Analysis of Industrial Granular Flow Applications by Using Advanced Collision Models

Granular flow phenomena are frequently encountered in the design of process and industrial plants in the traditional fields of the chemical, nuclear and oil industries as well as in other activities such as food and materials handling. Multi-phase flow is one important branch of the granular flow. Granular materials have unusual kinds of behavior compared to normal materials, either solids or fluids. Although some of the characteristics are still not well-known yet, one thing is confirmed: the particle-particle interaction plays a key role in the dynamics of granular materials, especially for dense granular materials. At the beginning of this thesis, detailed illustration of developing two models for describing the interaction based on the results of finite-element simulation, dimension analysis and numerical simulation is presented. The first model is used to describing the normal collision of viscoelastic particles. Based on some existent models, more parameters are added to this model, which make the model predict the experimental results more accurately. The second model is used for oblique collision, which include the effects from tangential velocity, angular velocity and surface friction based on Coulomb's law. The theoretical predictions of this model are in agreement with those by finite-element simulation. I n the latter chapters of this thesis, the models are used to predict industrial granular flow and the agreement between the simulations and experiments also shows the validation of the new model. The first case presents the simulation of granular flow passing over a circular obstacle. The simulations successfully predict the existence of a parabolic steady layer and show how the characteristics of the particles, such as coefficients of restitution and surface friction affect the separation results. The second case is a spinning container filled with granular material. Employing the previous models, the simulation could also reproduce experimentally observed phenomena, such as a depression in the center of a high frequency rotation. The third application is about gas-solid mixed flow in a vertically vibrated device. Gas phase motion is added to coherence with the particle motion. The governing equations of the gas phase are solved by using the Large eddy simulation (LES) and particle motion is predicted by using the Lagrangian method. The simulation predicted some pattern formation reported by experiment.

Modeling of residual stresses and distortion due to welding in fillet welds

Welding has a growing role in modern world manufacturing. Welding joints are extensively used from pipes to aerospace industries. Prediction of welding residual stresses and distortions is necessary for accurate evaluation of fillet welds in relation to design and safety conditions. Residual stresses may be beneficial or detrimental, depending whether they are tensile or compressive and the loading. They directly affect the fatigue life of the weld by impacting crack growth rate. Beside theoretical background of residual stresses this study calculates residual stresses and deformations due to localized heating by welding process and subsequent rapid cooling in fillet welds. Validated methods are required for this purpose due to complexity of process, localized heating, temperature dependence of material properties and heat source. In this research both empirical and simulation methods were used for the analysis of welded joints. Finite element simulation has become a popular tool of prediction of welding residual stresses and distortion. Three different cases with and without preload have been modeled during this study. Thermal heat load set is used by calculating heat flux from the given heat input energy. First the linear and then nonlinear material behavior model is modeled for calculation of residual stresses. Experimental work is done to calculate the stresses empirically. The results from both the methods are compared to check their reliability. Residual stresses can have a significant effect on fatigue performance of the welded joints made of high strength steel. Both initial residual stress state and subsequent residual stress relaxation need to be considered for accurate description of fatigue behavior. Tensile residual stresses are detrimental and will reduce the fatigue life and compressive residual stresses will increase it. The residual stresses follow the yield strength of base or filler material and the components made of high strength steel are typically thin, where the role of distortion is emphasizing.

Thermoaktive Bauteilsysteme - Ein neuer simulationstechnischer Berechnungsansatz

Thermoaktive Bauteilsysteme sind Bauteile, die als Teil der Raumumschließungsflächen über ein integriertes Rohrsystem mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt werden können und so die Beheizung oder Kühlung des Raumes ermöglichen. Die Konstruktionenvielfalt reicht nach diesem Verständnis von Heiz, bzw. Kühldecken über Geschoßtrenndecken mit kern-integrierten Rohren bis hin zu den Fußbodenheizungen. Die darin enthaltenen extrem trägen Systeme werden bewußt eingesetzt, um Energieangebot und Raumenergiebedarf unter dem Aspekt der rationellen Energieanwendung zeitlich zu entkoppeln, z. B. aktive Bauteilkühlung in der Nacht, passive Raumkühlung über das kühle Bauteil am Tage. Gebäude- und Anlagenkonzepte, die träge reagierende thermoaktive Bauteilsysteme vorsehen, setzen im kompetenten und verantwortungsvollen Planungsprozeß den Einsatz moderner Gebäudesimulationswerkzeuge voraus, um fundierte Aussagen über Behaglichkeit und Energiebedarf treffen zu können. Die thermoaktiven Bauteilsysteme werden innerhalb dieser Werkzeuge durch Berechnungskomponenten repräsentiert, die auf mathematisch-physikalischen Modellen basieren und zur Lösung des bauteilimmanenten mehrdimensionalen instationären Wärmeleitungsproblems dienen. Bisher standen hierfür zwei unterschiedliche prinzipielle Vorgehensweisen zur Lösung zur Verfügung, die der physikalischen Modellbildung entstammen und Grenzen bzgl. abbildbarer Geometrie oder Rechengeschwindigkeit setzen. Die vorliegende Arbeit dokumentiert eine neue Herangehensweise, die als experimentelle Modellbildung bezeichnet wird. Über den Weg der Systemidentifikation können aus experimentell ermittelten Datenreihen die Parameter für ein kompaktes Black-Box-Modell bestimmt werden, das das Eingangs-Ausgangsverhalten des zugehörigen beliebig aufgebauten thermoaktiven Bauteils mit hinreichender Genauigkeit widergibt. Die Meßdatenreihen lassen sich über hochgenaue Berechnungen generieren, die auf Grund ihrer Detailtreue für den unmittelbaren Einsatz in der Gebäudesimulation ungeeignet wären. Die Anwendung der Systemidentifikation auf das zweidimensionale Wärmeleitungsproblem und der Nachweis ihrer Eignung wird an Hand von sechs sehr unterschiedlichen Aufbauten thermoaktiver Bauteilsysteme durchgeführt und bestätigt sehr geringe Temperatur- und Energiebilanzfehler. Vergleiche zwischen via Systemidentifikation ermittelten Black-Box-Modellen und physikalischen Modellen für zwei Fußbodenkonstruktionen zeigen, daß erstgenannte auch als Referenz für Genauigkeitsabschätzungen herangezogen werden können. Die Praktikabilität des neuen Modellierungsansatzes wird an Fallstudien demonstriert, die Ganzjahressimulationen unter Bauteil- und Betriebsvariationen an einem exemplarischen Büroraum betreffen. Dazu erfolgt die Integration des Black-Box-Modells in das kommerzielle Gebäude- und Anlagensimulationsprogramm CARNOT. Die akzeptablen Rechenzeiten für ein Einzonen-Gebäudemodell in Verbindung mit den hohen Genauigkeiten bescheinigen die Eignung der neuen Modellierungsweise.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Ein Beitrag zur realitätsnahen Modellierung und Analyse von stahlfaserverstärkten Stahlbeton- und Stahlbetonflächentragwerken

Das Werkstoffverhalten von stahlfaserfreiem bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton unter biaxialle Druck- Zugbeanspruchung wurde experimentell und theoretisch untersucht. Die Basis der experimentellen Untersuchungen waren zahlreiche Versuche, die in der Vergangenheit an faserfreiem Stahlbetonscheiben zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens von gerissenem Stahlbeton im ebenen Spannungszustand durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass infolge einer Querzugbeanspruchung eine Abminderung der biaxialen Druckfestigkeit entsteht. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sind zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften des Betons, Stahlbetonscheiben aus stahlfaserverstärktem Beton hergestellt worden. Die aus der Literatur bekannten Werkstoffmodelle für Beton sowie Stahlbeton, im ungerissenen und gerissenen Zustand wurden hinsichtlich der in der Vergangenheit ermittelten Materialeigenschaften des Betons bzw. Stahlbetons unter proportionalen sowie nichtproportionalen äußeren Belastungen erklärt und kritisch untersucht. In den frischen Beton wurden Stahlfasern hinzugegeben. Dadurch konnte die Festigkeits- und die Materialsteifigkeitsabminderung infolge Rissbildung, die zur Schädigung des Verbundwerkstoffs Beton führt, reduziert werden. Man konnte sehen, dass der Druckfestigkeitsabminderungsfaktor und insbesondere die zur maximal aufnehmbaren Zylinderdruckfestigkeit gehörende Stauchung, durch Zugabe von Stahlfasern besser begrenzt wird. Die experimentelle Untersuchungen wurden an sechs faserfreien und sieben stahlfaserverstärkten Stahlbetonscheiben unter Druck-Zugbelastung zur Bestimmung des Verhaltens des gerissenen faserfreien und stahlfaserverstärkten Stahlbetons durchgeführt. Die aus eigenen Versuchen ermittelten Materialeigenschaften des Betons, des stahlfaserverstärkten Betons und Stahlbetons im gerissenen Zustand wurden dargelegt und diskutiert. Bei der Rissbildung des quasi- spröden Werkstoffs Beton und dem stahlfaserverstärkten Beton wurde neben dem plastischen Fließen, auch die Abnahme des Elastizitätsmoduls festgestellt. Die Abminderung der aufnehmbaren Festigkeit und der zugehörigen Verzerrung lässt sich nicht mit der klassischen Fließtheorie der Plastizität ohne Modifizierung des Verfestigungsgesetzes erfassen. Es wurden auf elasto-plastischen Werkstoffmodellen basierende konstitutive Beziehungen für den faserfreien sowie den stahlfaserverstärkten Beton vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit eine auf dem elasto-plastischen Werkstoffmodell basierende konstitutive Beziehung für Beton und den stahlfaser-verstärkten Beton im gerissenen Zustand formuliert. Die formulierten Werkstoffmodelle wurden mittels dem in einer modularen Form aufgebauten nichtlinearen Finite Elemente Programm DIANA zu numerischen Untersuchungen an ausgewählten experimentell untersuchten Flächentragwerken, wie scheibenartigen-, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem sowie stahlfaserverstärktem Beton verwendet. Das entwickelte elasto-plastische Modell ermöglichte durch eine modifizierte effektive Spannungs-Verzerrungs-Beziehung für das Verfestigungsmodell, nicht nur die Erfassung des plastischen Fließens sondern auch die Berücksichtigung der Schädigung der Elastizitätsmodule infolge Mikrorissen sowie Makrorissen im Hauptzugspannungs-Hauptdruckspannungs-Bereich. Es wurde bei den numerischen Untersuchungen zur Ermittlung des Last-Verformungsverhaltens von scheibenartigen, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, im Vergleich mit den aus Versuchen ermittelten Ergebnissen, eine gute Übereinstimmung festgestellt.

Sensitivitätsanalyse mit Einflussfunktionen

Es wird dargestellt, auf welche Weise man den Einfluss von Steifigkeitsänderungen auf Weg- oder Kraftgrößen bestimmen kann. Berücksichtigt werden Steifigkeitsänderungen eines Punktlagers, z.B. an einem Durchlaufträger und Steifigkeitsänderungen in einem bestimmten Bereich, z.B. die Lagerung einer Platte auf Wänden. Darüberhinaus wird auch der komplette Ausfall eines Punktlagers oder einer Wand bei der Herleitung berücksichtigt. Außerdem wird dargestellt, wie man Dehn- oder Biegesteifigkeitsänderungen in einzelnen Stäben, Balken und Bereichen einer Platte oder Scheibe berücksichtigen kann. Auch für den Ausfall eines Stabs in einem ebenen Fachwerk oder eines Balkens in einem Rahmentragwerk werden Formeln hergeleitet, mit denen man die Änderung einer Punktgröße für diesen Fall ermitteln kann. Die hergeleiteten Formeln basieren auf der schwachen Formulierung, die mittels partieller Integration aus der Differential- gleichung hervorgeht. Man betrachtet den Unterschied der inneren Energie eines ungeschwächten Systems 1 und eines geschwächten Systems 2 und setzt anstelle der virtuellen Verrückung die Einflussfunktion für die gesuchte Weg- oder Kraftgröße im System 1 ein. Das Ergebnis der Herleitung ist eine Gleichung, mit der man Steifigkeitsänderungen in Tragwerken und deren Einfluss auf Punkt- größen berücksichtigen kann.

Zur statischen und dynamischen Analyse rotierender elastischer Strukturen (Turbinenschaufeln, Verdichter) bei transienten Betriebsbedingungen

Die vorliegende Arbeit stellt die erforderlichen theoretischen Zusammenhänge zur Berechnung von rotierenden elastischen Strukturen wie etwa Turbinen- und Verdichterschaufeln, Laufräder, Scheiben etc. zusammen und zeigt die Entwicklung eines entsprechenden FEM-Programm-Systems. Es ermöglicht die Berechnung der Eigenfrequenzen und Eigenformen von Einzelstrukturen und rotations-periodischen Strukturen in Abhängigkeit von der Drehfrequenz unter Einbeziehung aller wesentlichen Effekte. Weiterhin ist es möglich für einen beliebigen durch ein Polygon angenäherten Drehzahl-Zeit-Verlauf die erzwungenen Schwingungen und daraus resultierend die Spannungsverläufe über der Zeit zu berechnen. Hierauf aufbauend können die Lebensdauer der Struktur abgeschätzt und Parameterstudien durchgeführt werden.

Zur Verbesserung des Ermüdungsverhaltens des austenitischen Stahls X5CrNi18-10 im Temperaturbereich 25-600°C durch mechanische Randschichtverfestigungsverfahren

Die technischen Oberflächen werden oft als Bauteilversagungsorte definiert. Deswegen ist eine optimale Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften ohne mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren nicht mehr wegzudenken. Mechanische Randschichtoptimierungsverfahren sind vergleichsweise einfach, Kosten sparend und hocheffektiv. Gerade das Festwalzen wird wegen seiner günstigen Auswirkungen wie die exzellente Oberflächengüte, die hohen Druckeigenspannungen sowie die hohe Oberflächenverfestigung zunehmend an Bedeutung gewinnen. Außerdem wird durch das Festwalzen in einigen Legierungen eine nanokristalline Oberflächenschicht gebildet. Diese brillanten Eigenschaften führen nach einer mechanischen Oberflächenbehandlung zur Erhöhung des Werkstoffwiderstandes unter anderem gegen Verschleiß, Spannungsrisskorrosion und insbesondere zur Steigerung der Schwingfestigkeit. Ein etabliertes Beispiel zur Steigerung der Schwingfestigkeit ist das Festwalzen von Achsen und Kurbelwellen. Auch solche komplexen Komponenten wie Turbinenschaufeln werden zur Schwingfestigkeitssteigerung laserschockverfestigt oder festgewalzt. Die Laserschockverfestigung ist ein relativ neues Verfahren auf dem Gebiet der mechanischen Oberflächenbehandlungen, das z.B. bereits in der Flugturbinenindustrie Anwendung fand und zur Schwingfestigkeitsverbesserung beiträgt. Das Verfahrensprinzip besteht darin, dass ein kurzer Laserimpuls auf die zu verfestigende, mit einer Opferschicht versehene Materialoberfläche fokussiert wird. Das Auftreffen des Laserimpulses auf der verwendeten Opferschicht erzeugt ein expandierendes Plasma, welches eine Schockwelle in randnahen Werkstoffbereichen erzeugt, die elastisch-plastische Verformungen bewirkt. Eine konsekutive Wärmebehandlung, Auslagerung nach dem Festwalzen, nutzt den statischen Reckalterungseffekt. Hierdurch werden die Mikrostrukturen stabilisiert. Die Änderung der Mikrostrukturen kann jedoch zu einer beträchtlichen Abnahme der mittels Festwalzen entstandenen Druckeigenspannungen und der Kaltverfestigungsrate führen. Das Festwalzen bei erhöhter Temperatur bietet eine weitere Möglichkeit die Schwingfestigkeit von metallischen Werkstoffen zu verbessern. Die Mikrostruktur wird durch den Effekt der dynamischen Reckalterung stabilisiert. Die Effekte beim Festwalzen bei erhöhten Temperaturen sind ähnlich dem Warmstrahlen. Das Festwalzen erzeugt Oberflächenschichten mit sehr stabilen Kaltverfestigungen und Druckeigenspannungen. Diese Strukturen haben viele Vorteile im Vergleich zu den durch rein mechanische Verfahren erzeugten Strukturen in Bezug auf die Schwingfestigkeit und die Stabilität der Eigenspannungen. Die Aufgabe der vorliegenden Dissertation war es, Verfahren zur Verbesserung der Schwingfestigkeit im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 600 °C zu erforschen. Begleitende mikrostrukturelle sowie röntgenographische Untersuchungen sollen zum Verständnis der Ursachen der Verbesserung beitragen. Für diese Arbeit wurde der in der Praxis häufig verwendete Modellwerkstoff X5CrNi18-10 ausgewählt. Als Randschichtverfestigungsverfahren wurden das Festwalzen, eine Kombination der mechanischen und thermischen, thermomechanischen Verfahren auf der Basis des Festwalzens und eine Laserschockverfestigung verwendet.

Modellfehler und Greensche Funktionen in der Statik

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Fehlern, die bei der Berechnung von Tragstrukturen auftreten können, dem Diskretisierungs- und dem Modellfehler. Ein zentrales Werkzeug für die Betrachtung des lokalen Fehlers in einer FE-Berechnung sind die Greenschen Funktionen, die auch in anderen Bereichen der Statik, wie man zeigen kann, eine tragende Rolle spielen. Um den richtigen Einsatz der Greenschen Funktion mit der FE-Technik sicherzustellen, werden deren Eigenschaften und die konsistente Generierung aufgezeigt. Mit dem vorgestellten Verfahren, der Lagrange-Methode, wird es möglich auch für nichtlineare Probleme eine Greensche Funktion zu ermitteln. Eine logische Konsequenz aus diesen Betrachtungen ist die Verbesserung der Einflussfunktion durch Verwendung von Grundlösungen. Die Greensche Funktion wird dabei in die Grundlösung und einen regulären Anteil, welcher mittels FE-Technik bestimmt wird, aufgespalten. Mit dieser Methode, hier angewandt auf die Kirchhoff-Platte, erhält man deutlich genauere Ergebnisse als mit der FE-Methode bei einem vergleichbaren Rechenaufwand, wie die numerischen Untersuchungen zeigen. Die Lagrange-Methode bietet einen generellen Zugang zur zweiten Fehlerart, dem Modellfehler, und kann für lineare und nichtlineare Probleme angewandt werden. Auch hierbei übernimmt die Greensche Funktion wieder eine tragende Rolle, um die Auswirkungen von Parameteränderungen auf ausgewählte Zielgrößen betrachten zu können.

Numerical Methods for the Unsteady Compressible Navier-Stokes Equations

We consider numerical methods for the compressible time dependent Navier-Stokes equations, discussing the spatial discretization by Finite Volume and Discontinuous Galerkin methods, the time integration by time adaptive implicit Runge-Kutta and Rosenbrock methods and the solution of the appearing nonlinear and linear equations systems by preconditioned Jacobian-Free Newton-Krylov, as well as Multigrid methods. As applications, thermal Fluid structure interaction and other unsteady flow problems are considered. The text is aimed at both mathematicians and engineers.