REM-Berechnung und Messung des Emissionsgrades mikrostrukturierter Oberflächen

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-10824
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Thermodynamik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Kabelac, S. Prof. Dr.-Ing.
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.07.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Emissionsvermögen, Randelemente-Methode, Mikrostruktur
DDC-Sachgruppe: Naturwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

In der heutigen Zeit wird für viele technische Anwendungen ein fundiertes Wissen über die spektralen, gerichteten Strahlungseigenschaften von technischen Oberflächen benötigt. Der Strahlungsenergietransport ist sehr wichtig bei Raumfahrtsystemen, Hochtemperaturwärmeübertragern und jeglicher Nutzung von Solarenergie. Eine der wichtigsten Möglichkeiten die Effizienz verschiedener thermischer Anlagen zu verbessern, ist die spektrale Richtungskontrolle der thermischen Strahlung. Dabei stellt das Konzept periodisch, mikrostrukturierter Oberflächen eine der aussichtsreichsten Realisierungsmöglichkeiten dar. Zur Untersuchung der spektralen, gerichteten Strahlungseigenschaften mikrostrukturierter Oberflächen wird in der vorliegenden Arbeit zuerst ein Berechnungsverfahren zur Berechnung des Emissionsgrades mikrostrukturierter Oberflächen entwickelt. Begleitend wird eine vorhandene Messaparatur zur Messung des spektralen, gerichteten Emissionsgrades verbessert und automatisiert.--- Die Berechnung basiert auf der Bestimmung des Streufeldes, das durch eine auf die modellierte Oberfläche auftreffende Welle erzeugt wird. Hierzu werden die Feldwerte der p-polarisierten magnetischen Felder und die Feldwerte der senkrecht polarisierten elektrischen Felder berechnet. Für diese Feldwertberechnungen werden die nach der Maxwellschen Theorie auftretenden partiellen Differentialgleichungen zur Beschreibung der elektromagnetischen Wellen numerisch mit der Randelementmethode (REM) gelöst. In Weiterentwicklung bisheriger in der Literatur dargestellter Berechnungen erfolgt im Rahmen dieser Arbeit eine vollständige Diskretisierung der Medientrenngrenze auch entlang steiler Flanken. Außerdem wird die Stärke des einfallenden Feldes über die berechnete Oberfläche normalverteilt, so dass verfälschende Randeffekte keinen Einfluss auf die Berechnung haben.--- Das realisierte Messverfahren ist eine statische, radiometrische Methode, bei der die Probenausstrahlung mit der eines Hohlraumstrahlers bei gleicher Temperatur verglichen wird. Die spektrale Detektion der emittierten Proben- und Hohlraumstrahlung erfolgt dabei mit einem FTIR-Spektrometer. Die Versuchsanalge ist so konzipiert, das die Messung gerichteter, spektraler Emissionsgrade in einem Wellenlängenbereich von 5 µm bis 25 µm möglich ist. Mit der realisierten Anlage sind diese spektralen Messungen in einem Polarwinkelbereich von 0° bis 70° und einem Azimutwinkelbereich von 0° bis 90° durchführbar. Der Messtemperaturbereich erstreckt sich von 370 K bis 550 K. Eine genaue Untersuchung der Messmöglichkeiten liefert neue Erkenntnisse über die Messgrenzen der Anlage. Die Automatisierung der Messung und Auswertung ermöglicht die Messung der spektralen, gerichteten Emissionsgrade mit einer hohen spektralen und räumlichen Auflösung.

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