Universität Stuttgart
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Item Open Access Darcy, Forchheimer, Brinkman and Richards : classical hydromechanical equations and their significance in the light of the TPM(2020) Ehlers, WolfgangIn hydromechanical applications, Darcy, Brinkman, Forchheimer and Richards equations play a central role when porous media flow under saturated and unsaturated conditions has to be investigated. While Darcy, Brinkman, Forchheimer and Richards found their equations mainly on the basis of flow observations in field and laboratory experiments, the modern Theory of Porous Media allows for a scientific view at these equations on the basis of precise continuum mechanical and thermodynamical investigations. The present article aims at commenting the classical equations and at deriving their counterparts by the use of the thermodynamical consistent Theory of Porous Media. This procedure will prove that the classical equations are valid under certain restrictions and that extended equations exist valid for arbitrary cases in their field.Item Open Access Modeling of evaporation-driven multiple salt precipitation in porous media with a real field application(2020) Mejri, Emna; Helmig, Rainer; Bouhlila, RachidaSoil and groundwater salinization are very important environmental issues of global concern. They threaten mainly the arid and semiarid regions characterized by dry climate conditions and an increase of irrigation practices. Among these regions, the south of Tunisia is considered, on the one hand, to be a salt-affected zone facing a twofold problem: The scarcity of water resources and the degradation of their quality due to the overexploitation of the aquifers for irrigation needs. On the other hand, this Tunisian landform is the only adequate area for planting date palm trees which provide the country with the first and most important exportation product. In order to maintain the existence of these oases and develop the date production, a good understanding of the salinization problem threatening this region, and the ability to predict its distribution and evolution, should not be underestimated. The work presented in this paper deals with the Oasis of Segdoud in southern Tunisia, with the objective of modeling the evaporation-driven salt precipitation processes at the soil profile scale and under real climatic conditions. The model used is based on the one developed and presented in a previous work. In order to fulfil the real field conditions, a further extension of the geochemical system of the existing model was required. The precipitated salts considered in this work were halite (NaCl), gypsum (CaSO4) and thenardite (Na2SO4). The extended model reproduces very well the same tendencies of the physico-chemical processes of the natural system in terms of the spatio-temporal distribution and evolution of the evaporation and multiple-salt precipitation. It sheds new lights on the simulation of sequences of salt precipitation in arid regions. The simulation results provide an analysis of the influence of salt precipitation on hydrodynamic properties of the porous medium (porosity and permeability). Moreover, the sensitivity analysis done here reveals the influence of the water table level on the evaporation rate.Item Open Access Lebensdauervorhersage von Mischschweißverbindungen für Hochtemperaturbeanspruchung(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2020) Schleyer, Johannes Martin; Seidenfuß, Michael (apl. Prof. Dr.-Ing.)Die Nutzung erneuerbarer Energien soll langfristig die Energieerzeugung durch konventionelle, fossil befeuerte Kraftwerke ablösen. Bis zur vollständigen Realisierung dieses Ziels muss eine ausreichende Anzahl konventioneller Kraftwerke verbleiben, um Fluktuationen in Stromerzeugung und -abruf auszugleichen. Folglich wird auch für diese Kraftwerke weiterhin die Steigerung des Wirkungsgrades angestrebt, was Ausgangspunkt einiger nationaler und internationaler Forschungsinitiativen ist. In Dampfkraftwerken wird der höhere Wirkungsgrad durch eine Anhebung von Dampftemperatur und -druck bis 700 °C und 350 bar ermöglicht, was jedoch zugleich die Beanspruchung der Werkstoffe immens erhöht. Nach derzeitigem Forschungsstand kann diese nur von Nickelbasiswerkstoffen über ausreichend lange Zeiträume ertragen werden. Zugleich ist der Einsatz solcher Werkstoffe in Kraftwerkskomponenten technologisch herausfordernd und aufgrund der kostenintensiven Legierungselemente aus ökonomischer Sicht zu beschränken. Folglich sollen in den Bereichen niedrigerer Temperaturen weiterhin geeignete (u.a. 9-12%Cr-)Stähle verwendet werden, was zwangsläufig zu Mischverbindungen zwischen Nickelbasiswerkstoffen und Stählen führt. Bei der Zeitstandbeanspruchung solcher Mischverbindungen mit modernen 9-12%Cr-Stählen zeigt sich wiederkehrend ein sehr verformungsarmer Bruch entlang der Fusionslinie zum Stahl. Durch die geringe Verformung bis zum Bruch und die stark lokalisierte Porenschädigung lässt sich eine derartige Mischverbindung nur schwer überwachen und es liegt gegenwärtig kein „Leck-vor-Bruch“-Konzept vor. Insofern stellt der Fusionslinienbruch ein hohes, schwer kalkulierbares Risiko dar. Zugleich lassen sich Zeitstandversuche verschiedener Werkstoffkombinationen nicht immer zu einem gemeinsamen Erklärungsansatz harmonisieren. Dies gilt insbesondere mit Blick auf den Zusammenhang zwischen Spannung und der Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieser Fusionslinienbrüche. Aktuelle Veröffentlichungen machen darüber hinaus deutlich, dass der umfassend erforschte Schädigungsmechanismus für solche Schweißverbindungen zwischen Nickellegierungen und 2,25%Cr-Stählen nicht unbedingt auf die Verbindungen mit 9-12%Cr-Stählen übertragbar ist. Darüber hinaus ist es bisher nicht möglich, das Auftreten der Fusionslinienbrüche befriedigend mittels Finite-Elemente-Methode zu beschreiben. Verfügbare Ansätze für artgleiche Verbindungen können Mischbrüche (Bruch zum Teil entlang der Fusionslinie und zum Teil in der Wärmeeinflusszone) allenfalls ansatzweise darstellen. Bereits für artgleiche Schweißverbindungen ist zudem keine quantitative Aussage über Bruchlage und -zeitpunkt möglich. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine Schweißverbindung der Gusswerkstoffe Alloy 625 und GX12CrMoVNbN9-1 untersucht. Neben der Charakterisierung des Zeitstandverhaltens erfolgt eine umfangreiche Untersuchung der Bruchflächen. Entsprechend noch offener Fragestellungen der bisherigen Literatur, betrachten die Untersuchungen dabei insbesondere die Mikrostruktur nahe der Fusionslinie (Fusionslinienarten, Karbide, Grenzschichtband). Die Ergebnisse werden im Kontext der Literatur und weiterer Untersuchungen an weiteren Nickelbasiswerkstoff-Stahl-Verbindungen, die an der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart durchgeführt wurden, diskutiert. Eine hierfür erarbeitete Kategorisierung der auftretenden Bruchaussehen ermöglicht dabei zunächst eine einheitliche Bezeichnung der unterschiedlichen Bruchaussehen. Im weiteren Verlauf werden Einflussfaktoren herausgearbeitet und einige Literatur-Schlussfolgerungen erneut bewertet. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird ein dehnungsbasiertes Versagenskriterium zur numerischen Bewertung von Schweißverbindungen unter Kriechbeanspruchung, mit besonderem Augenmerk auf Fusionslinienbrüche, vorgestellt. Das Versagenskriterium beruht auf der abhängig vom Zustand der Spannungsmehrachsigkeit berechneten Verformungsfähigkeit des Werkstoffs (Grenzdehnung) und deren Erreichen im beanspruchten Querschnitt. Es wird in seiner Eignung schrittweise erprobt, zunächst an Grundwerkstoffversuchen (einachsig und mehrachsig beansprucht), dann an artgleichen Schweißverbindungen (Zeitstandproben und Druckbehälter) und schließlich an Mischverbindungen (Stahl-Stahl, Nickelbasis-Stahl). Ergänzend wird der Einfluss einer kriechschwachen Zone an der Fusionslinie sowie der Einfluss der Festigkeit des Schweißguts auf den Fusionslinienbruch numerisch untersucht. Für eine geeignete Modellierung des Kriechverhaltens von Schweißverbindungen mittels Kriechgesetz, müssen auch für die Wärmeeinflusszonen die Materialparameter identifiziert werden. Da von diesen Zonen das Verformungsverhalten selten bekannt ist, wird auf Basis einer Datensammlung ein Ansatz zur Abschätzung des Werkstoffverhaltens über die Grundwerkstoff-Eigenschaften vorgestellt. Die vorliegende Arbeit dient damit zur Erweiterung des Kenntnisstands zum Versagensverhalten von artfremden Nickelbasiswerkstoff-Stahl-Schweißverbindungen unter Kriechbeanspruchung, auch von Gusswerkstoffen. Sie führt offene Fragestellungen fort und liefert Ansätze, bisher widersprüchliche Ergebnisse zu harmonisieren. Zudem wird ein Modellierungsvorgehen für das Kriechverhalten der Wärmeeinflusszone in Schweißverbindungen sowie ein Versagenskriterium vorgestellt, welches sich für Versuche an Grundwerkstoffen und artgleichen sowie artfremden Schweißverbindungen eignet.Item Open Access Reconstruction of μXRCT data sets using the ASTRA toolbox(2020) Voland, PaulItem Open Access Resolving heterogeneities in single and multiphase bioreactor systems - Predictive modelling tools towards successful scale-up(2020) Kuschel, Maike; Takors, Ralf (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access A metal hydride air-conditioning system for fuel cell vehicles(2020) Weckerle, Christoph; Thess, André (Prof. Dr.)High-pressure tanks are the established hydrogen storage technology for automotive systems. However, around 15% of the lower heating value of hydrogen is required for compression up to a pressure of 700 bar. Since this energy is available onboard but has been wasted so far, an “open” cooling system based on metal hydrides (MHs) is a promising way to utilize the potential energy of compressed hydrogen. The thesis presents the systematic investigation of a first-of-its-kind system and a demonstration of the extent to which this energy can be transformed into useful cold. For this purpose, an experimental setup is built that consists of two novel plate reactors coupled to a polymer electrolyte membrane fuel cell (FC). The reactors with an optimized heat transfer characteristic and an average heat transfer distance in the MH bed of 0.44 mm are filled with around 1.5 kg of Hydralloy® C2 (Ti0.98Zr0.02Mn1.46V0.41Cr0.05Fe0.08), which is thermodynamically characterized in the temperature range of 0-50 °C. The functional demonstration at an electrical power of 5 kW shows that the FC operation is not affected by the alternately H2-desorbing reactors with a half-cycle duration of 145 s. Hydrogen is absorbed at a pressure of 35 bar and a continuous flow rate is released at an FC backpressure of 4.1 bar. Under reference conditions for an ambient temperature of 30 °C and a cooling temperature of 20 °C, around 45% of the as-yet-unexploited potential energy of hydrogen at 700 bar can be utilized by generating a cooling effect. A novel operation optimization of time-shifted valve switching increases the performance by more than 50% compared to the case without its implementation. Based on reference conditions, extensive performance investigations are performed while varying the key influencing parameters: the electrical FC power and the operating temperatures. The variation of the electrical FC power between 1.8 and 7.9 kW results in a maximum average cooling power of 807 W at an electrical power of 7 kW, reaching a specific cooling power of 564 W kgMH-1 referred to the MH mass of a single reactor. The performance decreases with rising ambient temperatures (varied in the range of 24.3-42.3 °C) and decreasing cooling temperatures (varied in the range of 13-25.4 °C) due to increased thermal losses and reduced half-cycle times. To further improve the performance, the plate reactor is numerically investigated and optimization recommendations are given. The validated model shows that an increase of the cooling power is obtained by reducing the distance of the hydrogen gas transport, the porosity of the MH bed and the FC backpressure. For this optimized system design, related to the maximum obtainable cooling power of 18.3% of the electrical FC power, cooling efficiencies above 60% are feasible even in harsher operating conditions. As an innovative “hydrogen pressure transducer”, the system can be transferred to all applications where a hydrogen pressure difference is available.Item Open Access Acid-base flow battery, based on reverse electrodialysis with bi-polar membranes : stack experiments(2020) Xia, Jiabing; Eigenberger, Gerhart; Strathmann, Heinrich; Nieken, UlrichNeutralization of acid and base to produce electricity in the process of reverse electrodialysis with bipolar membranes (REDBP) presents an interesting but until now fairly overlooked flow battery concept. Previously, we presented single-cell experiments, which explain the principle and discuss the potential of this process. In this contribution, we discuss experiments with REDBP stacks at lab scale, consisting of 5 to 20 repeating cell units. They demonstrate that the single-cell results can be extrapolated to respective stacks, although additional losses have to be considered. As in other flow battery stacks, losses by shunt currents through the parallel electrolyte feed/exit lines increases with the number of connected cell units, whereas the relative importance of electrode losses decreases with increasing cell number. Experimental results are presented with 1 mole L^-1 acid (HCl) and base (NaOH) for open circuit as well as for charge and discharge with up to 18 mA/cm2 current density. Measures to further increase the effciency of this novel flow battery concept are discussed.Item Open Access Glass fracture during micro-scratching(2020) Zakiev, Islam; Gogotsi, George A.; Storchak, Michael; Zakiev, VadimThe regularity of glass surface fracture and resistance to destruction were investigated by the methods of progressive and static microscratching with the Berkovich indenter. The research hardware was the original nanoindentation/microscratching devices and a non-contact interference profilometer for studying the morphology of the formed microscratches. The regularities of the fracture stages and the cracks growth along the microscratch were established depending on the indenter applied load. Based on analysis of the microcracks profile formed at various loads on the indenter immediately after the process of applying these scratches and after several hours of rest, it was found that the process of crack propagation along the scratch continues for a long time. Taking into account this established fact, a discrete-statistical method of the cracks formation for a long time is proposed. In accordance with this method, scratching is carried out with a constant load on short and separated tracks. The load on the indenter in each track increases discretely with a certain step. The influence of the medium on the scratching process is analyzed. The breaking mechanism in the glasses scratching process is formulated as the load on the indenter increases, and a model of the glass fracture stages is proposed.Item Open Access Analyse und Optimierung von Tropfvorgängen zur Dosierung flüssiger Medikamente(2020) Hummel, Sebastian; Sandmaier, Hermann (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Methode zur technischen Auslegung von Vakuumgreifsystemen mit einer Mindesthaltedauer auf Basis fluidischer Untersuchungen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Straub, David; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Der Trend der Robotisierung zeigt sich unter anderem darin, dass neben den Industrierobotern, die hinter Schutzzäunen zum Einsatz kommen, immer mehr Roboter für kollaborative Anwendungen herangezogen werden. Da ein großer Teil aller Industrieroboter für Handhabungsaufgaben verwendet wird, entstehen durch den schutzzaunlosen Betrieb der Roboter neue Herausforderungen für die Auslegung von für diese Handhabungsaufgaben verwendeten Greifsysteme. Sicherheitseinrichtungen formschlüssiger mechanischer Greifsysteme sind bekannt, wirken sich jedoch aufgrund der mit dem umschließenden Griff einhergehenden vergrößerten äußeren Abmaße nachteilig auf den Handhabungsvorgang aus. Vakuumgreifsysteme sind hier infolge des einseitigen Griffs im Vorteil, verfügen dadurch jedoch über keine Sicherheitseinrichtungen, die einen Verlust des Werkstücks bei Auftreten eines Energieausfalls, zumindest temporär, verhindern. Um diesen Zielkonflikt zu lösen, wird in dieser Arbeit eine Methode für die technische Auslegung von Vakuumgreifsystemen mit einer Mindesthaltedauer auf Basis fluidischer Untersuchungen entwickelt. Die dafür relevanten fluidischen Vorgänge, insbesondere die Leckage, werden ausführlich untersucht. Die entwickelte Methode nutzt die Kenntnisse der Leckage eines Referenzsystems und erlaubt es, Aussagen darüber zu treffen, wie sich Anpassungen des Referenzsystems an die jeweilige Handhabungsaufgabe auf die Haltedauer des Werkstücks auswirken. Durch die Methode ist es daher möglich, aufbauend auf dem bekannten Vorgehen zur Auslegung von Vakuumgreifsystemen zur Aufbringung einer erforderlichen Mindestgreifkraft, eine zusätzliche Auslegung zur Erreichung einer Mindesthaltedauer im Auftreten eines Energieausfalls durchzuführen.