Determining the Pore Size Distribution in Synthetic and Building Materials Using 1D NMR

NMR is gaining increasing interest in civil engineering for applications regarding microstructure characterization as e.g., to determine pore sizes or to monitor moisture transport in porous materials. This study reveals the capability of NMR as a tool for pore size characterization. Therefore, we measured floor screed and synthetic materials at partial and full saturation. For most examined materials, the pore size distribution was successfully determined using either a reference or a calibration method. Since diffusion effects were observed for some samples in single-sided NMR measurements, further tests employing an NMR core analyzer were carried out in a homogeneous magnetic field. The finally obtained surface relaxivity of floor screed (50 μm/s) resulted to be much higher than suggested by literature

Airfoil in a high amplitude oscillating stream

Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.This publication is with permission of the rights owner freely accessible due to an Alliance licence and a national licence (funded by the DFG, German Research Foundation) respectively.A combined theoretical and experimental investigation was carried out with the objective of evaluating theoretical predictions relating to a two-dimensional airfoil subjected to high amplitude harmonic oscillation of the free stream at constant angle of attack. Current theoretical approaches were reviewed and extended for the purposes of quantifying the bound, unsteady vortex sheet strength along the airfoil chord. This resulted in a closed form solution that is valid for arbitrary reduced frequencies and amplitudes. In the experiments, the bound, unsteady vortex strength of a symmetric 18 % thick airfoil at low angles of attack was measured in a dedicated unsteady wind tunnel at maximum reduced frequencies of 0.1 and at velocity oscillations less than or equal to 50 %. With the boundary layer tripped near the leading edge and mid-chord, the phase and amplitude variations of the lift coefficient corresponded reasonably well with the theory. Near the maximum lift coefficient overshoot, the data exhibited an additional high-frequency oscillation. Comparisons of the measured and predicted vortex sheet indicated the existence of a recirculation bubble upstream of the trailing edge which sheds into the wake and modifies the Kutta condition. Without boundary layer tripping, a mid-chord bubble is present that strengthens during flow deceleration and its shedding produces a dramatically different effect. Instead of a lift coefficient overshoot, as per the theory, the data exhibit a significant undershoot. This undershoot is also accompanied by high-frequency oscillations that are characterized by the bubble shedding. In summary, the location of bubble and its subsequent shedding play decisive roles in the resulting temporal aerodynamic loads

About the Dominance of Mesopores in Physisorption in Amorphous Materials

Amorphous, porous materials represent by far the largest proportion of natural and men-made materials. Their pore networks consists of a wide range of pore sizes, including meso- and macropores. Within such a pore network, material moisture plays a crucial role in almost all transport processes. In the hygroscopic range, the pores are partially saturated and liquid water is only located at the pore fringe due to physisorption. Therefore, material parameters such as porosity or median pore diameter are inadequate to predict material moisture and moisture transport. To quantify the spatial distribution of material moisture, Hillerborg’s adsorption theory is used to predict the water layer thickness for different pore geometries. This is done for all pore sizes, including those in the lower nanometre range. Based on this approach, it is shown that the material moisture is almost completely located in mesopores, although the pore network is highly dominated by macropores. Thus, mesopores are mainly responsible for the moisture storage capacity, while macropores determine the moisture transport capacity, of an amorphous material. Finally, an electrical analogical circuit is used as a model to predict the diffusion coefficient based on the pore-size distribution, including physisorption

Aktive Kontrolle von Randwirbeln mittels lang- und kurzwelliger Anregung

Ein endlicher Flügel bildet stromab eine Wirbelschicht aus, welche sich ausrollt und einen starken Längswirbel generiert. Dieser Wirbel ist bekannt als Flügelspitzenrandwirbel. In dieser Dissertation wird die aktive Kontrolle dieser Randwirbel mittels lang- und kurzwelliger Anregung untersucht. Die kurzwellige Aktuation regt einerseits die sich aufrollende Scherschicht und deren Instabilitäten an. Somit konvektiert eine modifizierte Scherschicht in den Wirbelkern und beeinflusst somit Randwirbelstärke direkt an dessen Ursprung. Andererseits beeinflusst auch die gebundene, spannweitige Zirkulationsverteilung die Stärke und Position der Randwirbel. Dieser globale, langwellige Effekt ist quantifiziert für instationäre Strömungszustände. Beide Ansätze sind experimentell und theoretisch untersucht mit dem Ziel der Kontrolle der instationären Zirkulationsverteilung und letztendlich der Randwirbelstärke. Im letzten Schritt wird die Kontrollwirkung und deren Interaktion an einem realistischen, endlichen Flügel in instatioären Bedingungen mit Hilfe der Theorie von Betz quantifiziert. Stromab einer schrägen, halbspannweitigen Stufe wird experimentell ein freier Wirbel generiert. Dieser Aufbau ermöglicht die Beurteilung der Zirkulationskontrolle von Längswirbeln mittels lokaler, kurzwelliger Anregung. Somit wird der Randwirbel direkt am Ort dessen Entstehung kontrolliert. Die angeregte, sich aufrollende Scherschicht transportiert eine veränderte Menge und Wirbelstärke in den Wirbelkern und modifiziert somit den Längswirbel. Somit kontrolliert die lokale Anregung letztendlich die Randwirbelstärke. Messungen der Grundströmung an dieser neu entwickelten Geometrie weisen die Generierung eines Längswirbels auf. Strömungsvisualisierungen stimmen mit den Strömungsstrukturen von Flügelrandwirbel und weiteren Tütenwirbelstrukturen bekannt von Delta-Flügeln oder C-Säulen am "Ahmed body" überein. Die Zirkulation soll mit Hilfe von Anregung der Kelvin-Helmholtz Instabilität erfolgen. Die hoch drei-dimensionale Strömung und die stark gekrümmte Scherschicht und deren Instabilitäten kann nur mit transversaler Aktuation zufriedenstellend angeregt werden. Somit müssen die Aktuatoren, hier segmentierte Klappen, bei verschiedenen Amplituden, Frequenzen und Phasenwinkeln zu einander operieren. Das Design, die Entwicklung und die Tests des hier neu entwickelten Aktuationsansatzes sind in dieser Arbeit dokumentiert. Die vielversprechenden Ergebnisse zeigen eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit verschiedener Amplituden, Frequenzen und Phasenwinkel bis zu Frequenzen von 35Hz. Fast im gesamten Messbereich der synchronisierten, zeitauflösenden Oberflächendrucksensoren dominiert die Aktuationsfreqeunz das Spektrum. Ein direktes und fast lineares Antwortverhalten der Strömungsstrukturen in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz wird beobachtet und quantifiziert. Bei geringen Reynolds Zahlen liegt der Aktuationseffekt bei ca. 8%. Stärkere Kontrolleffekte werden vermutlich durch die schon voll-turbulent ausgebildete Grenzschicht stromauf der Hinterkante der Stufe verhindert, wenn gleich theoretisch deutlich unterkritische Reynolds Zahlen betrachtet werden. Dies macht eine exakte Anregung der Kelvin-Helmholtz Instabilität in laminarer Strömung unmöglich. Weiterhin wird ein theoretischer Ansatz basierend auf der Stabilitätstheorie vorgestellt, um die Frequenz der natürlichen Instabilität einer gekrümmten Scherschicht vorherzusagen. Vergleiche zu reibungsfreien und reibungsbehafteten zwei-dimensionalen Scherschichten zeigen eine gute Übereinstimmung. Eine Validierung mit Hilfe von 2.5-dimensionalen Scherschichten scheitert auf Grund fehlender Referenzwerte in der Literatur. Dennoch werden die drei Geschwindigkeitskomponenten der gekrümmten Scherschicht experimentell bestimmt und eine zeitliche Stabilitätsanalyse einer 2.5-dimensionalen Scherschicht wird durchgeführt. Der zweite Ansatz um die Randwirbelstärke zu kontrollieren ist langwellige Anregung. In diesem Szenario ist der gesamte Flügel mit instationären Effekten wie Nick- und Vertikalbewegung als auch einer oszillierenden Anströmung ausgesetzt. Die Wellenlängen dieser Instationaritäten sind um mehrere Größenordnungen größer als bei Kelvin-Helmholtz Instabilitäten. Dennoch hat die spannweitige Zirkulationsverteilung einen deutlichen Einfluss auf die Randwirbelstärke und deren Position. Daher ist eine präzise Vorhersage der Zirkulation von gebundenen Wirbeln entlang der Spannweite in instationären Zuständen von großer Wichtigkeit, obwohl bislang keine validierte Theorie existiert. Basierend auf der stationären Lösung von Kutta-Joukowski, welche eine ebene Platte in Potentialströmung betrachten, haben Theodorsen, Greenberg, Isaacs und van der Wall instationäre Randbedingungen wie z. B. Nick- und Vertikalbewegung als auch eine oszillierende Anströmung mit berücksichtigt. Auch wenn diese Theorien teilweise mehr als 70 Jahre alt sind, so existieren keine experimentellen Validierungen bei mittleren und hohen Anströmungsamplituden. Deshalb wird ein NACA 0018 Flügelprofil experimentell untersucht, welches dynamische Nickbewegungen ausführt und einer instationären Anströmung ausgesetzt ist. Die Experimente zeigen eine hohe Übereinstimmung zu den theoretischen Vorhersagen der instationären Zirkulationsentwicklung. Die Amplitude und der Phasenwinkel stimmen mit der Theorie von Isaacs und van der Wall bei einer Anströmamplitude von 50% gut überein. Weiterhin wird die nicht-lineare Interaktion zwischen simultaner Nickbewegung und oszillierender Anströmung experimentell bestätigt. Basierend auf diesen neuen experimentellen Validierungen werden die Theorien als korrekt angesehen. Außerdem wird die verallgemeinerte Theorie von Isaacs, welche von van der Wall formuliert wurde, erweitert um zusätzlich die instationäre Wirbelstärkeverteilung entlang der Flügelsehne vorherzusagen. Diese Erweiterung gibt einen detaillierteren Einblick in die Wirbelstärkenverteilung unter instationären Randbedingungen. Diese neu gewonnenen theoretischen Ergebnisse und die experimentelle, instationäre Druckverteilung zeigen eine gute Übereinstimmung bei allen Phasenwinkeln. Basierend auf diesen Messungen wird die hier präsentierte Theorieerweiterung als validiert betrachtet. Diese Validierung ermöglicht nun die benötige Bestimmung der instationären, spannweitigen Zirkulationsverteilung, welche die Randwirbelstärke und deren Position beeinflusst. Im letzten Schritt wird die Interaktion der spannweitigen und längsseitigen Zirkulation durch aktive Strömungskontrolle mit Hilfe der Erweiterung der Betz Theorie quantifiziert. Dabei wird gezeigt, dass schon bei geringen und moderaten, reduzierten Frequenzen die Variation der spannweitigen Lasten einen deutlichen Einfluss von mehr als 25% auf die Randwirbelstärke und deren Position hat. Diese instationäre, langwellige Interaktion ist vermutlich der Hauptgrund für einen beschleunigten Wirbelzerfall.Downstream of a finite wing, the vorticity sheet emitted at the trailing edge starts to roll up and a strong streamwise vortex is generated. This vortex is known as the wing tip vortex. In this thesis, the active control of trailing vortices by means of long- and short-wavelength actuation is investigated. On the one hand, local short-wavelength forcing excites the rolling up shear layer and its instabilities. Thus, the locally modified shear layer convects into the vortex core and directly influences the trailing vortex strength at its origin. On the other hand, active control of the bound, spanwise circulation influences the strength and position of the trailing vortex as well. This global long-wavelength effect is quantified for unsteady flow regimes. Both approaches are investigated experimentally and theoretically with the objective to achieve the control of unsteady circulation distribution, and hence of the trailing vortex strength. In the end, the control authority and the interaction are quantified on a realistic finite wing under unsteady conditions by means of Betz's theory. Downstream of a swept, semi-span, backward facing step, a streamwise vortex is generated experimentally. This setup enables the assessment of circulation control of the streamwise vortex by means of local short-wavelength forcing. By means of this approach, the trailing vortex is controlled at its origin. The forced, rolling up shear layer transports another amount of vorticity into the vortex core and the trailing vortex circulation is modified. Finally, the local forcing controls the vortex strength. Baseline measurements on this newly invented generic geometry yield a stable generation of a streamwise vortex. Flow visualisations prove the high agreement of this flow structure to trailing vortices and other vortical structures like streamwise vortices on delta wings, or at the C-pillar of an Ahmed body. Its circulation is controlled by manipulating the instabilities of the separating shear layer which rolls up into this free vortex. This highly three-dimensional flow as well as the emitted twisted shear layer and its Kelvin-Helmholtz-instabilities may be sufficiently controlled by only a transversal excitation. Thus, actuators (segmented flaps) operating at arbitrary amplitudes, frequencies and phase lags are designed, developed and tested. This innovative approach of actuation shows promising results. They show a high repeatability and reliability for the frequency, amplitude, and phase lag of each distinct flap up to a frequency of 35Hz. In almost the entire region of the vortex the actuation frequency dominates the frequency spectrum. A direct and almost linear response of the flow field dependent on different phase lags is recorded and quantified. At low Reynolds numbers, the control effects amount to approximately 8%. Stronger control effects are probably prohibited by the already fully turbulent boundary layer upstream of the trailing edge on the step at considerably sub-critical Reynolds numbers. This renders a distinct actuation of a Kelvin-Helmholtz instability in laminar flow impossible. Furthermore, an ansatz to compute the natural instability frequency of twisted shear layers is proposed with the aid of stability analysis. Comparisons to inviscid and viscous two-dimensional shear layers yield a good agreement. A validation of a 2.5-dimensional shear layer fails due to the lack of reference values in the literature. However, the three velocity components of the rolling up shear layer are experimentally determined and a temporal stability analysis of the 2.5-dimensional shear layer is conducted. The second approach to control the trailing vortex strength is the long-wavelength actuation. In this scenario, the entire wing is facing unsteady conditions like pitching, unsteady inflow, or vertical wing motion. The wavelengths of the unsteadiness are several magnitudes larger compared to Kelvin-Helmholtz instability. Nevertheless, the spanwise circulation distribution has a direct impact on the trailing edge strength and position. Thus, a precise prediction of the circulation of bound vortices along the span under unsteady conditions is of great importance although the validated theories are, as yet, missing. Based on the steady solution of Kutta-Joukowski who considers a flat plate in potential flow, the approaches of Theodorsen, Greenberg, Isaacs, and van der Wall include unsteady conditions like pitching and plunge motions, and an oscillating free stream. Although these theories are partly more than 70 years old, an experimental validation at moderate and high free stream velocity amplitudes is still missing. Thus, a NACA 0018 airfoil is experimentally investigated during pitching and facing an unsteady free stream. The experimental results show a high agreement with the theoretical predictions of the unsteady circulation. The amplitude and the phase coincide with Isaacs' and van der Wall's theories at velocity amplitudes of 50%. Furthermore, the predicted nonlinear interaction between pitching and simultaneous unsteady free stream is reproduced in the experiments. Based on these new experimental results, the theories are validated. Moreover, Isaacs' generalised theory proposed by van der Wall is theoretically extended in this thesis to further predict the unsteady pressure distribution along the chord. This excitation gives a more detailed insight into the vorticity distribution under highly unsteady boundary conditions, in fact the unsteady free stream, oscillating pitching and plunge motion, as well as the combined effects amongst one another. These new theoretical findings and the experimentally obtained unsteady pressure distribution coincide with each other at all phase angles. Based on this validation, the reliability of the extended theory is confirmed. This validation leads to the required unsteady, spanwise circulation distribution which influences the trailing vortex strength and position. In a final step, the interaction of the streamwise and spanwise circulation due to active flow control is quantified by means of an extension of Betz's theory. It is shown that the variation of the spanwise loading influences remarkably the streamwise vortex strength and position by more than 25% already at low and moderate reduced frequencies. This unsteady, long-wavelength interaction is probably the main reason of an accelerated trailing vortex bursting

Comparison of the Calcium Carbide Method and Darr Drying to Quantify the Amount of Chemically Bound Water in Early Age Concrete

Hydration is the exothermic reaction between anhydrous cement and water, which forms the solid cement matrix of concrete. Being able to evaluate the hydration is of high interest for the use of both conventional and more climate-friendly building materials. The experimental monitoring is based on temperature or moisture measurements. The first needs adiabatic conditions, which can only be achieved in laboratory. The latter is often measured comparing the weight of the material sample before and after oven drying, which is time-consuming. This study investigates the moisture content of two cement-based and two calcium sulphate based mixtures for the first 90 days by using the calcium carbide method and oven drying at 40 °C and 105 °C (Darr method). Thereby, the amount of chemically bound water is determined to derive the degree of hydration. The calcium carbide measurements highly coincide with oven drying at 40 °C. The calcium carbide method is therefore evaluated as a suitable alternative to the time-consuming Darr drying. The prompt results are seen as a remarkable advantage and can be obtained easily in laboratory as well as in the field

Smart RFID Sensors Embedded in Building Structures for Early Damage Detection and Long-Term Monitoring

In civil engineering, many structures are made of reinforced concrete. Most degradation processes relevant to this material, e.g., corrosion, are related to an increased level of material moisture. Therefore, moisture monitoring in reinforced concrete is regarded as a crucial method for structural health monitoring. In this study, passive radio frequency identification (RFID)-based sensors are embedded into the concrete. They are well suited for long-term operation over decades and are well protected against harsh environmental conditions. The energy supply and the data transfer of the humidity sensors are provided by RFID. The sensor casing materials are optimised to withstand the high alkaline environment in concrete, having pH values of more than 12. Membrane materials are also investigated to identify materials capable of enabling water vapour transport from the porous cement matrix to the embedded humidity sensor. By measuring the corresponding relative humidity with embedded passive RFID-based sensors, the cement hydration is monitored for 170 days. Moreover, long-term moisture monitoring is performed for more than 1000 days. The experiments show that embedded passive RFID-based sensors are highly suitable for long-term structural health monitoring in civil engineering

Ermittlung der Oberflächenrelaxivität in Sandsteinen - ein Methodenvergleich

Mit dem zerstörungsfreien Verfahren der nuklear magnetischen Resonanz (NMR) mit Fokus auf 1H-Protonen lässt sich der Feuchtegehalt in porösen Materialien bestimmen und bei einem vollgesättigten Medium eine Porengrößenverteilung ableiten. Für die Ermittlung der Porengrößenverteilung muss die gemessene T2-Relaxationszeitenverteilung mit dem Parameter Oberflächenrelaxivität (OR) umgerechnet werden. Ist dieser Parameter für das zu untersuchende Medium unbekannt, kann dieser mithilfe von Vergleichsverfahren abgeschätzt werden. Dabei kommen z. B. Gassorption, Quecksilberporosimetrie (MIP), Dünnschliff-Mikroskopie oder µ-Computer-Tomographie (µ-CT) zum Einsatz. Da die verschiedenen Verfahren allerdings unterschiedliche Auflösungsgrenzen aufweisen und auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen, können die ermittelten ORs für ein Medium stark variieren. Um ein besseres Verständnis für die OR und die Einflüsse der Vergleichsverfahren zu bekommen, wurden 19 verschiedene Sandsteintypen untersucht. Die OR wurde zum einen basierend auf der spezifischen inneren Oberfläche aus der dynamischen Dampfsorption (DVS) und der Gassorption abgeleitet. Zum anderen wurden die Relaxationszeitenverteilungen durch manuelles Anpassen der OR derart in Porengrößenverteilungen umgerechnet, sodass es eine Übereinstimmung mit den Porengrößenverteilungen aus MIP und/oder µ-CT gibt. Die Umrechnung von Relaxationszeitverteilungen in eine Porengrößenverteilung berücksichtigt dabei sowohl fast- als auch slow-diffusion. Insgesamt ergab sich für die Sandsteine ein breites Spektrum an ORs, bei dem die über die innere spezifische Oberfläche ermittelten ORs andere Größenordnungen aufwiesen (< 10 µm/s), als bei dem Vergleich mit MIP oder µ-CT (bis 600 µm/s). Die mit MIP und µ-CT ermittelten Werten lagen dabei um einen Faktor von 1 bis 30 auseinander. Dieser umfangreiche Datensatz, der vier verschiedene Vergleichsverfahren einbezieht, soll neue Erkenntnisse in der Charakterisierung von porösen Materialien (z. B. bezüglich der Oberflächenrauigkeit) und in der Ursache für die starke Variation der OR ermöglichen. Durch das Berücksichtigen von fast- als auch slow-diffusion, können dabei sogar Daten in eine Porengrößenverteilung umgerechnet werden, bei denen das fast-diffusion-Kriterium nach Brownstein und Tarr nicht erfüllt ist. Außerdem ergibt sich aus der Berücksichtigung des slow-diffusion-Regimes ein neues Verständnis für die obere Auflösungsgrenze von NMR.poste

Determining the Pore Size Distribution in Synthetic and Building Materials Using 1D NMR

NMR is gaining increasing interest in civil engineering for applications regarding microstructure characterization as e.g., to determine pore sizes or to monitor moisture transport in porous materials. This study reveals the capability of NMR as a tool for pore size characterization. Therefore, we measured floor screed and synthetic materials at partial and full saturation. For most examined materials, the pore size distribution was successfully determined using either a reference or a calibration method. Since diffusion effects were observed for some samples in single-sided NMR measurements, further tests employing an NMR core analyzer were carried out in a homogeneous magnetic field. The finally obtained surface relaxivity of floor screed (50 μm/s) resulted to be much higher than suggested by literature

Determining the Pore Size Distribution in Synthetic and Building Materials Using 1D NMR

NMR is gaining increasing interest in civil engineering for applications regarding microstructure characterization as e.g., to determine pore sizes or to monitor moisture transport in porous materials. This study reveals the capability of NMR as a tool for pore size characterization. Therefore, we measured floor screed and synthetic materials at partial and full saturation. For most examined materials, the pore size distribution was successfully determined using either a reference or a calibration method. Since diffusion effects were observed for some samples in single-sided NMR measurements, further tests employing an NMR core analyzer were carried out in a homogeneous magnetic field. The finally obtained surface relaxivity of floor screed (50 μm/s) resulted to be much higher than suggested by literature