Refine
Document Type
- Doctoral Thesis (1)
- Habilitation (1)
Has Fulltext
- yes (2)
Keywords
- Design process (1)
- High viscous fluids (1)
- Mixing (1)
- Propeller (1)
Faculty / Organisational entity
Zur Auslegung von Rührwerken der Biogasapplikationen sind rheologische Kenntnisse über das zu rührende Medium von großer Bedeutung. Diese Kenntnisse sind jedoch meist nicht vorhanden. Eine Bestimmung der rheologischen Größen dieser Medien mit konventionellen Verfahren ist in der Regel nicht möglich. Herkömmliche Verfahren nutzen zur Bestimmung der rheologischen Größen oft eine Auswertung des laminaren Geschwindigkeitsprofils in einem bekannten Spalt aus. In diesem Spalt kann es infolge der großen Anzahl an Festkörpern zu Misch- und Festkörperreibung kommen, die das Messergebnis verfälschen, oder die Messung unmöglich machen. Diese Arbeit hat zum Ziel ein Verfahren zu entwickeln, das die Bestimmung der Fließkurve von inhomogenen, nicht-Newtonschen Medien ermöglicht. Hierzu wird der Leistungsbedarf eines Rührwerks untersucht und mit Hilfe des Verfahrens von Rieger und Novak eine Viskositätskurve in Abhängigkeit der Rührerdrehzahl gebildet. Mit dem Verfahren von Metzner und Otto kann anschließend auf die scheinbare Viskosität eines Mediums geschlossen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass das Verfahren nach Metzner und Otto von dem zu rührenden nicht-Newtonschen Fluid beeinflusst wird. Weiterhin konnte der konstante Charakter der Metzner-Otto Größe nicht bestätigt werden. Daher wird ein alternatives Verfahren entwickelt und vorgestellt. Im Verlauf der Arbeit wird ein Propellerviskosimeter entwickelt und kalibriert. Die nötigen Kalibrierungsschritte werden erläutert und vorgeführt. Neben der experimentelle Versuchsdurchführung erfolgt dies mit numerischen Methoden. Weiterhin wird ein exemplarischer Messvorgang mit einer Realsubstratprobe durchgeführt.
The subject of this thesis is the design of axial flow machines. The type of turbomachine under examination is used to supply energy for high viscous fluid flow, as used in mixing and stirring tasks. The high viscous media treated in these tasks usually have non-Newtonian fluid properties. This kind of fluid flow is frequently associated with the field of energy and process engineering.
In order to narrow down the problem described, the field of turbomachinery is restricted to the consideration of propellers. Propellers are used in a wide range of fluid mechanics tasks. In the form of wind turbines, propellers extract kinetic energy from a control room and thereby slow down the flow. Propeller stirrers, on the other hand, increase the energy level of a flow and accelerate it. Both machines are based on the same principle - only the direction of the energy flow is to be considered as the opposite direction.
The design of new agitators is usually based on experience. Often, agitators are, therefore, not flow-optimised, and cannot be optimally operated. In this thesis, it is investigated whether the design processes of modern wind turbines, which are considered to be mature, can be adapted in order to generate a flow-optimised geometry for this type of turbomachine as well.
This thesis will first examine the basics of wind turbine design processes. Special attention will be paid to the differences caused by the viscous fluid properties under consideration. The highly viscous behaviour of the fluids under consideration means that the theoretical fundamentals have to be extended as a result. Such extensions are identified and supplement the theoretical basis. The thesis will then present and examine an analytically based design process for flow-optimised propeller mixers. The procedure is based on blade element momentum theory.
Application of blade element momentum theory requires detailed knowledge of the aerodynamic behaviour of the profiles used. This behaviour is usually only known for low viscosity and high-Re applications, as is usually the case for wind turbines or propeller engines. Comprehensive profile characteristics are not available for highly viscous and low-Re applications. In this thesis, these basics are generated using numerical methods.
In the next step, the newly introduced design method is combined with the results of the investigations of profile aerodynamics for high viscous low-Re fluid flow. This combination is done using a calculation process which produces the flow-optimised geometry of a propeller mixer. The theoretical principles of the methods are implemented in an algorithm in such a way that the resultant turbomachine can be designed for a previously selected operating point, the design point. In contrast to classical turbomachinery, the design point additionally requires the specification of viscous fluid properties.
However, in practical use, the final selected operating point of a turbomachine is often not the design point. The algorithm is examined for its suitability for inverse power calculation as well in order to compute the complete characteristic curve for a previously generated propeller mixer already in the design process.