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Journal Cover   Forschung im Ingenieurwesen
  [SJR: 0.21]   [H-I: 11]   Follow
   Hybrid Journal Hybrid journal (It can contain Open Access articles)
   ISSN (Print) 1434-0860 - ISSN (Online) 0015-7899
   Published by Springer-Verlag Homepage  [2291 journals]
  • Stability analysis of double-diffusive convection of Rivlin-Ericksen
           elastico-viscous nanofluid saturating a porous medium: a revised model
    • Abstract: Abstract In the present paper we study the stability analysis of double-diffusive convection in a horizontal layer of an elastico-viscous nanofluid in a porous medium. The Rivlin-Ericksen fluid model is employed to describe the rheological behavior of the nanofluid. The dispersion relation describing the effect of various parameters is obtained by applying normal modes method and by using linear stability analysis. In this model we assume that the nanoparticle concentration flux is zero on the boundaries and we can give the values of temperature and concentration at the boundaries. The assumed boundary conditions neutralize the possibility of oscillatory convection and only stationary convection occurs. For stationary convection; it is observed that the Rivlin-Ericksen elastico-viscous nanofluid fluid behaves like an ordinary Newtonian nanofluid. The solutal-Rayleigh Number, thermo-nanofluid Lewis number, thermo-solutal Lewis number, Soret parameter and Dufour parameter have stabilizing effect on the stationary convection. A very good agreement is found between the present paper and earlier published results.
      PubDate: 2015-04-11
  • Editorial
    • PubDate: 2015-04-01
  • Praktische Verifizierung von Ähnlichkeitsgesetzen in Typenreihen
    • Abstract: Zusammenfassung Die Theorie der Konstruktionsähnlichkeit ermöglicht die Bildung von geordneten Konstruktionsfamilien (Typenreihen, konstruktive Modulsysteme). Basierend auf Bedingungen der Konstruktionsähnlichkeit und Werten von Mustermerkmalen, werden Parameter- und Abmessungswerte für geordnete Konstruktionsfamilien gebildet. Um eine praktische Verifizierung der Bedingungen der Konstruktionsähnlichkeit zu realisieren, werden Festigkeitsanalysen mittels FEM und Zugprüfmaschinen durchgeführt.
      PubDate: 2015-04-01
  • Einflussgrößen und numerische Untersuchungen zum Druckverlust
           oszillierender Strömungen
    • Abstract: Zusammenfassung Regenerative Gaskreisprozesse, wie z. B. der Stirlingmotor, sind geschlossene Maschinen, in denen ein Arbeitsgas durch Zylinder-Kolben Anordnungen Energie von einer Wärmequelle zu einem kälteren Reservoir überträgt. Die Kanäle der Wärmeübertrager werden hierbei oszillierend durchströmt und weisen damit, im Vergleich zu stationären Strömungen, hinsichtlich des Wärmeübergangs und der Strömungsdruckverluste ein grundsätzlich abweichendes Verhalten auf. In dem vorliegenden Beitrag wurden die Geschwindigkeit und der Druckverlust von oszillierenden Strömungen in Kanälen theoretisch und numerisch untersucht. Dabei sind sowohl kreisförmige als auch rechteckige Kanäle mit Reynolds-Zahlen im Bereich laminarer und turbulenter Strömungen betrachtet worden. Die numerische Simulation wurde in ANSYS-CFX realisiert und nutzt bewegte Gitter um die Volumenänderung der Kolben abzubilden. Die Übereinstimmung zwischen analytischer Lösung und numerischer Simulation für den Fall niedriger Reynolds-Zahlen ist sehr gut. Wie erwartet zeigten sich deutliche Unterschiede zwischen der numerischen Simulation und der analytischen Lösung bei höheren Reynolds-Zahlen (turbulente Strömung), die aufgrund fehlender analytischer Gleichungen allerdings nicht validiert werden konnten. Durch Analyse und Auswertung der Einflussgrößen wurden dimensionslose Kennzahlen erhalten sowie ein halbempirischer Ansatz unter Verwendung komplexer Zahlen entwickelt, welcher die Zeitabhängigkeit des Druckverlustes approximiert. Die darin auftretenden Modellkoeffizienten können unter Zuhilfenahme der Ergebnisse der numerischen Simulationen bestimmt werden und erlauben eine Abschätzung des Druckverlustes ohne Verwendung zeitaufwändiger CFD-Berechnungen.
      PubDate: 2015-04-01
  • Mitteilung der Herausgeber – 85 Jahre Forschung im Ingenieurwesen
    • PubDate: 2015-04-01
  • Ein Beitrag zur experimentellen Untersuchung hybrider Filterzyklone
           für die Partikelabscheidung aus Gasen
    • Abstract: Zusammenfassung Die Partikelabscheidung aus Gasen findet bei einer Vielzahl industrieller Prozesse Anwendung. Die im Bereich der Emissionsminderung für die Abscheidung fester Partikel zumeist herkömmlich eingesetzten Anlagen gleichen einander stark und werden häufig auch als Entstaubungsanlagen oder -einrichtungen bezeichnet. Diese bestehen vorwiegend aus eckigen Gehäusen mit intern positionierten Filterelementen. Zum Schutz und zur Entlastung der Filterelemente finden häufig interne Prallbleche bzw. externe Zyklonabscheider Verwendung. Kaum bekannt und untersucht hingegen ist die Kombination von filternder Technologie mit Zyklonabscheidern innerhalb eines Gehäuses. Bezeichnet werden derartige Kombinationen als Rundfilter, Zyklonfilter oder Filterzyklone. Während für Zyklonabscheider und filternde Abscheider vielzählige experimentelle Untersuchungen und Veröffentlichungen existieren, ist das für die den Zyklonabscheidern nachgeschalteten Filteranlagen kaum und für die kombinierte Bauweise gar nicht der Fall. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit mit der experimentellen Untersuchung eines eigens entwickelten hybriden Filterzyklons. Der entwickelte hybride Filterzyklon kann mit und ohne Tauchrohr eingesetzt werden und zeichnet sich durch eine sehr kompakte Bauweise mit ausreichend großer Filterfläche aus. Um die experimentellen Untersuchungsergebnisse der herkömmlichen Technologie gegenüberstellen zu können, bilden die Parameter eines ausgewählten herkömmlichen Patronenfilters die Entwicklungsgrundlage für den hybriden Filterzyklon. Anhand der Gegenüberstellung kann gezeigt werden, dass die kombinierte Bauweise eine platzsparende und energetisch günstigere Alternative zu herkömmlichen Entstaubungsanlagen sein kann.
      PubDate: 2015-04-01
  • Untersuchungen zum Übertragungsverhalten von
           Rändelpressverbänden aus Stahl-Aluminium
    • Abstract: Zusammenfassung Ressourceneffizienz und Leichtbau erfordern neuartige Werkstoffkombinationen und Verbindungstechniken. Zum Nachweis der Zuverlässigkeit für diese neuen Verbindungen sind grundlegende Untersuchungen unerlässlich. Im Beitrag wird das Übertragungsverhalten von Stahl-Aluminium-Rändelpressverbänden in Abhängigkeit maßgebender geometrischer Parameter ausführlich dargelegt. Dabei wird deutlich, dass der Rändelpressverband vom Fügevorgang sowie der Duktilität des Nabenwerkstoffes geprägt wird und eine formend gefügte Verbindung aufgrund der Werkstoffverfestigung ein um maximal 40 % höheres statisches Torsionsmoment im Vergleich zu schneidend gefügten Rändelpressverbänden übertragen kann. Das mit Hilfe experimenteller Untersuchungen validierte Berechnungsmodell ist für die Dimensionierung von Stahl-Aluminium-Rändelpressverbänden gut geeignet.
      PubDate: 2015-03-20
  • Identification of noise generation and flow kinematics in the air gap for
           two different blade tip designs of an axial fan
    • Abstract: Abstract Importance of the role of axial fans in our everyday life as well as in industrial sphere is crucial. Their presence dictates indispensable reduction of the emitted noise level. The aerodynamically born noise due to the kinematics of the air-flow in the gap between rotor and stator is one predominant source of emitted noise by most fans and is the most intensive within the human audible spectrum. Two different rotor blade tip shapes A and B were analysed in details and the results presented in this paper. Their influence on the emitted noise was determined by measurements of the integral aerodynamic characteristic and by the level of the sound pressure level of the fan. It was confirmed that the kinematics of the air-flow within the blade tip gap is significantly different for both observed blade tip designs and plays a crucial role when generation and size of the total emitted noise power is concerned. Frequency spectra of the measured noise pressure level for both observed blade designs was also essentially different and served to confirm the well-known fact that intensity of the sound pressure level decreases with the frequency, which helps to assess and identify mechanisms of the noise generation. A typical measured amplitude decrease of the sound pressure level was observed and explained in details for both blade tip versions for the frequency range f>1000 Hz: appropriate scaling for the blade tip A and for the blade tip B was determined as \(\omega^{-2.8}\) and \(\omega^{-4/3}\) respectively. Distinctive differences between the two observed frequency spectra were established. Identification of locations, sources and specificity of the generated noise together with their detailed explanation was made possible by measurements of local pressure, velocity and their variances and is supported by simultaneous experimental flow visualization.
      PubDate: 2015-03-17
  • Extrusion of the bimetallic aluminum-magnesium rods and tubes
    • Abstract: Abstract On the basis of theoretical and experimental studies the complex influence of process conditions such as the geometric characteristics of the billet and the tool were investigated regarding the extrusion of bimetallic rods and tubes. As a core material magnesium alloys of the Mg-Al-Zn system and as shell materials aluminum and its alloys of the Al-Mg-Si and Al-Zn-Mg were extruded. An increase in the strength properties of the aluminum alloy shell—compared to the core of a magnesium alloy—increases the inhomogeneity of the speed distribution of the metal flow resulting in defects. A sustainable processing can be established by the extrusion of bimetallic rods which consist of an Mg-Al-Zn-Mn core and an Al-Mg-Si shell.
      PubDate: 2015-02-27
  • Berechnung der Verformungen und Steifigkeiten evolventischer Verzahnungen
           von Zahnkupplungen
    • Abstract: Zusammenfassung Zahnkupplungen werden auf vielen Gebieten der Antriebs- und Getriebetechnik verwendet und sind dort von wesentlicher Bedeutung. Die signifikanten Vorteile von Zahnkupplungen sind die Übertragung hoher Leistungen und Drehmomente bei kleinem Bauraum und die Kompensation eines vorhandenen Radial- und/oder Winkelversatzes. Für diese Kompensation sind eine geometrisch komplizierte Spezialverzahnung sowie die Kenntnis der Lastverteilung innerhalb der Verzahnung unabdingbar. Zur Berechnung der Lastverteilung ist die zentrale Größe die Zahnfedersteifigkeit und ihre Abhängigkeit von den verschiedenen Einflussgrößen. Der folgende Beitrag behandelt die Grundlagen und das bisherige Wissen der Zahnfedersteifigkeitsberechnung für Zahnkupplungen und zeigt die Anwendung der vorgestellten Berechnungsmethoden für den zeitgemäßen praktischen Einsatz in der Auslegungsphase dieses Maschinenelementes.
      PubDate: 2015-02-18
  • Varianten des Zweizonen-Modells von Ludwig Prandtl für den
           Wärmeübergang beim turbulent durchströmten Rohr
    • Abstract: Zusammenfassung Eine direkte Berechnung des Temperaturprofils eines strömenden Fluids zur Ableitung von Wärmeübergangskoeffizienten ist nur in wenigen Ausnahmefällen möglich. In einigen Fällen hilft man sich durch Analogiebetrachtungen, wie z. B. der Analogie zwischen Impuls- und Wärmeübertragung bei der vollturbulenten Rohrströmung. Diese auf W. Reynolds und L. Prandtl zurückgehende Analogie nutzt fluiddynamische Ansätze, um auf den Wärmeübergang zwischen Fluid und Wandoberfläche zu schließen. Im Beitrag wird das gut bekannte Zweizonen-Modell von Prandtl analysiert und mit einem Dreibereiche-Modell verglichen. Es wird ein korrigiertes Modell abgeleitet, welches Vorteile gegenüber dem klassischen Zweizonen-Modell nach Prandtl aufweist.
      PubDate: 2014-10-10
  • New design and construction of expandable casing tubes
    • Abstract: Abstract Exploration for deep-geothermal resources is still a costly and high risk operation. The research association “Geothermal Energy and High Performance Drilling Research Program, gebo” was founded to improve the cost effectiveness of geothermal energy production in particular by developing new drilling concepts for deep geological layers. A mono-diameter borehole casing concept is developed to achieve this ambitious aim. To accomplish this, a special type of casing is essential, structured from folded tubulars for expandable casing applications featuring clover-like cross sections and expandable to a cylindrical form when the casing is at its downhole position. A smaller borehole volume and a reduction of drilling time and casing related costs are the main advantages of this method compared to conventional drilling. Design, material selection and realization of the folded tubulars take place at the Institut für Werkstoffkunde (Materials Science). The evaluations of the results are based on residual stress analysis and the measurement of the geometry after each deformation step at the Institute of Production Engineering and Machine Tools (IFW).
      PubDate: 2014-10-10
  • Spray cooling of extruded EN AW-6082 aluminium alloy sheets: spatial heat
           transfer coefficients
    • Abstract: Abstract Quenching profiles during their extrusion with subsequent ageing can increase their strength by a factor of 1.5–2 compared to the as-extruded state. Water-air spray cooling is a quenching technology which allows the desired profile temperature to be reached with high accuracy and which is characterised by low energy demand. To apply this cooling technique correctly, the heat transfer coefficient’s dependence on the surface temperature and properties of the extruded profile, made from EN AW-6082 alloy, and on the spray cooling parameters was determined using the lumped heat capacitance method. The absence of a significant impact of the spraying distance and inclination angle on the average heat transfer coefficient within the investigated range was noted. Dependencies of the relative heat transfer coefficient on the temperature and the distance to the spray axis were derived. It was shown that these dependencies, which can be used for modelling such processes, are practically identical for all considered spraying parameters.
      PubDate: 2014-10-08
  • Influence of the shape of the blade tip on the emitted noise in the
           air-gap between the rotor and the housing of an axial fan
    • Abstract: Abstract The paper presents influence of the rotor blade tip shape of an axial fan on the emitted noise and on its aerodynamic characteristic. Appropriate measurements were first performed on the integral level of the same rotor with the two blade tip shapes: blade tip configuration A where the blade tip has the form of the prolonged basic blade, and configuration B with the winglet where the tip was slightly pushed towards the suction side of the blade. Moreover results of local pressure and sound pressure measurements in the area of the air gap made possible detailed analysis of the avarage pressure distribution and its time variance. The results showed strong dependence of the blade tip design on the emitted noise distribution, whereas changes of the aerodynamic characteristic with both tip designs were hardly noticed. The correlation between the emitted sound power level of the fan and the air pressure variance enabled to locate mechanism and origin of the noise generation in the zone between two consecutive rotor blades.
      PubDate: 2014-10-07
  • Numerical analysis of the twin-roll casting of thin aluminium-steel clad
    • Abstract: Abstract The production of thin aluminium-steel clad strips by means of twin-roll casting is one of the prospective trends in the development of sheet production. The main advantages of twin-roll casting are low specific energy and resource consumption. Besides this, the resulting compound has a high bonding strength owing to the presence of a continuous thin layer of intermetallic phases having an approximate thickness of 3 µm at the interface of the two metals. At the same time, the quality of the clad strip depends on the microstructure and properties of the aluminium layer formed directly from a melt. A deformation immediately following the solidification of the metal between the two rotated, internally water-cooled rolls has a substantial influence on this aluminium layer. Due to the complexity of observing the processes occurring in the melt pool, a numerical simulation became one of the main methods for their investigation. Simulation is widely used to describe the process of twin-roll casting of monomaterial strips, but so far it has not been used for to comprehensively analyse the process of twin-roll casting of clad strips. In the present paper, a two-dimentional finite-element simulation of the system “clad strip—water-cooled rolls” using the ANSYS software is proposed. A joint analysis is carried out of the heat transfer, viscous flow of aluminium melt, its solidification and deformation resulting in the temperature distribution in the cast metal as well as in the tool. The dependences of the deformation strain and outlet temperature of the clad strip on the main technological process parameters; obtained by numerical simulation, are shown.
      PubDate: 2014-10-07
  • Zur Anwendbarkeit des Massenstrom-Modells nach ISO 6358 mit den
           Kennwerten Leitwert C und kritisches Druckverhältnis b für Gase
           im Hochdruckbereich bis 300 bar
    • Abstract: Zusammenfassung Massenstrom-Modelle für gasförmige Medien beschreiben den Zusammenhang zwischen Gasdurchfluss durch Drosselelemente in Abhängigkeit der Eingangsgrößen Druck, Temperatur und Medium. Diese Modelle werden verwendet, um pneumatische Komponenten zu berechnen, pneumatische Systeme zu simulieren oder Anlagen zu planen. Im Gegensatz zum realen Gas sind für ideale Gase einige Massenstrom-Modelle bekannt und verifiziert, wie z. B. nach ISO 6358 (International Standard ISO 6358: pneumatic fluid power – components using compressible fluids – determination of flow-rate characteristics, 1989). Bei der Entwicklung und Anwendung von Systemen mit realen Gasen, z. B. bei der Berechnung von Sicherheitsventilen, wurde festgestellt, dass Gleichungen – ohne Berücksichtigung der Realgaseigenschaften – nur eingeschränkt nutzbar sind, wie auch Schmidt et al. (Forschung im Ingenieurwesen 73:105–117, 2009) feststellten. Mit dieser Veröffentlichung soll ein Beitrag geleistet werden, um für die Berechnung des Massenstroms im Zustandsgebiet realer Gase ein einfach anwendbares Modell bereitzustellen. Dazu wird das bestehende Massenstrom-Modell nach ISO 6358, das auf Gleichungen für den idealen Gasbereich basiert, für ein reales Gas angewendet und verifiziert. Die Parameter kritischer Leitwert C und kritisches Druckverhältnis b werden im Zustandsbereich realer Gase bestimmt, angewendet und Abweichungen aufgezeigt. Die mittlere Abweichung zwischen gemessenem und berechnetem Massenstrom liegt im Realgasbereich bei 1,0 %. Daher wird das Massenstrom-Modell nach ISO 6358 als geeignet vorgeschlagen, sofern die Parameter C und b im Realgasbereich identifiziert werden. Zusätzlich wurde untersucht, dass Abweichungen von über 10 % entstehen, wenn die Parameter C und b bei idealem Gas bestimmt und im realen Gasbereich angewendet werden. Diese hohe Abweichung kann mit einer iterativen Berechnung unter Verwendung von realen Zustandsdaten des verwendeten Gases teilweise kompensiert werden, so dass die Abweichung auf 4,3 % sinkt.
      PubDate: 2014-10-07
  • Rise of oil drops in water and fall of water drops in oil
    • Abstract: Abstract Rise and fall velocities of oil drops in water and water drops in oil, respectively, are measured in a liquid column. The main perspective is on the similarity of the flows in these largely different cases. When the experimental data are plotted as the normalized rise velocity, which is the Reynolds number, versus the Archimedes number a common curve appears. This proves that similarity exists at least with respect to the velocity. Larger drops deviate considerably from the spherical shape. Nevertheless the data set can be represented by a formula derived from data on hard spheres. In particular the Stokes limit for Re→0 is nicely confirmed by measuring down to 10− 4.
      PubDate: 2014-08-26
  • Auslegung von Probekörpern aus Hartschaum zur Ermittlung der
           biaxialen Zugfestigkeit
    • Abstract: Zusammenfassung Harte Polymerschäume haben mittlerweile eine breite Anwendung gefunden. Ihre Auslegung basiert allerdings auf Festigkeitswerten, die aus Versuchen an Probekörpern unter Zug-, Druck-, Torsions- und hydrostatischer Druckbelastung gewonnen werden. Für die materialgerechte Validierung einer Festigkeitshypothese sind weitere Beanspruchungszustände erforderlich. Dies gilt speziell für mehraxialen Zug: Es liegen bisher fast keine Messungen für gleichmäßige biaxiale und hydrostatische Zugbelastungen vor. Zuerst wird ein geeigneter Versuchsaufbau erarbeitet, der sich mit einer konventionellen Zugprüfmaschine realisieren lässt. Neben dem gleichmäßigen biaxialen Spannungszustand können dabei weitere biaxiale Spannungszustände beim Zug erzeugt werden. Das einfache Schema der Kraftverteilung erfordert eine spezielle Form des Probekörpers. Die folgende Ausarbeitung beschreibt die Auslegung von zwei verschiedenen Probekörpern aus Hartschaum. Dafür wird Hartschaum als quasihomogener isotroper Werkstoff betrachtet. Für die Auslegung der Probekörper wird vom linear-elastischen Verhalten des Materials ausgegangen. Zur Bewertung der mehraxialen Spannungszustände wird die Festigkeitshypothese von Mohr–Coulomb herangezogen. Die maximalen Spannungen, die in den Kerben zwischen den Stellen der Krafteinleitung entstehen, werden durch die Geometrie des Probekörpers minimiert, so dass ein Versagen im Prüfbereich gewährleistet ist. Die Abmessungen der Probekörper werden an die kommerziell hergestellten Schaumblöcke angepasst. Hydrostatische Zugbelastung bis zum Versagen lässt sich kaum realisieren. Ausgehend von den Versuchsergebnissen beim Zug und beim gleichmäßigen biaxialen Zug wird die Abschätzung der hydrostatischen Bruchspannung (Grenzspannung) vorgeschlagen.
      PubDate: 2014-05-27
  • Comparison of a vehicle equipped with Electronic Stability Control (ESC)
           to a vehicle with Four Wheel Steering (4WS)
    • Abstract: Abstract Electronic Stability Control (ESC) and Four Wheel Steering (4WS) have been used to control the yaw rate and sideslip angle of automobiles, in order to improve stability and prevent accidents. The scope of this paper is to compare the behaviour of a vehicle equipped with no control systems, to a vehicle equipped with ESC, a vehicle equipped with 4WS and a vehicle equipped with a combination of ESC and 4WS in a series of simulated tests, using an adequate vehicle and driver model. The operating parameters of the control systems and the driver model have been optimised by using an evolution strategy. According to the results, the vehicle equipped with 4WS performed better in open-loop tests, while the vehicle equipped with ESC performed better in closed-loop tests where the vehicle is controlled by the driver model. The vehicle equipped with a combination of ESC and 4WS has achieved consistently better results in all our tests and has shown that the use of 4WS systems can augment the operation of ESC system and achieve a better safety level for future vehicles.
      PubDate: 2014-05-01
  • Kontaktwechselwirkung einer Rohrleitung mit der Reparaturbandage aus einem
    • Abstract: Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wird die Kontaktaufgabe über die Wechselwirkung einer langen Zylinderschale mit einer koaxialen zylindrischen Bandage aus einem Verbundwerkstoff untersucht. Der Verbundwerkstoff wird als ein homogenes orthotropes Material mit bekannten effektiven elastischen Eigenschaften modelliert. Basierend auf der klassischen Schalentheorie werden die Grundgleichungen für die Kontaktaufgabe sowie allgemeine Lösungen für die Durchbiegungen und Schnittgrößen formuliert. Die unbekannten Integrationskonstanten sowie die Kontaktfläche werden numerisch mit Hilfe des Programmpakets Maple ermittelt. Drei charakteristische Längen der Bandage, bei denen der Übergang von einem Kontaktschema der Wechselwirkung zu einem anderen erfolgt, wurden ermittelt. Es wurde festgestellt, dass die Änderung des Innendrucks nicht zum Übergang von einem Kontaktschema zu einem anderen führt. Der Charakter der Kontaktwechselwirkung wird durch geometrische Parameter der Verbindung und elastische Materialeigenschaften der Schale und der Bandage bestimmt.
      PubDate: 2014-05-01
School of Mathematical and Computer Sciences
Heriot-Watt University
Edinburgh, EH14 4AS, UK
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