Zeitaufgelöste PIV-Untersuchungen zur Strömungskontrolle mittels elektromagnetischer Kräfte in schwach leitfähigen Fluiden

Die vorwiegend experimentelle Arbeit befasst sich mit der systematischen Untersuchung von Parametervariationen bei der aktiven Strömungskontrolle mit elektromagnetischen Kräften. An einer angestellten Platte und einem NACA0015-Profil wurde die saugseitige abgelöste Strömung durch das Einbringen einer periodischen wandparallelen Lorentzkraft an der Vorderkante beeinflusst und experimentell mittels zeitaufgelöster Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht. Dabei wurde für verschiedene Anstellwinkel und Reynoldszahlen die Frequenz der Anregung, deren Impulseintrag und der zeitliche Kraftverlauf variiert. Die zeitaufgelöste PIV-Technik erlaubt die zeitliche und räumliche Erfassung der für die Strömungsvorgänge essentiellen Wirbelstrukturen. Die zusätzliche Synchronisierung mit dem Kraftsignal der Anregung und der Auftriebs- sowie Widerstandsmessung zeigt die direkte Abhängigkeit der aerodynamischen Beiwerte von den in der Strömung generierten Wirbelstrukturen. Zusätzlich zur Phasenmittlung wurde für die Untersuchung der Vektorfelder nach Wirbelstrukturen ein Algorithmus entwickelt, welcher auf der kontinuierlichenWaveletanalyse beruht. Durch eine Kalibrierung mit dem theoretischen Wirbelmodell eines Lamb-Oseen Wirbels können charakteristische Daten wie beispielsweise Position, Größe, Geschwindigkeit und Stärke der Wirbelstrukturen ermittelt werden. Die statistische Auswertung der Wirbelcharakteristik mittels des Waveletalgorithmus liefert einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Wirkung der Anregung auf die Strömungsform und ermöglicht somit die Wirkung bei unterschiedlichen Parametern der Anregung direkt zu evaluieren. Als weitere Methode die Daten auf wesentliche Informationen zu untersuchen dient die Orthogonalmodenzerlegung. Angewandt auf die Wirbelstärke liefert sie enstrophieoptimale Moden der Strömung. Die enstrophiereichsten Moden zeigen dabei sehr deutlich Gebiete hohen Impulsaustausches. Die experimentell gewonnenen Orthogonalmoden können zur Aufstellung eines reduzierten Modellsystems der Umströmung genutzt werden. Die Strömungskontrolle durch Lorentzkräfte kann anhand eines solchen Modells mit mathematischen Methoden optimiert werden. Die Messgenauigkeit kann für zeitaufgelöste Daten erhöht werden, indem lokal der Bildabstand für die PIV Auswertung variiert wird. In der Arbeit werden Beiträge dazu vorgestellt. Verschiedene Optimierungskriterien zeigen hier signifikante Verbesserungen anhand synthetischer Partikelbilder. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes bei der Auswertung wurden diese Methoden für die Messungen jedoch nicht verwendet. Grundlegende Unterschiede in der Wirkung der Anregung stellen sich in Abhängigkeit vom Anstellwinkel ein. Für kleine Anstellwinkel (hier alpha ≤ 16°;Re = 10^4 ...10^5) kann von Ablösekontrolle gesprochen werden. Hier kann mit kleinen Impulskoeffizienten die Strömung komplett wieder angelegt werden, der Auftrieb steigt, der Widerstand sinkt. Im Bereich der Ablösekontrolle zeigt die Erhöhung des Impulskoeffizienten hinsichtlich des Auftriebes ein nichtmonotones Verhalten. Als optimal stellte sich c'my ≈ 0.2% heraus. Eine starke Frequenzabhängigkeit konnte nicht beobachtet werden. Günstige Wellenformen sind Rechteckpulse, die gegenüber allen anderen Wellenformen die besten Gleitzahlen lieferten. Für hohe Anstellwinkel (hier alpha > 16°) kann mit kleinen Impulskoeffizienten die Strömung nicht mehr komplett angelegt werden. Hier kommt es zur dynamischen Auftriebssteigerung durchWirbelstrukturen. Dabei zeigte sich, dass eine im zeitlichen Mittel möglichst lange Stabilisierung eines geschlossenen Rezirkulationsgebietes über der zweiten Hälfte der Profiloberfläche günstig wirkt. Die Anregung mit einem Dreiecksignal zeigte hier für höhere Impulskoeffizienten günstigere Ergebnisse gegenüber der Anregung mit einem Sinus- bzw. Rechtecksignal. Bei den Untersuchungen stellte sich weiterhin heraus, dass die optimale Frequenz der Anregung um den Auftrieb zu steigern vom Anstellwinkel des Profils abhängig ist. Sie fällt im untersuchten Parameterbereich mit der in der unbeeinflussten Strömung dominierenden Frequenz der Kraftbeiwerte zusammen und liegt im Bereich von F+ = 0.7...0.4 für alpha = 16°...30°. Für die Ablösekontrolle konnte der Auftriebsbeiwert um bis zu 80% für kleine Impulskoeffizienten gesteigert werden. Für hohe Anstellwinkel, also vollständig abgelöste Strömung entspricht die optimale dimensionslose Frequenz einer Strouhalzahl von St = 0:2. Hier scheint eine günstige Kopplung der saugseitigen forcierten Wirbelstrukturen mit dem Nachlauf ursächlich zu sein. Die optimale Frequenz erlaubt außerdem die Interaktion und das Verschmelzen der Wirbelstrukuren innerhalb einer Periode der Anregung über der Saugseite. Die vollständige Ablösung kann hier um bis zu 8° herausgezögert werden. Strömungsmechanische Untersuchungen experimenteller und numerischer Natur wurden für eine elektrochemische Zelle und den Fall der Elektrolyse an Millieelektroden unter dem Einfluss externer Magnetfelder durchgeführt. Die Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Geschwindigkeitsfelder war dabei sehr gut. Entgegen der Annahme, dass im Falle homogener Magnetfelder keine Strömungen induziert werden, konnte nachgewiesen werden, dass durch die lokale Krümmung der elektrischen Feldlinien in Elektrodennähe starke Lorentzkräfte generiert werden. Dies führt zu sehr komplexen Primär-und Sekundärströmungen. Die gleichen Effekte bewirken ebenfalls in der Nähe von Millieelektroden starke orentzkräfte in homogenen magnetischen Feldern. Die experimentellen Beobachtungen an Millieelektroden von Leventis et. al (2005), welche zum Beweis der Konzentrationsgradientenkraft herangezogen wurden, konnten alle auf das Wirken lokaler Lorentzkräfte zurückgeführt werden. Der experimentelle Nachweis der Konzentrationsgradientenkraft steht damit weiterhin aus. Zur Messung der Konzentrationen in elektrochemischen Systemen wurde erstmals das Hintergrundschlierenverfahren angewendet. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung der räumlichen Konzentrationsgradienten mit erheblich weniger messtechnischen Aufwand gegenüber spektroskopischen Methoden und der Schlierentechnik

Non-encapsulated thermo-liquid crystals for digital particle tracking thermography/velocimetry in microfluidics

The ever accelerating state of technology has powered an increasing interest in heat transfer solutions and process engineering innovations in the microfluidics domain. In order to carry out such developments, reliable heat transfer diagnostic techniques are necessary. Thermo-liquid crystal (TLC) thermography, in combination with particle image velocimetry, has been a widely accepted and commonly used technique for the simultaneous measurement and characterization of temperature and velocity fields in macroscopic fluid flows for several decades. However, low seeding density, volume illumination, and low TLC particle image quality at high magnifications present unsurpassed challenges to its application to three-dimensional flows with microscopic dimensions. In this work, a measurement technique to evaluate the color response of individual non-encapsulated TLC particles is presented. A Shirasu porous glass membrane emulsification approach was used to produce the non-encapsulated TLC particles with a narrow size distribution and a multi-variable calibration procedure, making use of all three RGB and HSI color components, as well as the proper orthogonally decomposed RGB components, was used to achieve unprecedented low uncertainty levels in the temperature estimation of individual particles, opening the door to simultaneous temperature and velocity tracking using 3D velocimetry techniques. © 2012 The Author(s)

First E region observations of mesoscale neutral wind interaction with auroral arcs

We report the first observations of E region neutral wind fields and their interaction with auroral arcs at mesoscale spatial resolution during geomagnetically quiet conditions at Mawson, Antarctica. This was achieved by using a scanning Doppler imager, which can observe thermospheric neutral line-of-sight winds and temperatures simultaneously over a wide field of view. In two cases, the background E region wind field was perpendicular to an auroral arc, which when it appeared caused the wind direction within ∼50 km of the arc to rotate parallel along the arc, reverting to the background flow direction when the arc disappeared. This was observed under both westward and eastward plasma convection. The wind rotations occurred within 7–16 min. In one case, as an auroral arc propagated from the horizon toward the local zenith, the background E region wind field became significantly weaker but remained unaffected where the arc had not passed through. We demonstrate through modeling that these effects cannot be explained by height changes in the emission layer. The most likely explanation seems to be the greatly enhanced ion drag associated with the increased plasma density and localized ionospheric electric field associated with auroral arcs. In all cases, the F region neutral wind appeared less affected by the auroral arc, although its presence is clear in the data

Individualized and Clinically Derived Stimuli Activate Limbic Structures in Depression: An fMRI Study

In the search for neurobiological correlates of depression, a major finding is hyperactivity in limbic-paralimbic regions. However, results so far have been inconsistent, and the stimuli used are often unspecific to depression. This study explored hemodynamic responses of the brain in patients with depression while processing individualized and clinically derived stimuli.Eighteen unmedicated patients with recurrent major depressive disorder and 17 never-depressed control subjects took part in standardized clinical interviews from which individualized formulations of core interpersonal dysfunction were derived. In the patient group such formulations reflected core themes relating to the onset and maintenance of depression. In controls, formulations reflected a major source of distress. This material was thereafter presented to subjects during functional magnetic resonance imaging (fMRI) assessment.Increased hemodynamic responses in the anterior cingulate cortex, medial frontal gyrus, fusiform gyrus and occipital lobe were observed in both patients and controls when viewing individualized stimuli. Relative to control subjects, patients with depression showed increased hemodynamic responses in limbic-paralimbic and subcortical regions (e.g. amygdala and basal ganglia) but no signal decrease in prefrontal regions.This study provides the first evidence that individualized stimuli derived from standardized clinical interviewing can lead to hemodynamic responses in regions associated with self-referential and emotional processing in both groups and limbic-paralimbic and subcortical structures in individuals with depression. Although the regions with increased responses in patients have been previously reported, this study enhances the ecological value of fMRI findings by applying stimuli that are of personal relevance to each individual's depression

Gewalt in der Schule

Vortrag auf der Tagung Bindung, Trauma und soziale Gewalt , 3.-5.12.2004 in Frankfurt am Main