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss der Anlagensteifigkeit und der Positioniergenauigkeit beim Fügen von dünnen Halbzeugen und von Werkstoffen mit hoher Festigkeit zunimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden als Grundlage für die Entwicklung eines analytischen Modells verwendet. Letzteres beschreibt die Zusammenhänge zwischen den, beim Rührreibschweißprozess auftretenden Anpresskräften und dem Schweißsystem, das aus den zu fügenden Halbzeugen und der entsprechenden Schweißvorrichtung (Rührreibschweißanlage und/oder Werkzeugmaschine) besteht. Die Konzeption dieses Modells ermöglicht eine praxisnahe und einfache Ermittlung von Prozesskräften für unterschiedliche Anwendungsfälle, unter Berücksichtigung der Maschinensteifigkeit, der Abmessungen der Schweißwerkzeuge sowie der temperaturabhängigen Materialeigenschaften der Halbzeuge. Die Verknüpfung der o. g. Einflussgrößen erlaubt die deutliche Verbesserung bestehender Ansätze zur Übertragbarkeit von Rührreibschweißparametern.Item Open Access Optimierung des örtlichen Auflösungsvermögens in der aktiven Thermografie durch eine Lockin-Kompensationsmethode und der KI-gestützten Invertierung thermischer Wellen(2024) Rittmann, Johannes; Kreutzbruck, Marc (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die aktive Thermografie (TT) nutzt den natürlichen diffusen Wärmefluss, um aus der gemessenen Oberflächentemperatur Rückschlüsse auf die innere Struktur von technischen Bauteilen oder biologischen Proben zu ziehen. Allerdings beeinträchtigt die Diffusion thermischer Wellen und der dadurch induzierte laterale Wärmefluss in Prüfkörpern die herkömmlichen TT-Verfahren, da sie zu einer Verschmierung des Antwortsignals führen. Diese Arbeit widmet sich der Optimierung des örtlichen Auflösungsvermögens in der TT an isotropen Kunststoffen durch zwei Ansätze. In der Lockin-Thermografie-Kompensation (LTC) wird der störende laterale Wärmefluss durch gezielte inhomogene Anregung reduziert, was zu einer quasi 1D-Prüfsituation führt. Dies ermöglicht die sichere und hochauflösende Abbildung von Fehlstellen unabhängig von ihrer Tiefe bis zur thermischen Eindringtiefe, wobei das örtliche Auflösungsvermögen in den betrachteten Anwendungsfällen um mindestens den Faktor 2,2 und im Mittel um mehr als den Faktor 6 verbessert wird. Die Separierbarkeit eng benachbarter Fehlstellen nimmt um den Faktor 4 zu. Der zweite Ansatz verwendet neuronale Netze (NN), um Oberflächentemperaturen nach einer Puls-Thermografie-(PT-)Messung ohne weitere Regularisierungen direkt zu invertieren und in eine 2,5D-Prüfkörperinformation zu überführen. Diese Methode liefert für eine große Anzahl an Datensätzen rauschbehafteter Simulationen beeindruckend genaue Ergebnisse, aber selbst für wenige experimentelle Daten bestehend aus einigen zehn Thermogrammen beträgt das örtliche Auflösungs-vermögen ~2 Pixel bzw. ~0,5 mm bei einer mittleren Abweichung der Tiefenvorhersage von lediglich ~0,4 mm. Diese beiden Methoden demonstrieren die Überwindung herkömmlicher Einschränkungen der TT und ermöglichen die hochauflösende Darstellung von Fehlstellen. Dies eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten für die TT, insbesondere in Prüfsituationen, in denen bisherige Methoden aufgrund ihres begrenzten örtlichen Auflösungsvermögens nicht ausreichend waren. Diese Fortschritte haben das Potenzial, in automatisierten Prüfprozessen verwendet zu werden und etwa die zeitaufwendigen und berührenden Ultraschallprüfungen von kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen (CFK) zu substituieren. Darüber hinaus eröffnen sich Anwendungsmöglichkeiten im Gesundheitswesen, in der die TT vielversprechende Ergebnisse aufzeigt, bisher jedoch aufgrund eines begrenzten örtlichen Auflösungsvermögens nicht zum Einsatz kommt.Item Open Access Modeling of porous polymer membrane formation(2017) Hopp-Hirschler, Manuel; Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)Porous polymer membranes are used in several separation processes, e.g. in dialysis or in water purification. The morphology of the membrane affects the quality of separation, e.g. selectivity, as well as the mechanical stability of the membrane. To control the morphology of the membrane during the preparation process we first need to understand the mechanism that leads to different pore structures. It is desirable to use a numerical model to predict the pore type and detailed structure. Wet-casting is a very common preparation process for porous polymer membranes where a liquid precipitation agent is used. Herein, a polymer solution and a coagulation bath is brought into contact. After contact the polymer solution is driven into a miscibility gap and starts to phase separate into a polymer lean and a polymer rich phase. Starting from the contact area between polymer solution and coagulation bath a pore structure grows where the polymer rich phase leads to the pore matrix. Although the process is used frequently in the last decades, its mechanism is still not fully understood. Therefore, the motivation in this thesis is to bridge experimental observations from membrane science to theoretical physics where concepts exist to understand the formation of pore structures in porous polymer membranes.Item Open Access Simulationsmethodiken zur Beschreibung des Rissverhaltens an Abgasbauteilen unter thermomechanischer Ermüdungsbeanspruchung(2018) Schlegel, Jan; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)In der Verbrennungsmotorentwicklung macht das sogenannte Downsizing eine betriebsfeste Auslegung von Abgaskomponenten zunehmend schwieriger. Hier machen steigende thermomechanische Belastungen die Entstehung von Rissen an bestimmten, kritischen Stellen unvermeidbar. In der Regel beeinträchtigen jedoch nur Durchrisse die Funktion von Abgasbauteilen. Zu einer zuverlässigen Bauteilbewertung gehört daher die Beurteilung von Anrissen bezüglich des Ausbreitungspfads und der Wachstumsgeschwindigkeit. Da experimentelle Untersuchungen - gerade im Falle verschiedener Werkstoffund Geometriekandidaten - sehr kostspielig sind, sollen in dieser Arbeit Methoden zur rechnerischen Beschreibung von Rissen mittels FEM entwickelt werden. Im Rahmen der schriftlichen Ausarbeitung wird dies anhand des Werkstoffs D-5S und zweier Methoden von verschiedenartigem Ansatz dargestellt. Zunächst finden Versuche an einem Prüfstand für Prinzipproben, den sogenannten Zungenproben, statt. Dies umfasst auch metallographische Untersuchungen der Prozesszone und des Risspfads, um Aufschluss über die Eignung potentieller Berechnungsmethoden zu geben. Im Anschluss erfolgt auf dieser Basis die Entwicklung der verschiedenen Methoden. Das beinhaltet beispielsweise geeignete Rissfortschrittskriterien, die Einführung einer Zustandsgrößengewichtung oder die Rissrichtungsbestimmung. Die Parameterermittlung für die Rissfortschrittsmodelle, welche eine geraffte zeitliche Beschreibung ermöglichen sollen, findet über Rissfortschrittskurven der Prinzipproben statt. Da die Geometrie dieser Proben bewusst einfach gehalten ist, an komplexen Geometrien jedoch eine Vielzahl an Lastfällen auftreten können, muss eine Validierung der Modelle stattfinden. Dafür wird ein Turbinengehäuse ausgewählt, welches auf einem Heißgasprüfstand getestet und auf Risse untersucht wird. Durch die große Anzahl an Rissen kann anschließend eine Bewertung der vorgestellten Methoden stattfinden. Diese schließt neben der Prognosequalität auch deren Anwendbarkeit und Stabilität ein.Item Open Access Zusammenfassung des Working Paper „Technologien und Geschäftsmodellmuster des Smart Grids - Eine Multimodale Erhebung der aktuellen Trends und Analyse der Wechselwirkungen"(2020) Häbig, Pascal; Peper, Dominik; Fluri, VerenaItem Open Access Development of a novel method and apparatus for analysis of die dynamics of an isothermal thermoset pultrusion process(2021) Selvarayan, Sathis Kumar; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)Pultrusion is a continuous process to manufacture constant cross-sectional fibre reinforced composite profiles. The profiles take their shape as the continuously moving fibre-matrix combination consolidates inside the cavity of a pultrusion die. The temperature-induced viscosity and volumetric changes of the fibre-matrix during the consolidation as well as the friction between the die wall and the moving fibre-matrix generates shear and normal forces that act on the die wall - phenomena known as “die dynamics”. Quantification and analysis of the die dynamics are crucial to understand and control the pultrusion process. However, state-of-the-art methods available to characterise the pultrusion process have limited capability to record the forces that act on the die wall at each position along the length of the pultrusion die. Further, the on-line measurement techniques demand full-scale pultrusion line which, in general, are resource intensive. In addition, the available methodologies have not considered the impact of process additives on the die dynamics. This research work, therefore, focuses on developing a resource-efficient offline testing method to characterise the die dynamics of a thermoset pultrusion process and to pre-determine the required process parameters for a given fibre-matrix combination. In the newly developed approach, called rotating core method, pre-impregnated rovings wound on a solid core with defined fibre volume fraction rotates about the axis of the core inside a hollow cylindrical heated die. The rotational velocity of the rotating core is set to be identical to the line speed of the pultrusion process. The rotating fibre-matrix undergo temperature-induced polymerisation leading to the transformation of the fibre-matrix into a solid composite within the cylindrical die. This mimic the dominant phenomena that occur inside a pultrusion die in the pultrusion process. An apparatus developed within the scope of this work, the Die Dynamics Simulator (DDS), for the first time allows to continuously measure the torque exerted by the rotating fibre-matrix on the DDS die during the polymerisation process. The measured torque represents the resistive forces that arise within the die during the consolidation of the fibre-matrix combination. Evaluation of the curing kinetics and rheology of the resin formulations facilitates the characterisation of their polymerisation behaviour enabling identification of the components of the resistive forces. Further, this work investigates the influence of the following parameters on die dynamics using the developed apparatus: (1) die temperature, (2) velocity of the fibre-matrix, (3) contact area of the die and the fibre-matrix, (4) part thickness, (5) fibre volume fraction, and (6) process additive - internal mould release (IMR). Subsequently, the developed methodology is validated against the pultrusion process using a lab-scale pultrusion line. The results show the dependency of the resistive forces on the individual and the interactions between multiple parameters. More importantly, the experiments conducted with varying concentrations of IMR permitted to evaluate the implication of the mould release on the evolving resistive forces within the die. The results further provide insight at which phase of the polymerising matrix is the IMR most effective. Comparison of the measured forces on the DDS and from that measured on the pultrusion line show good fit for higher fibre volume fractions of the consolidated composite.Item Open Access Coolability of volumetrically heated particle beds(Stuttgart : Institut für Kernenergetik und Energiesysteme, 2017) Rashid, Muhammad; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing. habil.)Item Open Access Thermo-hydraulic analysis of wall bounded flows with supercritical carbon dioxide using direct numerical simulation(Stuttgart : Institute of Nuclear Technology and Energy Systems, 2018) Pandey, Sandeep; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing. habil.)The power cycle based on supercritical carbon dioxide technologies promises a higher thermal efficiency and a compact plant layout. However, heat transfer and hydraulic characteristics are peculiar in the near-critical region due to the sharp variation of thermophysical properties in a narrow temperature and pressure range. Therefore, this works presents the results of several direct numerical simulations (DNS) of turbulent wall-bounded flow at supercritical pressure. The spatially developing pipe flows are simulated with the low Mach number approximation to characterize the cooling process of supercritical carbon dioxide. The upward and downward flow of carbon dioxide in vertical orientation has been considered. Heat transfer deterioration followed by recovery is observed in the downward flow while enhancement occurs in the upward flow as compared to forced convection. During the heat transfer deterioration, sweep and ejection events are decreased greatly, triggering the reduction in turbulence. The recovery in turbulence is brought by the Q1 and Q3 (also known as outward and inward interaction) events, contrary to the conventional belief about turbulence generation. The turbulence anisotropy of the Reynolds stress tensor showed that the turbulence structure becomes rod-like during the deteriorated heat transfer regime in the downward flow and disc-like for the upward flow. In addition to low Mach number DNS, a framework for using fully-compressible discontinuous Galerkin spectral element method for DNS of supercritical carbon dioxide is presented. A turbulent channel flow is considered to demonstrate the ability of this framework and to observe the effects of Mach number in the supercritical fluid regime. The increase in the Mach number increases the turbulence in the flow for a given Reynolds number. Finally, a computationally light data-driven approach for heat transfer and hydraulic characteristics modeling of supercritical fluids is presented based on the deep neural network. This innovative approach has shown remarkable prediction capabilities.