Open-Access-Journals @ Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
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Erweiterung und Vergleich von Leistungsflusszerlegungsmethoden
No full textDas europäische Übertragungsnetz ist durch eine stark vermaschte Netzstruktur und einen umfassenden Verbund mehrerer Übertragungsnetzbetreiber gekennzeichnet. Durch diese Verbindungen wirken sich auftretende Leistungsflüsse in einer Marktregion aufgrund der Leitungsimpedanzen und der Lastsituation im System auch auf andere Regionen aus. Darüber hinaus wurden in den letzten Jahren zusätzliche lastflusssteuernde Anlagen wie Phasenschiebertransformatoren und Hochspannungsgleichstromleitungen installiert und werden in Zukunft in größerem Umfang installiert werden. Basierend auf den angewandten Betriebskonzepten können diese Elemente zu zusätzlichen Leistungsflüssen führen, die eine belastende oder entlastende Wirkung auf verschiedene Teile des Systems haben können. Eine von der ENTSO-E definierte Klassifizierung der verschiedenen partiellen Leistungsflüsse wird in dieser Arbeit erweitert und dann genutzt, um die Effekte von einzelnen Generator-Last-Paaren und der leistungsflusssteuernden Betriebsmitteln im Netz einheitlich und systematisch abzubilden.
Aufgrund der möglichen negativen Auswirkungen auf die Übertragungskapazitäten werden in der Arbeit Qualität und Quantität der verschiedenen Flussarten je nach Berechnungsmethode ermittelt. Es ist ein Vergleich der verschiedenen Algorithmen erforderlich, da jede Methode auf anderen mathematischen Beschreibungen der Flussarten basiert und unterschiedliche Vereinfachungen zur Trennung des Lastflusses verwendet. In dieser Arbeit werden dafür die Full Line Decomposition, das Power Flow Coloring und die Power Flow Decomposition erläutert und verglichen. Ein wichtiger Faktor ist die Erweiterung der Methoden um die Erkennung der Einflüsse von Phasenschiebertransformatoren und Hochspannungsgleichstromleitungen. Daher werden alle drei Methoden erweitert, sodass die erweiterten Flusskategorien mit jeder Methode errechnet werden können. Im Anschluss werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden herausgearbeitet und eine Empfehlung für die Anwendung der Algorithmen ausgesprochen.The European transmission grid is characterized by a highly meshed grid structure and a comprehensive network of several transmission system operators. These connections mean that power flows occurring in one market region also affect other regions due to line impedances and the load situation in the system. Furthermore, additional power flow control systems such as phase-shifting transformers and high-voltage direct current lines have been installed in recent years and will be installed on a larger scale in the future. Based on the operational concepts applied, these elements will lead to additional power flows that can have a burdening or relieving effect on the assets of the system. A classification of the various partial power flows defined by ENTSO-E is extended in this work and then used to map the effects of individual generator-load pairs and the power flow-controlling equipment in the grid in a uniform and systematic way.
Due to the possible negative effects on the transmission capacities, the quality and quantity of the different flow types are determined in the work depending on the calculation method. It is necessary to compare the different algorithms, as each method is based on different mathematical descriptions of the flow types and uses different simplifications to separate the power flow. In this paper, Full Line Decomposition, Power Flow Coloring and Power Flow Decomposition are explained and compared. An important factor is the extension of the methods to recognize the influences of phase-shifting transformers andhigh-voltage direct current lines. Therefore, all three methods are extended so that the extended flow categories can be calculated with each method. The advantages and disadvantages of the individual methods are then worked out and arecommendation for the application of the algorithms is made
Computational Analysis of Non-Newtonian Blood Flow in a Human Arterial Bifurcation Model: Non-Newtonian Blood Flow in a Human Arterial Bifurcation
No full textHemodynamic forces critically influence the pathogenesis of atherosclerotic lesions, particularly at anatomical sites characterized by intricate vascular geometries, such as arterial bifurcations. This study utilizes computational fluid dynamics (CFD) to investigate blood flow characteristics within a simplified three-dimensional model of the human aortic bifurcation, with particular attention to the transition of flow toward the carotid artery. Blood is modeled as an incompressible, non-Newtonian fluid using the Carreau–Yasuda model to capture shear-thinning behavior under physiological conditions. The simulations solve the incompressible Navier–Stokes equations using a finite volume method under steady-state conditions. Key hemodynamic parameters—including velocity fields, static pressure distributions, and wall shear stress (WSS) contours—are computed to assess flow disturbances and potential sites of vascular pathology. The results indicate complex flow features such as flow separation, recirculation zones, and stagnation points near the bifurcation apex. These regions correspond to areas of low and oscillatory WSS, which are clinically associated with endothelial dysfunction and the formation of atherosclerotic plaques. The findings demonstrate the effectiveness of CFD as a non-invasive diagnostic tool capable of elucidating local hemodynamic behavior and aiding in the assessment and treatment planning of vascular diseases, particularly those affecting cerebral perfusion
Comparative assessment of material homogenisation techniques
No full textThis study evaluates the accuracy and computational demands of Mean Field Homogenisation (MFH) and Finite Element Method-Based Homogenisation (FEMBH) for composites. FEMBH requires generating a Representative Volume Element (RVE) to capture the essential microstructural characteristics. The focus is on nanoparticle-reinforced composites, considering the distinct mechanical properties of matrix and inclusion phases, as well as the influence of inclusion geometry, such as aspect ratio and reinforcement orientation. A comparative numerical analysis of various homogenisation techniques is conducted, assuming linear and elastic behaviour for both phases. Also, different FEMBH implementations are examined, including voxel and tetrahedral meshes, to assess their precision and computational efficiency. To represent the effect of the RVE size choice on the accuracy of the results, different RVE sizes are evaluated during the homogenisation process. The Mori-Tanaka method, representing MFH, demonstrates good accuracy in predicting macroscopic behaviour, while FEMBH, particularly with detailed meshing, yields precise results. However, FEMBH requires significant computational resources, especially with increasing aspect ratios and volume fractions of reinforcing particles, which demand higher mesh densities for accurate analysis
Investigation of three-body abrasive wear systems with hard particles and liquid as intermediate medium using a customized tribometer
No full textThis article discusses dynamic phenomena and the measurement of forces in short-term tests of tribological three-body abrasive wear systems with hard silicon carbide particles.
Tribometers enable the measurement of forces, whereby analytical methods are used to determine the forces transmitted in the tribological contact zone on the basis of the forces recorded with a dynamometer that is not directly located in the tribological contact zone.
In addition to the theoretical background, this article also deals with a realization of the tribometer, which requires some finely tuned adaptations compared to the ideal tribometer due to tolerances existing in reality.
The data basis for the evaluation is a series of experiments with three-body abrasive wear systems with and without liquid, different particle sizes, particle quantities, loads and speeds.
In contrast to many other publications, the focus is not only on mean values, but also on the relative spread (i.~e.~the standard deviation per mean value) of occurring forces.
In particular, the relative spread shows clear and repeatable trends and thus qualifies as a supporting criterion for the comparison of different force measurements of tribological systems.
Furthermore, an alternative to the established procedure of randomized test execution is presented in order to detect (unintentional) temporal changes in the test conditions
Measurement of Partial Discharges on Power Cables: A Step Towards Successful Online Monitoring
No full textDie elektrischen Verteilnetze, welche zu einem hohen Anteil aus Energiekabeln bestehen, werden in Zukunft einer zunehmenden Auslastung ausgesetzt sein und eine wichtigere Rolle im Energieversorgungssystem spielen. Die höhere Auslastung ist ein Problem, da die meisten Energiekabel bereits Jahrzehnte alt sind und die elektrische Festigkeit ihrer Isolierung sich mit der Zeit verschlechtert. Da der Zustand der Kabelisolierung den Verteilnetzbetreibern (VNB) im Allgemeinen nicht bekannt ist, wird das Risiko für Kabelausfälle entsprechend steigen. Um kostspielige Versorgungsunterbrechungen zu vermeiden, benötigen die VNB daher eine zustandsorientierte Instandhaltungsstrategie für ihre Energiekabel. Die gebräuchlichste Methode zur Zustandsüberwachung ist die Teilentladungsmessung (TE), die kleine elektrische Entladungen an Isolierungsdefekten frühzeitig erkennt. Heutige TE-Sensoren sind jedoch üblicherweise nicht für eine kontinuierliche Online-Überwachung konzipiert und oft schlicht zu teuer, weshalb ihre Anwendung für VNB erheblich eingeschränkt ist. Ziel dieser Dissertation ist daher die Entwicklung eines günstigen und zuverlässigen TE-Sensors zur Online-Überwachung von Energiekabeln. Der Fokus der Forschung liegt auf der Verbesserung von Hochfrequenz-Stromwandlern (HFCT), um deren Probleme bezüglich magnetischer Sättigung zu überwinden und ihre Empfindlichkeit zu optimieren. Zu Beginn der Arbeit wird hierzu das Übertragungsverhalten von TE-Signalen auf Energiekabeln und ihre messbare Bandbreite untersucht. Hierzu wird ein analytisches Energiekabelmodell hergeleitet, um die verbleibende Bandbreite der TE-Impulse an den Kabelenden, an denen die TE-Sensoren installiert werden, zu bestimmen. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein optimiertes HFCT-Sensordesign ermittelt. Zu diesem Zweck wird ein analytisches HFCT-Modell entwickelt. Die eigentliche Herausforderung bei der Nutzung von HFCTs zur Online-TE-Messung ist jedoch deren Anfälligkeit für magnetische Sättigung, verursacht durch die hohen 50-Hz-Betriebsströme der Energiekabel. Zur Lösung dieses Problems wird ein verbessertes HFCT-Design mit geteiltem Kern vorgeschlagen, wobei der Sensor in der Lage ist, die Luftspaltlänge selbstständig entsprechend des derzeitigen Sättigungsniveaus zu variieren. Ein Mikrocontroller steuert hierzu einen Servomotor an, um die Luftspaltlänge in Echtzeit zu regeln und maximale Empfindlichkeit ohne Sättigung zu gewährleisten. Diese Lösung ermöglicht die Online-Überwachung von Energiekabeln mit HFCT-Technologie. Zu den wichtigsten Beiträgen dieser Arbeit gehören das verbesserte Split-Core HFCT- Design mit selbstregelnder Luftspaltlänge, ein analytisches Übertragungsleitungsmodell für die HF-Signalübertragung, ein analytisches HFCT-Modell zur Designoptimierung und eine Methode zur Echtzeitauswertung der TE-Messung. Zukünftige Arbeiten sollten sich der weiteren Optimierung des Sensordesigns und der Integration fortgeschrittener Methoden zur TE-Detektion und Signalauswertung widmen.The electrical distribution grids, which are mainly build on power cables, will face higher loads in the future and will thus play an increasingly important role in the power supply system. This is a problem because most power cables are already several decades old and the dielectric strength of their insulation deteriorates over time. Since the condition of the power cable insulation is usually unknown to the distribution system operators (DSO), the risk of cable failures will increase accordingly. To prevent costly supply interruptions, the DSOs require a condition-based maintenance strategy for their power cables. The most common method for condition monitoring is partial discharge (PD) measurement, which detects small electrical discharges occurring at insulation defects at an early stage. However, today’s PD sensors are usually not designed for continuous online monitoring and are often very expensive, which limits their usefulness for DSOs. This dissertation thesis aims to develop a cost-effective and reliable PD sensor for online monitoring of power cables. The research focuses on improving high-frequency current transformers (HFCT) to overcome magnetic saturation issues and optimize their sensitivity. The research begins by investigating the nature of PD signals transmitted along power cables and their measurable bandwidth. An analytical power cable model is developed to simulate the transmission process and determine the remaining bandwidth at the cable ends where the PD sensors are installed. Based on these findings, an optimized HFCT sensor design is investigated, which guarantees maximum sensitivity to PD pulses. For this purpose, an analytical HFCT model is derived. However, the challenge with HFCTs is their susceptibility to magnetic saturation caused by the high 50 Hz operating currents of power cables. To address this issue, an improved split-core HFCT design is proposed, capable of self-adjusting its air gap length based on the saturation level. A microcontroller controls a servo motor to optimize the air gap length in real-time, ensuring maximum sensitivity without saturation. This solution enables online monitoring of power cables using HFCT technology. The key contributions of this thesis include the improved split-core HFCT design with self-adjusting air gap length, an analytical power cable model for HF signal transmission, an analytical HFCT model for design optimization, and a method for real-time PD signal evaluation. Future work should focus on further optimizing the sensor design and integrating advanced methods for PD detection and signal evaluation
Electromagnetic field coupling to thin wires above the ground
No full textLeitungen spielen in vielen elektrischen und elektronischen Geräten eine große Rolle. Sie werden zur Übertragung von Informationen oder Leistung zwischen unterschiedlichen Komponenten verwendet. Sie können jedoch auch ungewollt als Antenne wirken und somit ein Einfallstor für elektromagnetische Störungen durch externe elektromagnetische Felder sein. Außerdem können über die Leitungen elektromagnetische Felder abgestrahlt werden, die wiederum andere benachbarte Geräte stören. Daher ist es speziell im Bere-ich der elektromagnetischen Verträglichkeit wichtig die physikalischen Mechanismen der Feldeinkopplung in und Datenübertragung auf Leitungen zu untersuchen. Es gibt verschiedene Leitungstypen, z.B. Mikrostreifenleitungen auf Leiterplatten oder dünnen Drähte über einer Masseebene. Das Ziel dieser Dissertation ist die analytische und semi-analytische Untersuchung der Ströme auf dünnen Drähten über einer großen Masseebene im Frequenzbereich. Das allgemeine Verständnis der Ausbreitung von Wellen auf Leitungen soll hiermit verbessert werden. Die untersuchten dünnen Drähte werden durch ebene Wellen angeregt. Verglichen mit der Wellenlänge sind die Leitungen lang und besitzen einen gleichförmigen Abschnitt entlang der Trajektorie. Bis auf den gleichförmigen Abschnitt ist die Trajektorie der Leitung beliebig und Abschlussimpedanzen werden berücksichtigt. Mehrere parallele Drähte werden ebenfalls untersucht. Für diese Leitungen ist der sogenannte asymptotischen Ansatz anwendbar. Der Ansatz liefert einen analytischen Ausdruck für den Strom im gleichförmigen Abschnitt des Drahtes. Er spielt eine zentrale Rolle bei der analytischen und semi-analytischen Untersuchung des Stromes. Es wird angenommen, dass der Strom eine Superposition aus mehrere transversal elektromagnetischen Moden und einer erzwungenen Antwort ist. Die Amplituden der Moden hängen von sogenannten Streu- und Reflexionskoeffizienten an den Leitungstoren ab. Diese Koeffizienten sind im Allgemeinen komplex, frequenzabhängig und von der Trajektorie am Leitungsende abhängig. Daher beinhalten die Koeffizienten Hochfrequenzeffekte, wie z.B. Feldabstrahlung an Ungleichförmigkeiten entlang der Leitung. Dies ist ein entscheidender Unterschied zur klassischen Leitungstheorie. Daher ist der asymptotische Ansatz für deutlich höhere Frequenzen anwendbar als die klassischen Theorie. Die Streu- und Reflexionskoeffizienten können durch numerische und analytische Methoden approximiert werden. Das Hauptaugenmerk liegt in dieser Arbeit auf der analytischen Näherung. Eine iterative Methode wird verwendet, um die Koeffizienten ausgehend von den “Mixed Potential Integral Equations” für dünne Drähte analytisch zu approximieren. Die Iteration wird mit der Lösung der klassischen Leitungstheorie initialisiert. Jeder weitere Iterationsschritt nutzt die vorheriege Lösung als Quelle, um eine bessere Approximation zu finden. Die analytische Lösung wird mit einer numerischen (Momentenmethode) verglichen. Es ist eine sehr gute Übereinstimmung zu beobachten. Außerdem zeigen die Beispiele, dass die iterative Lösung signifikant genauer ist als die klassische Lösung aus der Leitungstheorie. Darüber hinaus werden die analytischen und numerischen Approximationen mit Messergebnissen verglichen. Der komplexe Radarrückstreuquerschnitt von dünnen Drähten wird dazu gemessen und die komplexen Resonanzfrequenzen, die sogenannten natürlichen Frequenzen, werden extrahiert. Die analytischen natürlichen Frequenzen werden mithilfe des asymptotischen Ansatzes und der iterativen Methode bestimmt. Eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Messergebnissen, der analytischen Näherung und der numerischen Lösung ist für alle gewählte Beispiele zu beobachten.Transmission lines play an important role in many electronic and electrical systems. They guide signals and power between different components. However, they can also act unintentionally as an antenna that receives surrounding electromagnetic fields that might destroy sensitive components. Furthermore, the transmission line might emit electromagnetic fields that could interfere with other devices in the same environment. Hence, the analysis of the transmission line is important, especially in the context of electromagnetic compatibility analysis. There are different kinds of transmission lines, e.g. microstrip lines on printed circuit boards or thin wires above a large ground plane. The goal of this thesis is the analytic and semi-analytic analysis of the current along thin wires above a large ground plane in frequency domain. The general understanding of the wave propagation along and the field coupling to this important class of transmission lines shall be improved by this work. The considered thin wires are excited by a plane wave. They are assumed to be long compared to the wave length and must have a uniform section somewhere along the trajectory. Apart from the uniform section the trajectory of the wire can be arbitrary and lumped impedances can be present at the ports. Multiple wires above a ground plane are considered as well. For these transmission lines the so called asymptotic approach is applicable. It provides an analytic expression for the current in the uniform section of the wire and plays a key role in the analytic and semi-analytic analysis of the current. It is assumed that the current in the uniform section is a superposition of transverse electromagnetic modes and a forced response. The amplitudes of these modes depend on the scattering and reflection coefficients of the wire ports. These coefficients are in general complex, frequency dependent and consider the trajectory of the wire at the ports. They might include high frequency effects like radiation at discontinuities. This is a notable difference to the classical transmission line theory. Hence, the asymptotic approach is applicable to much higher frequencies than the classical theory. The scattering and reflection coefficients can be approximated by numerical and analytic methods. The main focus of this thesis lays on the analytic approximation. An iterative method is used that is derived from the general mixed potential integral equations for thin wires. The iteration is initialized by the classical transmission line solution. Each following solution depends on the previous iteration step. The analytic approximation is compared to a numerical one (method of moments) and a very good agreement is observed. Furthermore, the examples show the significantly improved accuracy compared to the classical transmission line theory. Moreover, the analytic and numerical approximations are compared to measurement results. The complex radar cross section of thin wires above a ground plane is measured and the complex resonant frequencies, the so called natural frequencies, are extracted. The analytic natural frequencies are obtained by using the asymptotic approach and the iterative method. Very good agreement between measurement, analytic and numerical solution is observed for multiple examples
An efficient mass lumping scheme for isogeometric analysis based on approximate dual basis functions
No full textIn this contribution, we propose a new mass lumping scheme for explicit dynamics in isogeometric analysis (IGA). To this end, an element formulation based on the idea of dual functionals is developed. Non-Uniform Rational B-splines (NURBS) are applied as shape functions and their corresponding dual basis functions are applied as test functions in the variational form, where two kinds of dual basis functions are compared. The first type are approximate dual basis functions (AD) with varying degree of reproduction, resulting in banded and diagonally-dominant mass matrices. Dual basis functions derived from the inversion of the Gram matrix (IG) are the second type and already yield diagonal mass matrices. We will show that it is possible to apply the dual scheme as a transformation of the resulting system of equations based on NURBS for both – shape and test functions. Hence, it can be easily implemented into existing IGA routines and it is also promising to retain the accuracy known from similar formulations without mass lumping. Applying additional row-sum lumping to the mass matrices is either not necessary for IG or the caused loss of accuracy is lowered to a reasonable magnitude in the case of AD. Numerical examples show a significantly better approximation of the dynamic behavior for the dual lumping scheme compared to standard NURBS approaches making use of conventional row-sum lumping. In a nutshell, applying IG yields accurate numerical results but fully populated stiffness matrices occur, which are entirely unsuitable for explicit dynamic simulations, while combining AD and row-sum lumping leads to efficient dynamical computations, with respect to effort and accuracy
Development of a screw extruder for extracting linseed oil from flax
No full textDue to the short shelf life of linseed oil, it makes sense to produce it by pressing linseed directly before consumption. Inorder to gain knowledge about the pressing process, a simulation model using the Discrete Element Method (DEM) was created.For the description of the model basic tests were carried out to determine characteristic parameters of the seeds such as modulus of elasticity, coefficients of friction, particle size and bulk density. Subsequently an oil press has been designed and a prototypewas produced. Experiments in which linseed, rapeseed and hemp has been processed under different test conditions have shownmoderate functionality. As a result the mass flow in the entry section of the prototype was adjusted. Within this modification amodular structure was realized in order to enable further adaptations and tests with less effort
Analytical Planning Stability Research: No Reason for Nervousness!
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Simultaneous Lagrangian and Eulerian formulations of constitutive equations with commutative-symmetrical stretch tensor products
No full textDriven by the motivation to properly model isotropic elasticity, a Lagrangian formulation within the additive logarithmic strain space, which was introduced thirty years ago in conjunction with the source code development of the special-purpose finite element program AutoForm for the simulation of deep-drawing processes of thin sheet metal, has recently been generelized to a multiplicative logarithmic strain space formulation, which is essentially based on commutative-symmetrical stretch tensor products. In this context, it turns out that commutative-symmetrical stretch tensor products can model not only isotropic elasticity, but also finite-elastic and finite-plastic orthotropy of the material. This is due to the fact that commutative-symmetrical stretch tensor products are defined simultaneously for both the left/Eulerian and the right/Lagrangian (partial) stretch tensors. The Eulerian tensors of the commutative-symmetrical stretch tensor product are relevant for the modeling of isotropic material elasticity, while the Lagrangian tensors are important for the simultaneous modeling of finite-elastic orthotropy and finite-plastic orthotropy of the material. Since only the material-convective rotation tensor of the deformation gradient’s polar decomposition is employed for commutative-symmetrical stretch tensor products (also for the definitions of the left/Eulerian and right/Lagrangian elastic and plastic stretch tensors), all tensors involved are either of proper-Eulerian or of proper-Lagrangian type, i.e. defined with respect to the current/Eulerian configuration or with respect to the reference/Lagrangian configuration. A formulation with commutative-symmetrical stretch tensor products thus does not require a (zero-stress) intermediate configuration and leads to a new class of constitutive equations