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