Niederparametrisches Ersatzmodell der Wärmebilanzen
eines Heißdampfaerostaten gestützt auf
Strömungssimulation und Messung
Heißdampfballons erhalten ihren Auftrieb durch die Verwendung von
überhitztem Wasserdampf als Traggas. Dieser besitzt bei 100°C
mehr als die doppelte Tragkraft von Heißluft, ist gleichzeitig jedoch
im Vergleich zu Helium ungleich billiger in der Herstellung.
Im Rahmen des Projekts HeiDAS wurde erstmals ein flugfähiger
Heißdampfballon gebaut und erfolgreich getestet.
Wegen der Gefahren, die mit der Kondensation des Dampfes und dem damit
verbundenen Verlust an Tragkraft einhergehen, kommt der Temperaturverteilung
innerhalb des Ballons eine besondere Bedeutung zu. Diese wird nicht nur von der
Gestaltung von Ballon und der Integration des Brenners sondern vor allem
von der verwendeten Isolation bestimmt.
Die Auslegung kann deshalb bisher nur mit Hilfe sehr
aufwendiger numerischer Strömungssimulationen erfolgen, auf deren Basis die
erforderliche Dicke der Isolation ermittelt wird, bei der das Auftreten von
Kondensation im Ballon ausgeschlossen werden kann.
Für eine weitergehende Optimierung der Ballongeometrie sowie spätere
Untersuchungen des Verhaltens bei unterschiedlichen Flugzuständen sind
hochauflösende Strömungssimulationen wegen der hohen Kosten und langen
Rechenzeiten nicht geeignet. Deshalb sollen im Rahmen der Diplomarbeit
reduzierte Modelle entwickelt werden, die alle für den Wärmehaushalt
im Ballon sowie in seiner direkten Umgebung relevanten physikalischen
Vorgänge einzeln erfassen und in vereinfachter Form als Beziehungen zwischen
den relevanten charakteristischen Kenngrößen wiedergeben.
Die Modellierung stützt sich dabei auf vorhandene Messergebnisse
sowie geeignete numerische Strömungssimulationen, die mit
Hilfe des Programmpakets fluent durchgeführt werden und eine
Datenbasis schaffen, mit denen sich die Modelle validieren lassen. Die
erstellten Einzelmodelle sollen dann in einem numerischen Verfahren zur
effizienten Simulation des Gesamtsystems kombiniert werden, das die
Erfassung eines kompletten Heißdampfaerostaten inklusive Brenner erlaubt.
Die Herleitung sowie Ergebnisse des Vergleich zwischen
dem reduzierten Modell, Strömungssimulationen und Messungen sind ausführlich
und systematisch zu anlaysieren, kritisch zu diskutieren und zu dokumentieren.
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Last modified: Wed Jan 12 CEST 2005