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Fluid- und Feststofftransport in Rohrsystemen und Pumpstationen

Fluid- und Feststofftransport in Rohrsystemen und Pumpstationen von Ismael,  Bashar
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Thematik des hydraulischen Feststofftransports in Druckrohrleitungen zur Bestimmung der hydraulischen Energieverluste des Wasser-Feststoff-Gemisches und der wirtschaftlichen Gemischgeschwindigkeit (der s. g. kritischen Geschwindigkeit). Zu diesem Zweck wurde der Feststoff-Transport-Prozess in Rohrleitungen mithilfe von zwei im Hubert-Engels-Labor des Instituts für Wasserbau und Technische Hydromechanik der Technischen Universität Dresden aufgebauten Modellen untersucht. Die Untersuchungen fanden sowohl in horizontaler als auch in ±15° geneigten Leitungen statt. Die Rohrleitung wies einen Durchmesser von 100mm auf. Als Feststoff kamen hauptsächlich zwei Sandfraktionen zum Einsatz (0,71-1,25 mm und 1,4-2,2 mm) und zum Teil auch eine feinere Sandfraktion (0,1-0,5 mm) mit einer Partikeldichte von 2650 kg/m³. Dabei wurden Transportkonzentrationen bis maximal 5 % erreicht. Ziel der Untersuchungen war, mithilfe der Messdaten eine Formel zur Berechnung des Verlustanteils der dispersen Phase an dem gesamten Energieverlust besonders für das heterogene und das quasi-homogene Transportregim in Abhängigkeit von den Einflussgrößen (Dichte, Konzentration, Partikeldurchmesser etc.) abzuleiten. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war, die kritische Gemischgeschwindigkeit genauer zu betrachten und einen entsprechenden Rechenansatz aufzustellen. Diese Geschwindigkeit stellt den Übergang von dem Transport mit beweglicher Sohle zum heterogenen Feststofftransport dar und ist für den stabilen und wirtschaftlichen Betrieb der Rohrleitung von besonderer Relevanz. Nach Abschluss der physikalischen Versuche erfolgte die Auswertung der Messdaten, so dass zunächst ein Verlustdiagramm für jede Rohrstrecke und jede Sandfraktion erstellt wurde. Im Anschluss wurden die Messergebnisse mit den Ansätzen bekannter Autoren nachgerechnet und verglichen. In einem weiteren Schritt erfolgte eine Ableitung von Rechenansätzen sowohl für den Energieverlust als auch für die Kritische Gemischgeschwindigkeit. Des Weiteren wurde der Feststofftransport mit der Software ANSYS-Fluent numerisch untersucht. Im Fokus der Modellierung stand die Festsetzung der Wandrandbedingung für die disperse Phase, mit Hilfen derer die physikalisch gemessenen Energieverluste des Wasser-Feststoff-Gemisches erreicht werden konnten. Die Simulationen wurden mit dem Euler-Granular-Modell durchgeführt. Hierbei wird der Feststoff als zweites Kontinuum betrachtet und seine rheologischen Eigenschaften wurden durch die Erweiterung der kinetischen Theorie der Gase auf die disperse Phase (eng. kinetic theory of granular flow KTGF) berechnet. Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse des numerischen Modells realitätsnah sind, war es unerlässlich, das Modell anhand der in der Literatur vorhandenen Experimente zu validieren. Es wurden daher experimentelle Versuche sowohl in horizontaler als auch in geneigter und vertikaler Rohrleitung ausgewählt und numerisch mit dem Euler-Granular-Modell modelliert und die Ergebnisse anschließend verglichen. Die numerische Berechnung einer partikelbeladenen Strömung mit dem angewendeten zwei-Fluid-Modell (TFM) hat sich als effiziente Methode zur Nachbildung der realen Strömungsgrößen für alle möglichen vorkommenden Feststoffkonzentrationen bewährt und liefert gute bis sehr gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen.
Aktualisiert: 2021-04-22
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Tagungsband 30. Dresdner Brückenbausymposium – Ergänzungsband 2021

Tagungsband 30. Dresdner Brückenbausymposium – Ergänzungsband 2021 von Curbach,  Manfred
Der vorliegende Tagungsband erscheint anlässlich des 30. Dresdner Brückenbausymposiums. Da die Tagung von 2020 in das Jahr 2021 verschoben werden musste, wurde ein Ergänzungsband zum eigentlichen Tagungsband erstellt. Hier finden sich einige Fortschreibungen der Hauptbeiträge des Tagungsbandes 2020, zwei ergänzende Fachbeiträge und eine Fortschreibung der Chronik des Brückenbaus. Der Band ist auch elektronisch Open Access verfügbar.
Aktualisiert: 2021-04-15
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Experimentelle Untersuchungen des Verbundverhaltens von Carbonstäben in Betonmatrices

Experimentelle Untersuchungen des Verbundverhaltens von Carbonstäben in Betonmatrices von Schumann,  Alexander
Zur Beschreibung des Tragverhaltens von FVK-bewehrten Bauteile ist die Kenntnis über das Verbundverhalten zwischen FVK-Bewehrung und Beton essentiell, um eine Verwendung in der Baubranche finden zu können. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit das Verbundverhalten zwischen verschiedenen Carbonstäben und einem ausgewählten hochfesten Beton weitreichend untersucht, um neue Kenntnisse über die in Deutschland und auch international noch relativ unerforschte Thematik erzielen zu können. Aufbauend auf der Beschreibung des Standes des Wissens zum Verbundverhalten von Stahlbeton, zu FVK-Bauteilen im Allgemeinen und zum Verbundverhalten von FVK-bewehrten Bauteilen, wurden eine Vielzahl an experimentellen Verbundversuchen durchgeführt. Zu Beginn wurden in einer ersten Versuchsserie verschiedene Carbonstäbe mit unterschiedlichen Oberflächenprofilierungen und Herstellungsmethoden im Verbundversuch miteinander verglichen. Mit Hilfe der Voruntersuchungen konnte eine Stabvariante als Vorzugsvariante für weitergehende Betrachtungen ausgewählt werden. Anschließend wurde der zuvor als Referenzstab definierte Carbonstab experimentell umfangreich untersucht sowie erste analytische Modelle aufgestellt. Zusätzlich zu den Auszugversuchen wurde die Spaltneigung des Carbonstabes mit Hilfe von verschiedenen Dehnkörper- und Endverankerungsversuchen in Zusammenhang mit dem hochfesten Beton erforscht. Im Zuge dessen konnte festgestellt werden, dass der Referenzcarbonstab aufgrund des guten Verbundverhaltens zwischen Carbonstab und dem hochfesten Beton bei Probekörpern mit realen Betondeckungen eine zum Teil hohe Spaltneigung aufweist. Durch die Verwendung von verschiedenen Probekörpern mit unterschiedlichen Betondeckungen konnte gezeigt werden, dass der Bewehrungsgrad einen maßgeblichen Einfluss auf die Spaltneigung besitzt. Zum Abschluss der Arbeit wurden ein analytisches Verbundgesetz für den Carbonstab sowie verschiedene Ansätze für die Herleitung eines Bemessungsverbundwertes aufgezeigt.
Aktualisiert: 2021-04-22
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Spritzgießverfahren mit Endlosfasereinzug

Spritzgießverfahren mit Endlosfasereinzug von Schadhauser,  Maximilian
Die vorliegende Arbeit betrifft ein neues Direktverarbeitungsverfahren zur kosten- und ressourceneffizienten Herstellung faserversträrkter Spritzgießbauteile (SE-Verfahren). Ein charakteristisches Merkmal des SE-Verfahrens besteht darin, dass die Faserkomponente in Form endloser Rovings direkt in eine Spritzgießplastifiziereinheit eingebracht wird. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines kostenintensiven vorgeschalteten Plastifizierextruders. Jedoch resultiert daraus auch eine Vielzahl technischer Herausforderungen in Bezug auf die Faserimprägnierung, die Faserlängen im Bauteil und die homogene Verteilung der Fasern. Aus diesem Grund sind im SE-Verfahren neuartige Maßnahmen zur Lösung der genannten technischen Herausforderungen implementiert. Der wissenschaftliche Kern der vorliegenden Arbeit besteht in der Gewinnung neuer Erkenntnisse über Teilprozesse des SE-Verfahrens. Konkret werden in Anlehnung an die oben genannten Herausforderungen die Themenkomplexe „Imprägnierung“, „Faserschnitt“ und „Homogenisierung“ beleuchtet. Zudem werden Phänomene in Bezug auf die „Förderung und Aufbereitung des Plastifikats“ analysiert. Die Untersuchung erfolgt zunächst im Rahmen einer theoretischen Annäherung durch Modellbildung und Simulation. Dieser Herangehensweise werden experimentelle Untersuchungen gegenübergestellt, mittels derer die Modelltheorie hinsichtlich ihrer Validität bewertet wird. Abschließend wird das SE-Verfahren mit einem konventionellen Verfahren zur Herstellung langfaserverstärkter Spritzgießbauteile verglichen.
Aktualisiert: 2021-03-25
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Modeling of Strain-Hardening Cement-based Composites (SHCC)

Modeling of Strain-Hardening Cement-based Composites (SHCC) von Shenhi,  Alaleh
Nowadays, the addition of a small volume of short fibers is a well-known strategy to increase the ductility and toughness of cementitious matrices besides optimization of the crack opening. Strain-hardening cement-based composites (SHCCs) is a particular class of fiber-reinforced concretes (FRCC) that can develop controlled multiple cracks while subjected to incremental tensile loading conditions. However, a proper composition design, especially concerning fiber and bond properties, still follows a trial and error approach. This work presents a numerical model to simulate SHCC at the meso-scale level. This model is based on Finite-Element-Method and allows for nonlinear behavior for cement matrix, fiber material, and bond laws. Extra features are added to standard FE concerning three complexities of target FRCC, i.e., (1) Further development of the Strong Discontinuity Approach (SDA) to model discrete cracking of continuum elements on the element level, (2) Discretization of single fibers by truss elements with truss nodes independently placed of continuum nodes, (3) Connecting SDA elements to explicit truss elements by particular bond elements. The newly developed model is calibrated with several simple configurations. The bond law utilized in the simulation is derived from single fiber pullout test and calibrated with several analyses. Furthermore, 2D SHCC dumbbell specimens under tensile loading condition are simulated, and a series of numerical case studies are performed to assess the quality, credibility, and limitations of the numerical model. Taking the effect of random field and other simplifying assumptions into account, the simulation model seems to describe enumerated SHCC behavior at an acceptable level. This research work provides a further base for the target-oriented design of FRCC material composition to reach the given objectives of material properties. The concepts and methods presented in this study can simulate short and thin polymer fibers in a random position and steel fibers and structures with long reinforcement in a regular arrangement.
Aktualisiert: 2021-03-25
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Verhalten von Hochstrom-Steckverbindungen mit Kontaktelementen bei kurzer Strombelastung

Verhalten von Hochstrom-Steckverbindungen mit Kontaktelementen bei kurzer Strombelastung von Israel,  Toni
In dieser Arbeit werden versilberte Hochstrom-Steckverbindungen mit Kontaktelementen betrachtet, die in der Elektroenergieversorgung bei Belastung mit Fehlerströmen im Bereich von 24 µs bis 5 s eingesetzt werden. Am Flach- und Rundeinbau der Kontaktelemente werden Kurzschlussversuche im Bereich von (0,01…5) s durchgeführt. Der Kurzschlussstrom erwärmt die Steckverbindung und die Kontaktelemente innerhalb dieser Zeit auf mehrere 100 °C und führt zu einer thermisch aktivierten Schädigung. Dabei baut sich die Kontaktkraft durch Spannungsrelaxation zum Teil ab, und es kann zum Verschweißen der Mikrokontakte und Blasenbildung durch lokales Ablösen der Beschichtung kommen. Bei einer zu starken Schädigung kann ein sicherer Betrieb der Steckverbindung nicht mehr sichergestellt werden. Daher werden für die Mechanismen der Schädigung Grenzwerte festgelegt und eine maximale Belastung definiert. Ausgehend von den experimentellen Untersuchungen wird ein Berechnungsmodell auf Basis der Finiten-Elemente-Methode weiterentwickelt. Ein vereinfachtes Widerstandsmodell der Punktkontakte abhängig von Kontaktkraft und Kontakthärte bildet dabei das Verhalten der Mikrokontakte nach. Da das Verhalten der Kontakthärte bei starker Erwärmung im ms-Bereich nur unzureichend erforscht ist, werden aus Experimenten näherungsweise die benötigten Parameter bestimmt. Mit dem erweiterten Berechnungsmodell ist es möglich, die thermische Wirkung praktischer Kurzschlussversuche nachzubilden. Eine wesentliche Erkenntnis ist, dass die Höhe des Stoßstroms zu Beginn des Kurzschlusses einen entscheidenden Einfluss auf die maximale Erwärmung hat. Bei sehr hohen Stoßströmen am Anfang eines Kurzschlusses wird der Kontaktwiderstand stark reduziert. Für den weiteren Verlauf des Kurzschlusses entsteht in den Kontakten daher weniger Wärme, als wenn diese Reduktion nicht stattfindet. Das bedeutet, dass DC-Kurzschlüsse unter Umständen zu einer höheren thermischen Belastung und mechanischen Schädigung führen können als AC-Kurzschlüsse mit gleichem Effektivwert. Experimente bestätigen diese Theorie. Dies gilt allerdings nur, wenn der Stoßstrom nicht zum sofortigen Verschweißen der Kontakte führt. Anhand der Erkenntnisse aus den Experimenten und Berechnungen werden Empfehlungen für die Auslegung und die Prüfung von Hochstrom-Steckverbindungen gegeben. Es zeigte sich, dass das für Prüfungen oft verwendete I2t-Kriterium bei Steckverbindungen nur sehr eingeschränkt anwendbar ist. Die Kurzschlussdauer kann damit nur um ca. (13…17) % verändert werden, ohne dass sich die Beanspruchung in der Prüfung unzulässig ändert. Alternativ schlägt die Arbeit das Ixt-Kriterium vor. Dieses lässt es bei bekannter Geometrie der Steckverbindung zu, einen Prüfstroms in einem vielfach größeren Zeitbereich einzustellen und erzeugt dabei eine vergleichbare thermische Beanspruchung oder mechanische Schädigung. Ein Erwärmen der Steckverbindung auf die maximal zulässige Betriebstemperatur vor dem Kurzschluss, was beispielsweise bei einem Fehler im realen Betrieb stattfinden kann, hat einen vergleichsweise geringeren Einfluss auf die Erwärmung und die mechanische Schädigung. Hintergrund ist, dass die Vorerwärmung zu einer Reduktion der Kontakthärte führt und damit große Kontaktflächen erzeugt, die einen geringen Kontaktwiderstand haben. Hierdurch entsteht weniger Verlustleistung, was die Erwärmung der Steckverbindung reduziert. Aus den gewonnen Erkenntnissen werden Empfehlungen für die Auslegung, Prüfung und die Modellierung des Kurzschlussverhaltens von Steckverbindungen mit Kontaktelementen für die Elektroenergieversorgung abgeleitet.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Lehrtool – Prozessautomatisierung

Lehrtool – Prozessautomatisierung von Hofmann,  D., Mauer,  M
Moderne Industrieanlagen werden heute durch komplexe Automatisierungsstrukturen geregelt und gesteuert. Dies erfordert von einem Studenten, aber auch von einem Ingenieur der Automatisierungstechnik ein umfangreiches systemtheoretisches Wissen sowie Kenntnisse über Auswahl, Einsatz, Programmierung und Inbetriebnahme moderner Automatisierungsmittel.
Aktualisiert: 2020-11-04
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