Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis über den Transport kryogener Flüssigkeiten in porösen Medien zu verbessern. Hintergrund dieser Arbeit ist die TreibstoiBQiandliabung in der Raumfahrt, wo Flüssigkeit sich aufgrund der fehlenden Schwerkraft anders als auf der Erde verhält. In der Raumfahrttechnologie wird die Kapillarkraft als treibende Kraft durch geschickte Konstruktion zur Treibstoffhandhabung genutzt. Um die notwendige Größenordnung der Kapillarkraft zu erhalten werden für die Komponenten poröse Medien eingesetzt. Aufgrund der hohen Energiedichte der kryogenen Treibstoffe wie flüssiger Sauerstorf und Wasserstoff gibt es zunehmend Bestreben, die herkömmlichen lagerfähigen Treibstoffe durch kryogene Treibstoffe zu ersetzen, die aber im Gegensatz zu lagerfähigen Treibstoffen einen viel niedrigeren Siedepunkt haben. Um die hohen Ansprüche an die Sicherheit in der Raumfahrt zu erfüllen, ist es notwendig, das Verhalten der kryogenen Flüssigkeiten in porösen Medien zu untersuchen. In dieser Arbeit werden die neu gewonnenen Ergebnisse von theoretischen, experimentellen und numerischen Untersuchungen nach einer Grundlagendiskussion über Wicking-Effekt, poröse Medien und dessen charakteristische Parameter präsentiert. Parallel zu theoretischen und experimentellen Untersuchungen werden numerische Methoden unter isothermen Bedingungen weiterentwickelt. Dabei werden die Simulationen in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Schritt werden die Strukturparameter wie Permeabilität und statischer Porenradius über Simulationen, die auf mikroskopischer Ebene mit Porengeometrie durchgeführt sind, berechnet. Im zweiten Schritt werden die Simulationen auf makroskopischer Ebene durchgeführt, wobei das ganze Medium als makroskopisch homogenes Kontinuum betrachtet wird. Diese Zwei-Schritt-Strategie ist notwendig, weil eine direkte Simulation (insbesondere unter nichtisothermer Bedingung und mit Verdampfung) große Computerleistung beanspruchen würde und für ein ausreichend großes Volumen kaum durchführbar ist. Für Simulationen auf mikroskopischer Ebene ist die digitale Oberflächendarstellung der entsprechenden Medien erforderlich. Idealisierte periodische Kugelpackungen können mit CAD Software erstellt werden. Dies ist mit kleiner Formabweichung für periodische Metallgewebe ebenfalls möglich, aber nicht für die meisten realen poröse Medien, wie zum Beispiel Glasfritteii. Daher wird eine zweite Methode, basierend auf Computertomographie, in dieser Arbeit eingeführt. Sie erreicht bis jetzt eine Auflösung von 10 µm. Als Benchmarksimulation auf mikroskopischer Ebene wird der Kapillarstieg und -fall in zylindrischen Rohren untersucht. Gute Übereinstimmung zwischen theoretischer Vorhersage und Experimenten kann nur beim Einsatz von Vernetzung in zylindrischen Koordinaten, aber nicht mit Vernetzung in kartesischen Koordinaten festgestellt werden. Die Druckverlustsberechnung im Rohr und in den ausgewählten Kugelpackungen mit Vernetzung in kartesischen Koordinaten zeigt dagegen gute Übereinstimmung mit verfügbarer Theorie. Anhand der über Computertomographie gewonnenen Strukturoberfläche der Glasfritte konnten erste mikroskopische Simulationen durchgeführt werden. Deren Ergebnisse zeigen, dass man mit Hilfe der Simulationen für Permeabilität und statischen Radius einen Wert bekommt, der dem experimentell bestimmten Wert sehr ähnlich ist. Zuletzt werden die von Fries entwickelten makroskopischen ID Wickingsimulationen auf 2D erweitert. Um die Simulationsergebnisse zu validieren, werden Experimente mit Filterpapier durchgeführt. Der Vergleich zwischen Simulationen und Experimenten zeigt gute Übereinstimmung.


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    Title :

    Capillary transport of cryogenic liquids in porous structures


    Contributors:
    Zhang, Ming (author)

    Publication date :

    2013


    Size :

    210 Seiten, Bilder, Tabellen, 131 Quellen



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    English





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