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Numerical simulation and optimization of the magnet system for the Lorentz Force Velocimetry of low-conducting materials
Die Anwendung von Lorentz-Kraft-Anemometern (LKA) für schwach leitfähige Materialien wurde numerisch untersucht. Das Modell des LKA wurde mit Hilfe des kommerziellen Programms COMSOL Multiphysics entwickelt. Das Ziel der Untersuchungen war die Optimierung der Magnetsysteme für eine konstante Geschwindigkeit (v=5m/s) und eine vorgegebene elektrische Leitfähigkeit (sigma=4S/m) des Elektrolyten. Der Querschnitt des Elektrolyten beträgt 0,05m*0,05m, der Abstand zwischen dem Elektrolyt und dem Magnetsystem (MS) beträgt 3mm. Als Material für die MS wurde Nd-Fe-B verwendet. Optimierung bedeutet Maximierung der Lorentzkraft FL und Minimierung der Masse m des MS. Aus konstruktiven Gründen bezüglich der Kraftmesseinrichtung wurde die Masse des Messsystems auf maximal 1kg beschränkt und eine Auflösung der Messgröße FL von wenigstens 10^-5 N gefordert. Das Modell wurde, bezüglich des Magnetfeldes mit Hilfe von analytischen Lösungen, verifiziert. Fast alle Ergebnisse dieser Arbeit wurden unter der Voraussetzung des konstanten Geschwindigkeitsprofils vom Elektrolyten ermittelt (Festkörperapproximation). Diese Annahme reduziert die Rechenzeit wesentlich und wurde mit Hilfe der experimentellen Ergebnisse und auch numerisch mittels k-epsilon Turbulenzmodell validiert. Für ein konstantes und ein turbulentes Geschwindigkeitsprofil betragen die Unterschiede bei den FL weniger als 5%. Die optimierten Abmessungen von den Magneten bei der Festkörperbewegung sind deswegen näherungsweise auch für turbulente Strömungen zulässig. Die niedrige magnetische Reynolds Zahl (Rm<<1) hat uns erlaubt, die Differentialgleichungen im Modell zu entkoppeln. Das Rechengebiet wurde mit dem Faktor 4 für N=1 und mit Faktor 2 für N>1 reduziert, wobei N die Anzahl der Magnete in einem von beiden Halbach-Arrays im MS ist. Unterschiedliche MS (Halbach-Arrays) wurden mit Hilfe der Optimierungs-Toolbox in MATLAB optimiert, wobei die Funktion fmincon verwendet wurde. Um das Polynom für die FL zu bekommen, wurde die Methode der kleinsten Quadrate ...
Numerical simulation and optimization of the magnet system for the Lorentz Force Velocimetry of low-conducting materials
Die Anwendung von Lorentz-Kraft-Anemometern (LKA) für schwach leitfähige Materialien wurde numerisch untersucht. Das Modell des LKA wurde mit Hilfe des kommerziellen Programms COMSOL Multiphysics entwickelt. Das Ziel der Untersuchungen war die Optimierung der Magnetsysteme für eine konstante Geschwindigkeit (v=5m/s) und eine vorgegebene elektrische Leitfähigkeit (sigma=4S/m) des Elektrolyten. Der Querschnitt des Elektrolyten beträgt 0,05m*0,05m, der Abstand zwischen dem Elektrolyt und dem Magnetsystem (MS) beträgt 3mm. Als Material für die MS wurde Nd-Fe-B verwendet. Optimierung bedeutet Maximierung der Lorentzkraft FL und Minimierung der Masse m des MS. Aus konstruktiven Gründen bezüglich der Kraftmesseinrichtung wurde die Masse des Messsystems auf maximal 1kg beschränkt und eine Auflösung der Messgröße FL von wenigstens 10^-5 N gefordert. Das Modell wurde, bezüglich des Magnetfeldes mit Hilfe von analytischen Lösungen, verifiziert. Fast alle Ergebnisse dieser Arbeit wurden unter der Voraussetzung des konstanten Geschwindigkeitsprofils vom Elektrolyten ermittelt (Festkörperapproximation). Diese Annahme reduziert die Rechenzeit wesentlich und wurde mit Hilfe der experimentellen Ergebnisse und auch numerisch mittels k-epsilon Turbulenzmodell validiert. Für ein konstantes und ein turbulentes Geschwindigkeitsprofil betragen die Unterschiede bei den FL weniger als 5%. Die optimierten Abmessungen von den Magneten bei der Festkörperbewegung sind deswegen näherungsweise auch für turbulente Strömungen zulässig. Die niedrige magnetische Reynolds Zahl (Rm<<1) hat uns erlaubt, die Differentialgleichungen im Modell zu entkoppeln. Das Rechengebiet wurde mit dem Faktor 4 für N=1 und mit Faktor 2 für N>1 reduziert, wobei N die Anzahl der Magnete in einem von beiden Halbach-Arrays im MS ist. Unterschiedliche MS (Halbach-Arrays) wurden mit Hilfe der Optimierungs-Toolbox in MATLAB optimiert, wobei die Funktion fmincon verwendet wurde. Um das Polynom für die FL zu bekommen, wurde die Methode der kleinsten Quadrate ...
Numerical simulation and optimization of the magnet system for the Lorentz Force Velocimetry of low-conducting materials
Alferenok, Artem (author) / Lüdtke, Ulrich / Nacke, Bernard / Töpfer, Hannes
2013-04-04
Theses
Electronic Resource
English
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