Design, Optimierung, Realisierung und Test von passiven Magnetsystemen für die Lorentzkraftanemometrie an Elektrolyten

Werner, Michael GND

This doctoral thesis describes the design and optimization procedure of magnet systems for the so called Lorentz force velocimetry a modern electromagnetic measurement technique for fluid flow quantification in closed channels. Based on the equations for the physical interaction and usual magnetohydrodynamic numbers the combined physical theory of Lorentz force velocimetry can be simplified, so that the arising forces can be accurately predicted by standard finite element models within reasonable simulation time. With analysis of magnetic networks and investigation of magnetic field structures the general drafts of magnetic systems for Lorentz force velocimetry are identified. Here especially the energy density of different magnetic field sources and the sophisticated use of magnetic spread fluxes are in focus for this first evaluation of possible drafts. The geometries of the permanent magnets within these basic drafts are optimized using classical optimization algorithms in combination with stationary finite element simulations. Optimization goal is generating a maximal Lorentz \linebreak force with a limited amount of weight in an experiment on a particular prototype test channel. With the effective magnetic flux guidance in an opposed combination of halbach arrays it is possible to increase the generated Lorentz force at the same fluid velocity by a factor of three in comparison to the magnet system draft, which is used in all previous Lorentz force velocimetry experiments. Using the same force measurement system, this means a factor of three better resolution of the fluid velocity within the channel, which is a significant improvement of this measurement principle. Finally the optimized halbach array magnet system and --- as reference --- a usual magnet system is assembled and magnetically characterized by three-dimensional pattern measurements. First results of Lorentz force velocimetry experiments on the reference channel with these assembled magnet systems are compared to the numerical results finally, in order to prove the theoretically predicted increase of the Lorentz force practically too.

Die vorliegende Arbeit behandelt den Entwurf und die Optimierung von passiven Magnetsystemen für die Lorentzkraftanemometrie an Elektrolyten einer neuartigen elektromagnetischen Messmethode zur Bestimmung von Durchflussmengen. Auf Basis der elektrodynamischen Grundgleichungen und der Magnetohydrodynamik wird der physikalische Zusammenhang der hinter der Lorentzkraftanemometrie steht soweit vereinfacht, dass sich dieser ausreichend exakt und zeiteffizient mit der Finiten-Elemente-Theorie nachbilden lässt. Anhand von magnetischen Netzwerkanalysen und Magnetfeldstrukturbetrachtungen werden mögliche Magnetsystemgrundaufbauten identifiziert, die sich für die Lorentzkraftanemometrie eignen. Bei dieser Voreinschätzung stehen besonders die Energiedichte von unterschiedlichen Magnetfeldquellen sowie die gezielte Ausnutzung der magnetischen Streufelder im Vordergrund. Die Geometrieparameter der einzelnen Permanentmagneten in den geeigneten Grundmagnetsystemen werden mit klassischen Optimierungsalgorithmen in direkter Kopplung zu stationären FEM-Simulationen optimiert, so dass bei einem streng limitierten Gesamtgewicht die generierte Lorentzkraft an einem definierten Referenzkanal maximal wird. Dabei stehen parallel auch die strukturmechanische Untersuchung der Permanentmagnethalterung und der Einfluss der Positionierung sowie der Temperatur der Einzelmagneten im Fokus. Es wird herausgearbeitet, dass mit einer geschickten Flussführung unter Einsatz von Halbacharrays die generierte Lorentzkraft, bei gleichem Systemgewicht und gleicher Fließgeschwindigkeit im Kanal, gegenüber herkömmlichen Systemen mehr als verdreifacht werden kann. Bei konstanter Auflösung des Kraftmesssystems ist es dadurch insgesamt möglich die Geschwindigkeit des Fluids um den Faktor von drei besser aufzulösen, was eine grundlegende Verbesserung der Auflösung dieses Messprinzips darstellt. Diese optimierte Halbacharraykombination sowie ein Referenzsystem, basierend auf dem herkömmlichen Design, wurden real aufgebaut und magnetisch mit einer Rasterfeldmessung charakterisiert. Weiterhin wurden erste lorentzkraftanemometrische Experimente mit diesen Magnetsystemen durchgeführt und die Ergebnisse mit den Prognosen aus der Simulation verglichen. Die theoretisch ermittelte Verbesserung wurde damit auch praktisch nachgewiesen.

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Werner, Michael: Design, Optimierung, Realisierung und Test von passiven Magnetsystemen für die Lorentzkraftanemometrie an Elektrolyten. 2013.

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