06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access 3D failure analysis of UD fibre reinforced composites : Puck’s theory within FEA(2010) Deuschle, H. Matthias; Kröplin, Bernd-Helmut (Prof. Dr.-Ing. habil.)Unidirectionally fibre reinforced composites (UD FRCs) are an aspiring material where high strength, adjustable stiffness, extraordinary durability and low weight is required. Their layer-wise processing into laminates enables the realisation of complex geometries with locally strongly differing properties. The design concept of integral construction makes use of this feature and combines different tasks in just one component. The increasing proportion of integral components brings significant savings in terms of structural weight and maintenance cost of the overall system. This development is currently opposed by an enormous experimental effort which comes along with the application of FRCs. The dimensioning of FRC laminates in terms of stiffness and strength has only hesitantly been included into efficient, computer-aided design processes. For the threedimensional prediction of failure and post-failure behaviour there is currently no failure theory available, which would have been implemented into a powerful design tool like Finite Element Analysis (FEA) up to application maturity.Item Open Access Ab initio quantum-chemistry database for N2 (v, J) + N in a state-to-state implementation of the DSMC method(2017) Torres, Erik; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)In this work, the implementation within DSMC of a coarse-grain model for nitrogen is presented. The main contribution of this thesis is the development of a methodology by which a detailed state-to-state reaction mechanism for internal energy exchange and molecular dissociation can be reduced to a manageable size and incorporated into a DSMC code. The feasibility of using this model to simulate problems with realistic 2D/3D geometries and conditions relevant for atmospheric entry applications is demonstrated.Item Open Access Ableitung von Bewegungsstrategien zur automatisierten, vollständigen Vermessung von Innenraumszenen auf autonomnavigierender Plattform(2012) Fietz, Alexander; Fritsch, Dieter (Prof. Dr.-Ing.)Die Selbstlokalisierung eines autonomen mobilen Roboters in der Umgebung ist eine seiner grundlegenden Aufgaben. Eine präzise Lokalisierung ist für viele Applikationen notwendig. Eine Vorrausetzung dafür ist das Vorliegen einer genauen und vollständigen Karte. Während die durch den Roboter erzeugte Karte bei typischen Robotikanwendungen ein notwendiges Nebenprodukt darstellt, rückt diese bei einer Betrachtung von vermessungstechnischer Seite in den Fokus. Es stellt sich die Frage, inwiefern sich die gesammelten Raumdaten bezüglich der Genauigkeit, der Vollständigkeit und des Detaillierungsgrades für eine Umgebungskartierung eignen, die den Anforderungen eines menschlichen Nutzers genügt. Im Alltag benötigt dieser exakte Modelle von Innenräumen, deren Beschaffung häufig mit großem Aufwand verbunden ist. Eine vollautomatische Generierung dieser Innenraummodelle wäre für ihn daher wünschenswert. Die Arbeit soll hierzu einen Beitrag leisten und versucht die Verfahren und Mittel zusammenzustellen, die notwendig sind, um das Modell einer Innenraumszene quasi ”per Knopfdruck“ zu erhalten. Konzipiert wurde ein mobiles Messsystem, durch das sich Innenraumumgebungen vollständig und mit möglichst hoher Genauigkeit in 2D als auch in 3D einmessen lassen. Der Aufbau des Messsystems erfolgte in zwei Stufen. In einer Basisstufe wurde eine mobile Plattform mit einem Low-Cost Laserscanner ausgestattet, um eine 2D-Exploration von Innenraumszenen zu ermöglichen. In einer Ausbaustufe erlaubt die Anbringung einer Digitalkamera eine zusätzliche 3D-Rekonstruktion, basierend auf der Anwendung photogrammetrischer Methoden. In der Arbeit werden Positionierungsstrategien für die 2D als auch die 3D Vermessung vorgestellt, deren primäres Ziel eine Genauigkeitsmaximierung der resultierenden Raumdaten ist. Im ersten Teil der Arbeit wird ein 2D-Messsystem vorgestellt, dass in der Lage ist, unbekannte Innenraumszenen zu erkunden und exakte Grundrisspläne von diesen zu erstellen. Dabei fährt das System iterativ Messposen an, die durch eine Positionierungsstrategie bestimmt werden. Die an den einzelnen Messpositionen aufgezeichneten 2D-Punktwolken werden über ein Scan-Matching Verfahren in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert. Die Positionierungsstrategie beruht auf einer globalen Betrachtung der Umwelt als Verkettung von Liniensegmenten. Da die Enden dieser Segmente auf Datenlücken hinweisen, wird über diese die Exploration einer Szene bis zu deren vollständiger Erfassung vorangetrieben. Der zweite Teil der Arbeit stellt eine Positionierungsstrategie vor, durch die sich ein Aufnahmeverband aufnehmen lässt, mit dem eine photogrammetrische Rekonstruktion möglich ist. Bereits vor der eigentlichen Aufnahme werden mögliche Posenkonfigurationen über eine Genauigkeitsabschätzung eruiert. Die Annahme, sich in ebenen Umgebungen zu bewegen, ermöglicht eine Einschränkung der Wahl möglicher Kameraposen auf ein 2D Suchproblem. Ausgangsinformation der Posebestimmung ist die 2D-Umgebungskarte, die sich durch das vorgestellte 2D Messsystem erstellen lässt. Aus dieser werden iterativ pseudozufällige Posenkonstellationen für definierte Umgebungsbereiche abgeleitet und anhand einer Kostenfunktion miteinander verglichen. Die Kostenfunktion versucht die im Bündelausgleich entstehenden Varianzen der Objektpunkte abzuschätzen. Dies ist möglich, indem auch das funktionale Modell des Bündelausgleichs auf eine 2D Betrachtung reduziert wird, wobei ein 2D-Richtungsnetz entsteht. Form und Größe der resultierenden Fehlerellipsen lassen Rückschlüsse auf die Güte möglicher Kameraposen zu und erlauben eine vergleichende Evaluierung. Ein wesentlicher Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der empirischen Evaluierung der Systeme, um deren Leistungsvermögen und die Güte der resultierenden Raumdaten zu erörtern. Anhand von Versuchen in realen Umgebungen wird die praktische Anwendbarkeit der entwickelten Messverfahren belegt. Im Falle der scannenden Vermessung belegen die Experimente, dass das entwickelte Messsystem auch komplexe Innenraumszenarien einzumessen und zu explorieren vermag. Eine Betrachtung der erstellten Punktwolke zeigt, dass deren Genauigkeit vielen vermessungstechnischen Ansprüchen genügt und das Verfahren diesbezüglich herkömmlichen Messmitteln überlegen ist. Bei einer anschließenden Modellierung werden jedoch feinere Umgebungsstrukturen fälschlich abgebildet oder gehen ganz verloren. Auch die 3D-Messstrategie ist existierenden Strategien nachweislich überlegen. Das rein passive Verfahren führt jedoch zu Punktwolken, die nicht dicht genug sind, um mit entsprechender Software detaillierte Umgebungsmodelle erzeugen zu können.Item Open Access Abluftreinigung flüchtiger Kohlenwasserstoffe in einer Mikrogasturbine : Betrachtung von Regelung und Brennkammer(2021) Schwärzle, Andreas; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Active removal of space debris with space-based lasers : performance and requirements(2016) Schmitz, Manuel; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)Space debris has recently become a topic of elevated interest. As the threat of an uncontrollable collision cascade among defunct space objects, known as the Kessler syndrome, is being discussed, the stakeholders and decision-makers have begun to consider the active removal of orbital debris. Thus motivated, the space community has begun conceiving and studying technical concepts for the realization. The bulk of them address the removal of larger bodies from orbit. These are catalogued and have the potential of fragmenting into a high number of new, dangerous objects. This thesis, however, treats a concept for the removal of the medium-sized (1 cm to 10 cm) debris objects. These are by far more numerous and are not catalogued. They have a comparable destructive potential but may be even harder to pick from their orbits. The remediation concept treated herein employs a space-based, high-power laser. By engaging objects in the size regime of 1 cm to 10 cm, and causing laser-induced surface ablation on a substantial subset of the debris population, the objects' perigees shall be reduced, so that they will re-enter the atmosphere quickly and eventually burn up. Although this mission concept has been studied in the past, essential key aspects have not yet been analysed in sufficient depth. In fact, important parts have only been covered by rough estimates and rule-of-thumb calculations. Among these topics are: The number of reachable debris objects, the necessity for orbital manoeuvres to be performed by the laser, the impact of the relative motion between laser and debris in the near field, and the connection between the laser optics and orbital mechanics. This thesis determines the boundaries in which a space-based laser debris removal can be performed. It identifies the necessary assumptions and the prerequisites, and derives technical system requirements for an implementation. For this purpose, a generic and comprehensive mission performance model is established. The model employs a discrete element approach, which is implemented as a numerical code. It allows performing case studies of individual missions as well as systematic parameter scans and optimizations. Additionally, it provides insight into the relevant mechanisms that are driving the performance: The user can tell why a particular scenario is strong or weak, and iteratively tune the mission and system parameters of the orbital debris sweeper platform. Three performance-driving quantities have been identified: The laser range, the tracking agility and the laser's power. This computer-based model is used to identify the constraints and the boundary conditions of the mission concept in general, framing a "design space" of missions. Finally, three exemplary sweeper missions are presented as a demonstration of the model's capabilities. Requirements for their technical implementation are estimated, along with an analysis of their remediation performance. The balanced scenario is shown to be capable of reducing the debris density in the most polluted orbital regions by 23% in 10 years.Item Open Access Adaptive guidance and control of small unmanned aerial vehicles(2019) Souanef, Toufik; Fichter, Walter (Prof. Dr-Ing.)This dissertation focuses on adaptive guidance and control of small fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Small UAVs are very sensitive to wind. Furthermore, they are generally built with low-cost material which makes them prone to frequent faults and failures. On the other hand, limited avionic equipment reduce the possibility to elaborate and implement complicated guidance and control systems. All these reasons motivate the use of a control method that is robust to faults and disturbances and relatively simple for implementation, namely L1 adaptive control. First, an approach for L1 adaptive control is presented based on an adaptation law that borrows insights from the sliding mode control to estimate the unknown bounds of disturbances. Next, an approach of path-following for fixed-wing UAVs is developed considering the presence of wind disturbances. The key idea is to formulate the path-following of a fixed-wing UAV as a control problem in the presence of parametric uncertainties and external disturbances. Another contribution of this dissertation is the development of a method for fault tolerant control. The design is based on an L1 adaptive controller with a nominal reference model and a set of degraded reference models. In a degraded model the criteria of performance are reduced. Towards real flight tests, an approach for output feedback L1 adaptive control was designed. The main motivation is that the measure of the full state is not available on small UAVs. The proposed method is based on a state observer instead of the state predictor characteristic of L1 adaptive control. The main advantage is that a full state measurement can be avoided, and the design and the implementation of the controller are simplified.Item Open Access Advanced computational methods in identification of thermo-acoustic systems(2011) Kostrzewa, Krzysztof; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)The use of fossil fuels in power generation has a significant impact on the environment. Even the burning of natural gas, considered as the cleanest of all commonly available fossils fuels, is generally associated with emissions of many dangerous air pollutants. In the last decades, additional environmental constrains have been introduced to reduce the emissions from gas turbines. The primary focus has been especially placed on nitrogen oxide (NOx) to minimize its emissions to acceptable values. This reduction has been partially accomplished by utilizing a lean-premixed flame rather than the standard diffusion type flame. The biggest disadvantage of these combustion systems is that they are very prone to thermo-acoustically induced oscillations as a result of a complex feedback mechanism between pressure and heat release fluctuations, which may lead to uncontrolled high-pressure amplitude oscillations inside the combustor at certain operating conditions In order to predict the linear stability of partially premixed combustion systems in industrial-scale gas turbines, a detailed acoustic characteristic for each of the major components is required. Sudden changes in the combustion process of gas turbines in order to reduce emissions may result in large amplitude pressure oscillations associated with a coupling between the natural acoustic modes of the combustor and the unsteady heat release from the flame. Detailed one-dimensional acoustic network models have to be built up to represent entire combustion systems. These models consist of ducts, diffusers, junctions and a flame element. Time delay elements have to be applied to describe properly the interactions between acoustics and heat release fluctuations and to investigate the stability of the system using linear stability theory. The main goal of this work is to develop and to validate technically relevant tools to mitigate the consequence of an occurrence of combustion instabilities. From the acoustic modeling point of view, the combustion system elements can be characterized either by their acoustic transfer matrices or by flame transfer functions. A description of the burner and flame are of main importance. In this study, acoustic characteristics of a sudden change of area, a truncated teardrop specimen, an atmospheric generic swirl burner, and a prototype industrial burner at elevated pressure have been made by means of unsteady flow simulations and system identification. A comprehensive process for the computation of such CFD/SI based characteristics has been shown. Whenever possible the results have been validated and compared with the experimental and theoretical data. In the case of the prototype industrial burner at elevated pressure it has been demonstrated that using the CFD based flame transfer function it is possible to improve the overall gas turbine combustion system stability prediction. In addition to these calculations, LES-like computations of an atmospheric swirl burner, and a prototype industrial burner at elevated pressure have been performed. It allows for the determination of flame and flow dynamics, which might drive the stability of the entire combustion system. In the case of an atmospheric swirl burner, the LES-based flow field has also been forced at discrete frequencies to visualize the development of coherent structures in the combustion chamber. Similarly, to the experiments, the evaluation of coherent structures is captured. The numerical visualizations are then compared with the experimental findings. Finally, an exemplary calculation of self-excited oscillations has been made in order to demonstrate that commercial CFD codes are able to capture these kinds of instabilities. The unstable frequencies found during the computation have been benchmarked employing one-dimensional acoustic network code.Item Open Access Aeroacoustic simulation of turbulent boundary layer induced automotive gap noise(2021) Erbig, Lars; Munz, Claus-Dieter (Prof. Dr. rer. nat.)Item Open Access Aerodynamic interactions on Airbus Helicopters' compound helicopter RACER(2023) Frey, Felix; Krämer, Ewald (Prof. Dr.-Ing.)In this thesis, the mutual effects of main rotor, wings, and lateral rotors of Airbus Helicopters' compound helicopter RACER are addressed under different flight conditions. In order to isolate the interactional phenomena, trimmed high-fidelity computational fluid dynamics (CFD) simulations are not only conducted on a detailed representation of the full compound helicopter but also on reduced configurations which are created by removing the respective other components of interest. By comparing the aerodynamic performance of main rotor, wings, and lateral rotors for the different computations, mutual influences can consequently be determined, which are further divided into first- and second-order effects. With the help of a loose coupling between the comprehensive analysis (CA) tool HOST and the CFD solver FLOWer, realistically trimmed free-flight conditions are determined for the relevant flight states. The first of these is RACER's cruise flight at 220kts, which represents the operating condition the compound helicopter was specifically designed for. Due to the elevated advance ratio of over 0.5 and the resulting azimuthal variation of main rotor inflow, a strong asymmetry is witnessed in unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) simulations, where most of the interactional phenomena originating from or affecting the advancing side of the rotor disk are significantly stronger than on the retreating side. In order to account for the large regions of separated flow below the wings, RACER's hover as the second flight condition of interest is analysed by means of delayed detached-eddy simulations (DDES). It is not only that second-order effects generally play a more important role for this flight state, but that asymmetries in aerodynamic interactions are not linked to the main rotor and its thrust distribution but rather to the different operating conditions of the lateral rotors where the right-hand rotor generates reverse thrust to provide anti-torque.Item Open Access Aerothermodynamische Untersuchungen facettierter Raumfahrzeuge unter Wiedereintrittsbedingungen(2010) Barth, Tarik; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die aerothermodynamische Untersuchung scharfkantiger Wiedereintrittsfahrzeuge unter Durchführung gekoppelter Strömungs-Struktur-Berechnungen, mit denen die Interaktionen zwischen dem hypersonischen Strömungsfeld und der Fahrzeugstruktur erfasst werden. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf der Auswertung des Flugexperimentes SHEFEX (Ma=6). Hierzu findet zunächst eine Sensitivitätsanalyse statt, die zur Identifizierung und Quantifizierung von möglichen Fehlerquellen bzw. Unsicherheiten beiträgt. In diesem Zusammenhang werden unterschiedliche Einflussfaktoren wie Atmosphärenmodelle, Einbaubedingungen und Überstände der Wärmeflusssensoren, Reaktionsverhalten der Thermoelemente, numerische Diskretisierungsfehler usw. untersucht. Für die numerische Berechnung der gesamten Wiedereintrittstrajektorie von SHEFEX wird ein gekoppeltes Strömungs-Struktur-Berechnungsverfahren angewendet, um die Wechselwirkung zwischen der Fahrzeugstruktur und dem Strömungsfeld zeitgenau analysieren zu können. Bei Berücksichtigung der Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse ergeben sich für die numerischen Berechnungen der Druck-, Wärmestromdichte- und Temperaturverteilungen sehr gute Übereinstimmungen mit den experimentellen Daten. Die Berechnungen liefern damit das aerothermodynamische Verhalten von SHEFEX während des Fluges, womit eine umfangreiche Datenbank für ein scharfkantiges Raumfahrzeug bereitgestellt werden kann. Außerdem ist den Berechnungsergebnissen entnehmbar, dass das verwendete Thermalschutzsystem, bestehend aus einfach geformten Platten, dem Wiedereintrittsexperiment standhielt. Basierend auf den Ergebnissen der Flugauswertung von SHEFEX und der Validierung des dabei genutzten Kopplungsansatzes wird die Anwendbarkeit scharfkantiger Fahrzeugformen unter orbitalen Wiedereintrittsbedingungen analysiert, um eine reale Wiedereintrittsmission zu berücksichtigen. Der entworfene Raumtransporter zeichnet sich durch eine einfache Formgebung und günstige aerodynamische Flugeigenschaften aus. Für dieses Fahrzeug resultiert aus entsprechenden Bahnanalysen ein kritischer Flugzustand (Ma=22), der in den Berechnungen als stationärer Flugpunkt angenommen wird, woraus sich eine maximale Aufheizung des Fahrzeugs ergibt. Das Ergebnis hierzu ist, dass die Fahrzeugtemperaturen ausschließlich in der spitzen Körpernase die Grenzwerte des angenommenen TPS-Materials (C/C-SiC) überschreiten. Die Ergebnisse der Flugauswertung von SHEFEX und die Berechnungen für das Fahrzeug unter orbitalen Wiedereintrittsbedingungen zeigen die mögliche Anwendbarkeit facettierter Raumahrzeuge bei hoher aerodynamischer Leistung und moderater aerothermodynamischer Belastung.Item Open Access Analyse der Flammenstabilisierung intensiv mischender Jetflammen für Gasturbinenbrennkammern(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2019) Severin, Michael; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Rezirkulationsstabilisierte Jetflammen sind als innovatives Brennkammerkonzept (bekannt als FLOX-Brenner) für Gasturbinenanwendungen eine vielversprechende Alternative zu den weit verbreiteten Drallbrennern. Sie zeichnen sich durch eine intensive Vormischung, homogene Temperaturverteilung, geringe NOx-Emissionen und hohe Last- und Brennstoffflexibilität aus. Der Querschnittssprung der eingeschlossenen Jetströmung sorgt für eine starke Rezirkulation von heißem Abgas. Es ist bekannt, dass diese Rezirkulation entscheidend zur Flammenstabilisierung beiträgt, da die Geschwindigkeit des in die Brennkammer einströmenden Frischgases sehr viel höher als die Flammengeschwindigkeit ist. Wie diese Stabilisierung im Detail abläuft ist jedoch unbekannt und Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit. Für die experimentellen Untersuchungen wurden zwei Modellbrenner verwendet, die jeweils eine einzelne rezirkulationsstabilisierte Jetflamme ausbilden: Der erste Modellbrenner stellt einen vereinfachten generischen Testfall dar und wurde im Labor unter atmosphärischen Bedingungen betrieben. Der zweite bildet den Ausschnitt eines realen Brenner-Prototyps ab und wurde am Hochdruckbrennkammerprüfstand unter gasturbinentypischen Bedingungen (hoher Druck, hohe Brennkammereintrittstemperatur) betrieben. Beide Brennkammern bestanden aus Glas und waren für optische Messungen voll zugänglich. Es wurden die Messtechniken Particle Image Velocimetry (PIV), OH*-Chemolumineszenz-Abbildung (OH*-CL) und OH Laserinduzierte Fluoreszenz (OH-LIF) eingesetzt, um detaillierte Kenntnis über das Strömungsfeld, die Flammenlage und die Temperatur zu gewinnen. Diese wurden teilweise simultan und mit hoher Wiederholrate von 5 kHz angewandt, um die schnellen physikalisch-chemischen Vorgänge der Flammenstabilisierung zu erfassen. Um die Interpretation der experimentellen Daten zu unterstützen, wurden zusätzlich chemisch-kinetische Modellrechnungen durchgeführt und theoretische Zündverzugszeiten, laminare Flammengeschwindigkeiten und Verlöschstreckraten bestimmt. Die Analyse des Betriebsbereichs über eine weite Parametervariation ergab, dass in den Brennern vier verschiedene Flammentypen auftreten können: Die klassische Bunsen-Flamme, die rezirkulationsstabilisierte Jetflamme, der Zustand flammenloser Oxidation und die pilotierte Jetflamme. Die weiteren detaillierten Untersuchungen konzentrierten sich auf die rezirkulationsstabilisierte Jetflamme. Diese ist stets abgehoben, weit in der Brennkammer verteilt, und brennt auch bei großer Betriebsparametervariation mit bemerkenswert konstanter Abhebehöhe. Das Strömungsfeld zeigt die charakteristische Rezirkulationszone, die heißes Abgas zurück an die Jetwurzel transportiert, und kleinere instationäre Wirbel in der Scherschicht zwischen Jet und Rezirkulation, die heißes Abgas und einströmendes Frischgas mischen. Die Ausdehnung und Intensität der Rezirkulation ist im relevanten Betriebsbereich ebenfalls weitgehend unabhängig von den Betriebsparametern, was die gute Lastflexibilität eines solchen Brenners erklärt. Die Temperaturbestimmung aus den quantitativen OH-LIF Messungen ergab eine relativ homogene Temperaturverteilung am Ende der Flammenzone und einen Temperaturverlust des heißen Abgases bei der Rezirkulation. Die Hochgeschwindigkeitsmessungen zeigen eine stark instationäre turbulente Flamme und das Auftreten von Selbstzündereignissen an der Flammenwurzel. Die Selbstzündereignisse korrelieren dabei mit den Positionen der intensiv mischenden kleinskaligen Scherschichtwirbel. Der Verlauf der Flammenabhebehöhe kann allerdings nur mäßig mit den ermittelten Zündverzugszeiten in Verbindung gebracht werden. Dies weist darauf hin, dass die Verbrennung nicht rein auf Selbstzündung basierend abläuft, sondern nur von dieser unterstützt wird. Die hochaufgelösten OH-LIF Bilder zeigen eine sich ausbreitende Flammenfront, die entsprechend des Borghi-Diagramms turbulenter vorgemischter Verbrennung je nach Betriebsparametern zusammenhängend oder stark aufgerissen, jedoch immer vorhanden ist. Die simultanen Hochgeschwindigkeitsmessungen zeigen, dass vor allem ein kontinuierliches Flammenaufrollen für die Flammenstabilisierung verantwortlich ist. Sowohl die Ausbreitung der Flammenfront, das Flammenaufrollen, als auch die Selbstzündereignisse werden durch Streckung aufgrund hoher Geschwindigkeitsgradienten limitiert. Die Ergebnisse zeigen, dass im Bereich der Jetwurzel hohe Streckungsraten vorliegen, dort somit keine kontinuierlichen Reaktionen ablaufen und die Flamme daher abgehoben ist. Zusammenfassend basiert die Flammenstabilisierung also auf einem komplexen Zusammenspiel von Mischung, Selbstzündung, Flammenausbreitung und Limitierung durch Streckung. Die Ergebnisse des Labor- und des Hochdruck-Brenners sind im Vergleich übereinstimmend und der Druck scheint keinen entscheidenden Einfluss auf den Mechanismus der Flammenstabilisierung zu haben. Fourier- und POD-Analysen zeigen, dass die beobachteten Phänomene keiner dominanten Frequenz folgen sondern breitbandig turbulenter Natur sind. Das gewonnene Verständnis aus den Analysen dieser Arbeit fließt direkt in die laufende Entwicklung von FLOX-Brennern für große stationäre Gasturbinen ein, die bisher hauptsächlich auf systematischen Geometrievariationen beruhte. Außerdem werden die umfassenden Ergebnisse als Validierungsdaten für numerische Simulationen genutzt, die wiederum entscheidend zur weiteren Brenneroptimierung und weiterem Grundlagenverständnis beitragen.Item Open Access Analyse der Spallation von Hitzeschutzmaterialien in Wiedereintrittsströmungen(2024) Grigat, Felix; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wird das Phänomen der Spallation, das Absplittern fester Partikel aus der Oberfläche ablativer Hitzeschutzmaterialien, experimentell untersucht. Reine Kohlenstoffmaterialien sowie Kohlenstoff-Phenolharz Materialien werden in Plasmawindkanalanlagen unter drei verschiedenen Strömungsbedingungen getestet. Das Ablationsverhalten der Materialproben wird mit einem hierfür entwickelten experimentellen Aufbau mit unterschiedlichen Messverfahren im Detail charakterisiert. Die bei diesen Untersuchungen verwendeten Messverfahren sind Stereophotogrammetrie zur Messung der Rezession, eine Hochgeschwindigkeitskamera zur Detektion von Spallationspartikeln, optische Emissionsspektroskopie zur Vermessung der Strahlung von Ablationsprodukten in der Strömung, Thermographie und Pyrometrie zur Oberflächentemperaturmessung sowie Druckmessungen innerhalb der Materialproben zur Analyse des Pyrolysedrucks. Die untersuchten Materialien sind der in der Arbeitsgruppe HEFDiG entwickelte Kohlenstoff-Phenolharz Ablator HARLEM, der Kohlenstoff-Phenolharz Ablator ZURAM sowie die zwei reinen Kohlenstoff Materialien Calcarb und Fiberform. Die erforderliche Genauigkeit der Messung der Oberflächenrezession während der Experimente wird mit der photogrammetrischen Messmethode erreicht. Diese Messungen bilden die Grundlage für die Charakterisierung des Ablationsverhaltens der Materialproben. Hierzu wird der photogrammetrische Messaufbau für Anwendungen am Plasmawindkanal optimiert. Die Spallation wird untersucht, indem die Anzahl der Spallationspartikel mit einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst wird. Hierzu wird ein Algorithmus entwickelt, um die Partikel automatisch zu identifizieren. Es wird gezeigt, dass phenolhaltige Ablatoren im Vergleich zu reinen Kohlenstoffmaterialien eine geringere Menge an Spallationspartikeln abgeben und dass der Anteil von Spallation am Gesamtmassenverlust bei phenolhaltigen Ablatoren um bis zu 50% geringer ausfällt. Die Analyse der Partikeltrajektorien zeigt, dass sich die Partikel im Gegensatz zu häufig in der Literatur getroffenen Annahmen nicht wesentlich stromaufwärts bewegen. Druckmessungen im Ablator ergeben Drücke von bis zu 276 hPa in den phenolhaltigen Kohlenstoffablatoren HARLEM, wobei eine Korrelation mit dem Ausströmen von Pyrolysegasen, aber keine mit der Spallationsrate beobachtet wird. Dies deutet darauf hin, dass Pyrolysegase nicht, wie oft angenommen, zu Spallation führen. Die Untersuchungen zeigen auch eine Obergrenze der Menge des im Kohlenstoffmaterial eingebrachten Phenolharzes auf. Ist diese zu hoch, so können die entstehenden Pyrolysegase beim Wiedereintritt nicht entweichen, sodass der zu hohe Druckanstieg zum mechanischen Versagen der gesamten Materialprobe führt. Der Einfluss von Scherkräften und Oxidation auf die Partikelbildung wird durch Vergleiche unterschiedlicher Versuchsbedingungen analysiert. Die Rezessionsrate und die Anzahl von Spallationspartikeln ist in einer reinen Stickstoffströmung deutlich reduziert im Vergleich zu einer Luftströmung gleicher Wärmestromdichte. Weiterhin zeigt sich in einer Strömung mit einem hohen dynamischen Druck eine deutliche Zunahme der Rezession und der Anzahl der Spallationspartikel. Damit wird gezeigt, dass Oxidation und Scherkräfte für die Spallation eine wesentlich wichtigere Rolle spielen als die bloße Sublimation des Materials. Des Weiteren wird das Strömungsfeld vor dem Ablator mittels Emissionsspektroskopie untersucht. Hierbei wird festgestellt, dass sich die Präsenz von Spallationspartikeln nicht auf die Strahlungsemission der Ablationsprodukte auswirkt. Diese wird im Wesentlichen durch das Ausgasen von Pyrolyseprodukten bestimmt. Die Auswertung der mittels eines Czerny-Turner Spektrometers gemessenen Strahlung des CN Moleküls bestätigt diese Beobachtung. Die Untersuchung der zeitlichen Verläufe der Teilchendichten von CN zeigen, dass die Anzahl an Spallationspartikeln nicht entscheidend ist für die Menge an CN Molekülen in der Strömung. Der Einfluss von Spallation auf die Strömung fällt damit deutlich geringer aus als bisher aus der Literatur bekannt. Die Erkenntnisse dieser Arbeit zusammenfassend überwiegt weiterhin der negative Aspekt des erhöhten Massenverlusts durch Spallation. Daher ist Spallation ein unerwünschter Effekt und sollte bei der Auslegung von Hitzeschilden reduziert werden.Item Open Access Analysis of a hybrid propulsion lunar sample return mission(2019) Schmierer, Christian; Schlechtriem, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Eine Probenrückführungsmission zum Mond bietet viele Erkenntnisse für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen. Der Mond und seine Geschichte haben sich wieder in das Blickfeld der Wissenschaft bewegt. In den letzten 20 Jahren ist das Interesse an Raumfahrtmissionen zum Mond stetig gewachsen, weswegen viele Satelliten und sogar Landefahrzeuge zum Mond geschickt wurden. Die Rückführung von Bodenproben bringt einige Vorteile, da in den Laboren auf der Erde das ganze Spektrum an Instrumenten zur Untersuchung der Proben zur Verfügung steht. Die Weiterentwicklung von Instrumenten bringt außerdem in der Zukunft die Möglichkeit, bereits untersuchte Proben noch genauer zu analysieren. In der Vergangenheit wurden bemannte (Apollo, USA) und unbemannte (Luna, UdSSR) Mondmissionen mit Probenrückführung durchgeführt. Die Missionen zeugen von den großartigen technologischen Fortschritten der Nationen in den 1960er und 1970er Jahren. Heute werden wissenschaftliche Raumfahrtmissionen auch von wirtschaftlichen und ökologischen Faktoren beeinflusst. Obwohl bei Explorationsmissionen die Ökonomie nicht im Vordergrund steht, sind Kostenreduktionen in den unterschiedlichen Bereichen einer Mission unerlässlich. Besonders die Treibstoffwahl ist in mehrerer Hinsicht entscheidend. Umweltfreundliche Treibstoffe reduzieren die Kosten bei der Handhabung und stellen andererseits sicher, dass Personal und Umwelt keinen gefahrvollen Stoffen wie Hydrazin ausgesetzt werden. Deshalb werden neue Treibstoffe und sogar neue Antriebssysteme entwickelt, um Kosten und Gefahren zu reduzieren. Die Hybridantriebstechnologie ist diesbezüglich vielversprechend. Daher wird eine Probenrückführungsmission mit Hybridraketenantrieben zum Mond vorgeschlagen und untersucht. Hierfür wird zunächst eine Übersicht über Mondmissionen und ihre Geschichte erstellt. Dabei wird der Fokus auf die etablierten Antriebssysteme mit traditionellen, lagerfähigen Brennstoffen und Oxidatoren gelegt. Anschließend werden die Grundlagen der Hybridantriebstechnologie präsentiert. Hybridraketenantriebe werden von ihrem Aufbau mit einer flüssigen und festen Treibstoffkomponente geprägt. Dies bringt einerseits viele Vorteile: es gibt keine Explosionsgefahr und der Aufbau des Antriebssystems ist einfacher. Gleichzeitig stellt das Hybridraketenantriebsystem einige neue Herausforderungen: die volumenspezifische Effizienz und das Verhältnis von Schub zu Gewicht ist niedrig, da die Abbrandrate klassischer Brennstoffe gering ist und die Oberfläche des Brennstoffkerns erhöht werden muss. Wie neue Fortschritte mit Paraffin-basierten Brennstoffen zeigen, gewinnen Hybridantriebe mit dieser Brennstoffart erhebliche Vorteile, da diese Brennstoffe eine Flüssigkeitsschicht bilden. Dies erhöht die Abbrandrate durch Tropfenbildung um einen Faktor von bis zu sechs. Wenn verflüssigende Brennstoffe genutzt werden, ist die Geometrie des Brennstoffs daher einfacher. Dies verringert die Kosten von Hybridraketenantrieben weiter. Verschiedene Modelle, um die Abbrandrate vorherzusagen, werden nach einer Literaturrecherche vorgestellt. Neue Modelle für klassische und verflüssigende Brennstoffe werden in ein existierendes ESPSS Modell implementiert, um die zukünftige Simulationsmöglichkeiten sowohl für Vorentwurf als auch für den Vergleich mit Testergebnissen zu verbessern. Ein Programm zur Simulation und Optimierung von Hybridraketenantriebssystemen in Kombination mit der Trajektorie des Raumfahrzeugs wird mit dem Programm ASTOS entwickelt. Eine Schnittstelle wird erstellt, um beide Programme gekoppelt zu benutzen und hybride Antriebssysteme zu simulieren und zu optimieren. Die Programme werden mit Simulationen und Optimierungen verschiedener Trajektorien verifiziert. Die Simulation der hybriden Antriebssysteme in ESPSS wird mit Antriebstests am DLR Prüfstand M11 verglichen und bewertet. Eine experimentelle Testkampagne wurde durchgeführt um mehr Daten über Paraffin-basierte Brennstoffe bei der Verbrennung mit gasförmigem Sauerstoff zu bekommen. Um Hybridraketenantriebe in einem breiter gefächerten Bereich zur Anwendung zu bringen, ist eine längere Brenndauer der Triebwerke notwendig. Diese längere Brenndauer erzeugt neue Probleme durch thermische und mechanische Lasten auf Bauteile. Als weitere Eigenschaft von Hybridraketentriebwerken wird die Drosselbarkeit untersucht. Drosseln ist mit Hybridraketentriebwerken einfach möglich, da nur eine Flüssigkeit aktiv gesteuert werden muss. Dennoch ergibt sich eine Schwierigkeit: Da der Brennstoffmassenstrom direkt mit den Strömungsbedingungen verbunden ist, ist eine Veränderung des Mischungsverhältnisses unvermeidbar. Das resultiert in Leistungsverlusten. Mit den erstellten Programmen wurden sechs Varianten von Landefahrzeugen mit Hybridraketenantrieben entworfen und miteinander verglichen, so wie mit zwei Konzepten mit Flüssigantriebssystemen mit lagerfähigen und kryogenen Treibstoffen. Kryogene Treibstoffe sind nutzbar, solange die Missionsdauer auf wenige Tage begrenzt ist und die Treibstofftemperatur mit Isolation und Verdampfung gehalten wird. Die sechs Varianten mit Hybridantrieben nutzen drei verschiedene Stufungskonzepte und werden jeweils mit Wasserstoffperoxid und flüssigem Sauerstoff als Oxidator untersucht. Die Ergebnisse sind vielversprechend. Während Hybridraketenantriebe einen guten idealen spezifischen Impuls haben, ist die Verbrennungseffizienz gewöhnlich niedriger als bei Flüssigtreibstoffen. Weitere Verbesserungen in diesem Bereich können Hybridraketenantriebe auf dasselbe Leistungsniveau wie Flüssigraketentriebwerke bringen. Die Trockenmasse von Hybridantriebssystemen ist dennoch etwas höher als bei Flüssigantriebssystemen, da die Lagerung des Brennstoffs in der zylindrischen Brennkammer weniger optimal als in einem Kugeltank ist. Außerdem wird für die Brennkammer auch Isolationsmaterial benötigt, da eine regenerative Kühlung nicht möglich ist. Dies erhöht die Strukturmasse weiter. Aber selbst mit diesen Einschränkungen ist die Leistungsfähigkeit vergleichbar zu Flüssigantrieben. Die niedrigeren Kosten, die Ungiftigkeit der Treibstoffe und das Vermeiden von Explosionsgefahr verbessern die Stellung von Hybridraketenantrieben unter den verschiedenen möglichen Antriebskonzepten. Eine Probenrückführungsmission zum Mond mit Hybridraketenantriebstechnologie ist eine umsetzbare Option für die Entwicklung kostengünstiger Raumfahrzeuge und kann in der Zukunft ein Projekt der Europäischen Raumfahrtgemeinschaft werden.Item Open Access Analytical development of the Variational Sensitivity Analysis for the Theory of Porous Media as extension for a Gradient-Enhanced Gaussian Process Regression(Stuttgart : Institut für Statik und Dynamik der Luft und Raumfahrtkonstruktionen, Universität Stuttgart, 2025) Henning, Carla; Ricken, Tim (Univ.-Prof. Dr.-Ing)Item Open Access Analyzing and characterizing spaceborne observation of water storage variation : past, present, future(2024) Saemian, Peyman; Sneeuw, Nico (Prof. Dr.-Ing.)Water storage is an indispensable constituent of the intricate water cycle, as it governs the availability and distribution of this precious resource. Any alteration in the water storage can trigger a cascade of consequences, affecting not only our agricultural practices but also the well-being of various ecosystems and the occurrence of natural hazards. Therefore, it is essential to monitor and manage the water storage levels prudently to ensure a sustainable future for our planet. Despite significant advancements in ground-based measurements and modeling techniques, accurately measuring water storage variation remained a major challenge for a long time. Since 2002, the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) and its successor GRACE Follow-On (GRACE-FO) satellites have revolutionized our understanding of the Earth's water cycle. By detecting variations in the Earth's gravity field caused by changes in water distribution, these satellites can precisely measure changes in total water storage (TWS) across the entire globe, providing a truly comprehensive view of the world's water resources. This information has proved invaluable for understanding how water resources are changing over time, and for developing strategies to manage these resources sustainably. However, GRACE and GRACE-FO are subject to various challenges that must be addressed in order to enhance the efficacy of our exploitation of GRACE observations for scientific and practical purposes. This thesis aims to address some of the challenges faced by GRACE and GRACE-FO. Since the inception of the GRACE mission, scholars have commonly extracted mass changes from observations by approximating the Earth's gravity field utilizing mathematical functions termed spherical harmonics. Various institutions have already processed GRACE(-FO) data, known as level-2 data in the GRACE community, considering the constraints, approaches, and models that have been utilized. However, this processed data necessitates post-processing to be used for several applications, such as hydrology and climate research. In this thesis, we evaluate various methods of processing GRACE(-FO) level-2 data and assess the spatio-temporal effect of the post-processing steps. Furthermore, we aim to compare the consistency between GRACE and its successor mission, GRACE-FO, in terms of data quality and measurement accuracy. By analyzing and comparing the data from these two missions, we can identify any potential discrepancies or differences and establish the level of confidence in the accuracy and reliability of the GRACE-FO measurements. Finally, we will compare the processed level-3 products with the level-3 products that are presently accessible online. The relatively short record of the GRACE measurements, compared to other satellite missions and observational records, can limit some studies that require long-term data. This short record makes it challenging to separate long-term signals from short-term variability and validate the data with ground-based measurements or other satellite missions. To address this limitation, this thesis expands the temporal coverage of GRACE(-FO) observations using global hydrological, atmospheric, and reanalysis models. First, we assess these models in estimating the TWS variation at a global scale. We compare the performance of various methods including data-driven and machine learning approaches in incorporating models and reconstruct GRACE TWS change. The results are also validated against Satellite Laser Ranging (SLR) observations over the pre-GRACE period. This thesis develops a hindcasted GRACE, which provides a better understanding of the changes in the Earth's water storage on a longer time scale. The GRACE satellite mission detects changes in the overall water storage in a specific region but cannot distinguish between the different compartments of TWS, such as surface water, groundwater, and soil moisture. Understanding these individual components is crucial for managing water resources and addressing the effects of droughts and floods. This study aims to integrate various data sources to improve our understanding of water storage variations at the continental to basin scale, including water fluxes, lake water level, and lake storage change data. Additionally, the study demonstrates the importance of combining GRACE(-FO) observations with other measurements, such as piezometric wells and rain-gauges, to understand the water scarcity predicament in Iran and other regions facing similar challenges. The GRACE satellite mission provides valuable insights into the Earth's system. However, the GRACE product has a level of uncertainty due to several error sources. While the mission has taken measures to minimize these uncertainties, researchers need to account for them when analyzing the data and communicate them when reporting findings. This thesis proposes a probabilistic approach to incorporate the Total Water Storage Anomaly (TWSA) data from GRACE(-FO). By accounting for the uncertainty in the TWSA data, this approach can provide a more comprehensive understanding of drought conditions, which is essential for decision makers managing water resources and responding to drought events.Item Open Access Analyzing and modeling environmental loading induced displacements with GPS and GRACE(2015) Chen, Qiang; Sneeuw, Nico (Prof. Dr.-Ing.)The redistribution of atmospheric, oceanic and hydrological masses on the Earth's surface varies in time and this in turn loads and deforms the surface of the solid Earth. Analyzing such environmental loading signal and modeling its induced elastic displacements are of great importance for explaining geophysical phenomena. Based on the well-established loading theory, this thesis makes use of two different space-borne measurements, i.e. GPS and GRACE, along with other environmental loading data to investigate three different aspects of environmental loading and its induced elastic deformations: Firstly, an increasing concern is observed recently over time variable seasonal signals in geodesy. Several model based approaches were applied to extract amplitude and phase modulated annual and semiannual signals. In view of this phenomenon, this thesis introduces an alternative approach, namely, singular spectrum analysis (SSA). With respect to these model-dependent approaches, the advantage of SSA lies in data-driven and model-independence. Several aspects regarding the application of SSA, e.g. optimal choice of window size, are investigated before showing its abilities. Through applying SSA to the lake level time series of Lake Urmia (Iran) and the basin averaged equivalent water height time series of the Congo basin, the capabilities of SSA in separating time varying seasonal signals are demonstrated. In addition, we find that SSA is also able to extract the non-linear trend as well as long-term oscillations from geodetic time series. Secondly, we look into the comparison between GPS and GRACE with an emphasis on GRACE data filtering. Three types of deterministic filters and two types of stochastic filters are studied and compared over GPS sites from two regions, i.e. the Europe area and the Amazon area. The comparisons indicate that no single filtering scheme could provide consistently better performance over other considered filters. However, we find that the stochastic filters generally show better performance than the deterministic filters. The DDK 1 filter outperforms other filters in the Europe area and the regularization filter of parameter lambda=4, which follows the concept of the DDK filters, shows optimal performance in the Amazon area. The combination of the isotropic Gaussian filter of a low smoothing radius, e.g. around 300 km with the destriping filter is proved to be optimal filter choice if only the deterministic filters are considered. Thirdly, based on an overview of displacements modeling at various spatial scales, we evaluate three methods, i.e. two types of half-space approaches and the classic Green function approach, by using a high spatial resolution local load data along the lower Mississippi river when a severe flood happened in 2011. The equivalence between the two half-space approaches, i.e. point load approach and surface load approach, are demonstrated with the local load data. However, the point load approach is recommended for practical use in terms of computational efficiency. In addition, within such a limited spatial extent, we investigate the differences between the half-space approach and the Green function approach. It is shown that the half-space approach predicts larger displacements than the Green function approach and agrees better with the observed deformations at 11 considered GPS sites. Meanwhile, strong global environmental loading effects are found via two global hydrological models, i.e. GLDAS and MERRA. Thus, a reduction of these far-field loading effects beforehand is suggested before probing the local crustal structure using the half-space approach. Last but not least, based on the local load data, the effects of site-dependent Green functions are studied with two types of site-dependent Green functions, which were generated by modifying the local crustal structure of the REF Earth model using the CRUST 1.0 and CRUST 2.0 models. A relative RMS of differences of more than 5% in vertical component and 25% in horizontal components are found with respect to the PREM Earth model based Green functions. It indicates that the Green functions could contribute more uncertainties in loading induced displacements modeling than reported in the literature.Item Open Access Die Anwendung eines probabilistischen Partikelmodells für die Modellierung der turbulenten Verbrennung in Brennkammern(2011) Aumeier, Thomas; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Die Modellierung von Verbrennungsvorgängen in turbulenten Strömungen ist eine wichtige Voraussetzung, um deren Auswirkungen auf die Strömung berechnen und Vorhersagen zu Auslegungs- und Optimierungsarbeiten treffen zu können. Durch die Vielzahl von den an Verbrennungsreaktionen teilnehmenden Stoffen sowie den bei der Verbrennung zu durchlaufenden Reaktionspfaden in Form der Reaktionsgleichungen entstehen komplexe chemische Systeme, die mit geeigneten Verfahren gelöst werden müssen und zugleich den Einfluss der Turbulenz in den zeitlich gemittelten Erhaltungsgleichungen berücksichtigen. Im Gegensatz zur Strömung finden die chemischen Reaktionen auf einem wesentlich breiteren zeitlichen Spektrum statt und laufen auf molekularer Ebenen ab. Die Formulierung der Gleichungen für die bei chemischen Reaktionen auftretenden Reaktionsraten ist durch eine Lagrangsche Beschreibung charakterisiert und nur von der Zeit abhängig. Bei der Modellierung werden je nach Anwendungsfall spezifische Verbrennungsmodelle für die in der Praxis auftretenden Verbrennungsregime eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell für die Berücksichtigung der Chemie-Turbulenz Interaktionen in anwendungsnahen Brennkammern vorgestellt, welches sowohl für Diffusions- und Vormischflammen als auch in teilvorgemischte Flammen eingesetzt werden kann. Mit Hilfe des Modells werden die zeitlich gemittelten chemischen Quellterme berechnet und in die Transportgleichungen der beteiligten Stoffe und die Energiegleichung des kommerziellen Strömungslösers FLUENT® eingebunden. Die Einbindung erfolgt über eine von FLUENT® bereitgestellte benutzerorientierte Schnittstelle, den sogenannten User Defined Functions (UDF). Es werden die Transportgleichungen aller an der Reaktion beteiligten Stoffe gelöst und deren Quellterme mit Hilfe eines detaillieren Reaktionsmechanismus berechnet. In dem hier entwickelten Modell erfolgt die zeitliche Mittelung und damit die Modellierung durch die Betrachtung einer großen Anzahl von Partikeln, für die zusätzliche Lagrangesche Gleichungen für jedes Partikel gelöst werden. Grundlage des Modells bildet die Berechnung von Trajektorien sogenannter fluider Partikel, die sich mit dem turbulenten Strömungsfeld bewegen. Auf ihrem Weg durch das Strömungsfeld finden an jedem Partikel Austauschprozesse in Form der Durchmischung mit ihrer Umgebung als auch chemische Reaktionen statt. Die Umgebung wird durch das mittlere Strömungsfeld in direkter Partikelnähe repräsentiert und wird lokal durch eine Rechenzelle definiert. Auf Partikelebene müssen die Austauschvorgänge modelliert werden. Dabei wird das einfache IEM (Intermediate Exchange by the Mean) Modell herangezogen. Der chemische Quellterm kann direkt aus den Partikelgrößen berechnet werden und Bedarf keiner weiteren Modellierung. Aus einem Ensemble an Partikeln wird anschließend nach jedem Zeitschritt ein mittlerer Quellterm für jede Zelle des Gitters berechnet und an den CFD-Löser übergeben. Diese Vorgehensweise setzt die Lösung der instationären Gleichungen voraus. Das Verfahren basiert auf der in der Literatur bekannten PEUL - Methode (PEUL – Probabilistique Eulerienne Lagrangienne) und wird erstmals auf eine instationäre Kopplung von Eulerschem Strömungslöser und Lagrangeschen Partikellöser angewendet. Aufgrund der hohen Anzahl benötigter Partikel ist der rechnerische Aufwand für das Modell sehr hoch. Bei der Anwendung des Modells werden drei verschiedenen Fälle untersucht: Eine turbulente Methan-Luft Freistrahlflamme, eine vorgemischte Magerverbrennung von Methan im FLOX® Betrieb sowie eine Diffusionsflamme in einer generischen Modellbrennkammer zur Verbrennung von Synthesegas. Die Ergebnisse werden in der Arbeit vorgestellt und liefern eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Untersuchungen, lassen jedoch auch die Defizite im Modell erkennen.Item Open Access Anwendung und Bewertung numerischer und experimenteller Methoden zur Analyse und Entwicklung eines Zweitakt-Freikolbenmotors(2017) Haag, Johannes Andreas; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die vorliegende Arbeit behandelt die Untersuchung und Entwicklung des verbrennungsmotorischen Teilsystems eines Freikolbenmotors mit elektrischer Energieauskopplung. Dieser sogenannte Freikolbenlineargenerator (FKLG) zeichnet sich durch einen freischwingenden Aufbau ohne die mechanische Zwangsführung eines Kurbeltriebes aus. Der Verbrennungskolben, der Läufer des Lineargenerators und der Gasfederkolben sind zu einer Kolbeneinheit zusammengefasst, die zwischen der Gasfeder und dem verbrennungsmotorischen Brennraum schwingt. Dieser Aufbau führt zu neuen Freiheitsgraden in der verbrennungsmotorischen Prozessführung, da Verdichtungsverhältnis und Kolbenhubkurve variabel angepasst werden können. Ein mögliches Anwendungsgebiet des Freikolbenlineargenerators ist der Einsatz als mobile Stromerzeugungseinheit in einem batterieelektrischen Fahrzeug. In vorangegangenen Arbeiten wurden der Lineargenerator, die Gasfeder und das verbrennungsmotorische Teilsystem der ersten Generation entwickelt und untersucht. Dies erfolgte schwerpunktmäßig im Hinblick auf die Regelung eines freischwingenden Gesamtsystems. Die vorliegende Arbeit rückt die Prozesse im Brennraum des verbrennungsmotorischen Teilsystems in den Vordergrund. Die Herausforderungen des Zweitakt-Arbeitsprozesses im Freikolbenlineargenerator sind der ventilgesteuerte Ladungswechsel mit Kopfumkehrspülung, die innere Gemischbildung und die Verbrennung bei hohen Restgasgehalten. Zur Analyse und Optimierung dieser innermotorischen Vorgänge werden Entwicklungsverfahren ausgearbeitet, angewendet und bewertet. Das Zielbild ist dabei ein effizienter, stabiler und emissionsarmer verbrennungsmotorischer Prozess unter Ausnutzung der konzeptbedingten Variabilitäten. Durch den Einsatz eines vollvariablen Ventiltriebsystems unterscheiden sich die Bedingungen des Ladungswechsels im kopfumkehrgespülten Brennraum des FKLG deutlich von denen in klassischen schlitzgesteuerten Zweitakt-Motoren. Das Entwicklungsverfahren zur Analyse der innermotorischen Strömungsfelder während des Ladungswechsels kombiniert Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen mit strömungsmechanischen Simulationen. Hierzu wurde ein Prüfstandsaufbau entwickelt, der eine Vermessung der Strömungsfelder im ungefeuerten Betrieb erlaubt. Simulations- und Messergebnisse zeigen übereinstimmend eine Überlagerung aus Tumble- und Drall-Strömung im Zylinder. Während sich die Simulation zur Voraussage der charakteristischen Strömungsstrukturen sehr gut eignet, sind der Genauigkeit, mit der lokale Strömungsgeschwindigkeiten berechnet werden können, Grenzen gesetzt. Der dargelegte laserdiagnostische Messaufbau erlaubt eine Einordnung der Simulationsergebnisse und sichert damit die Analyse der Zylinderinnenströmung wesentlich ab. Das Entwicklungsverfahren zur Untersuchung einer homogenen selbstzündenden Verbrennung in einem verbrennungsmotorischen Teilsystem der zweiten Generation basiert auf der Kombination von strömungsmechanischen Simulationen mit experimentellen Untersuchungen am Verbrennungsmotorprüfstand. Dabei wird ein auf innermotorische Anwendungen optimierter Simulationsansatz eingesetzt, der die strömungsmechanischen Vorgänge im Brennraum und den strömungsführenden Kanälen über mehrere Arbeitsspiele bei vergleichsweise geringen Rechenzeiten räumlich abbildet. In der vorliegenden Arbeit wird der Entwicklungsprozess von Auslegungssimulationen über die Konstruktion bis hin zur experimentellen Untersuchung eines homogenen selbstzündenden Brennverfahrens im neuen Versuchsträger beschrieben. Das verbrennungsmotorische Teilsystem der zweiten Generation ermöglicht Betriebsstrategien mit innerer Abgasrückführung, sodass durch hohe Restgasgehalte eine Selbstzündung der Zylinderladung eingeleitet wird. Am hydraulisch unterstützten Verbrennungsmotorprüfstand wird erstmalig ein homogenes selbstzündendes Brennverfahren in einem Freikolbenmotor dieser Bauart experimentell untersucht. Die Messergebnisse weisen nach, dass eine dynamische Anpassung der Kolbenbewegung positiv zur Steuerung des Zündzeitpunktes und damit der Wärmefreisetzung genutzt werden kann. Die ermittelten Druckanstiegsraten liegen bei gleichem Mitteldruck deutlich unter den Vergleichswerten von kurbelwellenbasierten Verbrennungsmotoren mit homogener Selbstzündung. Der eingesetzte innovative Simulationsansatz zeigt sich als ideales Werkzeug zur Analyse und Auslegung des verbrennungsmotorischen Teilsystems. Im Zuge der Entwicklung des verbrennungsmotorischen Teilsystems der zweiten Generation zeigte sich, dass zur Verbesserung der Gemischbildung und -aufbereitung eine genauere Betrachtung des Einspritzvorgangs erforderlich ist. Das hierzu angewandte Entwicklungsverfahren kombiniert räumlich hochaufgelöste Strömungssimulationen mit laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) Messungen. Die laserdiagnostische Untersuchung des Einspritzvorgangs erfolgt an einem optisch zugänglichen Versuchsträger im gefeuerten Betrieb. Es wird ein Messaufbau des LIF Verfahrens eingesetzt, der das bestrahlende Laserlicht und das Fluoreszenzsignal durch nur ein Fenster im Kolbenboden in den Brennraum ein- und auskoppelt. Ein Vergleich der Simulation mit laserdiagnostischen Messergebnissen zeigt, dass erst durch eine iterative Anpassung der Einspritzrichtung jedes Spraykegels die Kraftstoffausbreitung in der Simulation realitätsnah wiedergegeben wird. Das Entwicklungsverfahren verdeutlicht, dass trotz des höheren Detaillierungsgrades des Simulationsansatzes eine Untersuchung des Einspritzvorgangs ausschließlich auf Basis von Strömungssimulationen nicht verlässlich und ein Abgleich mit Messdaten entsprechend wichtig ist. Durch die Anwendung der in dieser Arbeit vorgestellten Entwicklungsverfahren werden wichtige grundlegende Erkenntnisse über die innermotorischen Vorgänge im verbrennungsmotorischen Teil des Freikolbenlineargenerators erlangt. Im Hinblick auf eine weiterführende Entwicklung des Motorenkonzeptes bildet die Arbeit eine Basis für den zielgerichteten Einsatz numerischer und laserdiagnostischer Methoden.Item Open Access Anwendung von Unsicherheitsmodellen am Beispiel der Verkehrserfassung unter Nutzung von Mobilfunkdaten(2013) Borchers, Ralf; Schwieger, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil.)Das hohe und stetig anwachsende Verkehrsaufkommen ist häufig Ursache für Überlastungen der Verkehrswege und deren Folgeerscheinungen, wie z. B. Verkehrsstaus und Unfälle. Mit Einführung von Verkehrsmanagement-systemen wird angestrebt, Effizienzverbesserungen des Verkehrsflusses auf den bestehenden Verkehrswegen zu erzielen. Als wesentliche Datengrundlage setzen Verkehrsmanagementsysteme Verkehrsdaten voraus, wie sie mittels Induktionsschleifen oder sogenannter Floating Car Data gewonnen werden können. Vor dem Hintergrund, dass Mobilfunkgeräte geortet werden können, eignen sich die als Floating Phone Data bezeichneten und aus Mobilfunkdaten hergeleiteten Verkehrsdaten ebenfalls zur Verkehrserfassung. Dieser auch wirtschaftlich attraktiven Verkehrserfassungsart stehen hohe Ortungsunsicherheiten von mehreren einhundert Metern sowie die fehlende Information, ob und in welchem Verkehrsmittel das Mobilfunkgerät mitgeführt wurde, gegenüber. In der vorliegenden Arbeit wird eine Mobilfunkortung basierend auf dem Signalpegel-Matching eingesetzt, die die gemessenen Signalpegel der Mobilfunkgeräte des GSM-Mobilfunknetzes mit Referenzsignalpegelkarten vergleicht. Die zufälligen, systematischen aber auch unbekannt wirkenden Unsicherheiten werden mit Hilfe der zufälligen Variabilität, der Fuzzy-Theorie und der Fuzzy-Randomness Methodik modelliert. Im Anschluss werden Identifikationsverfahren vorgestellt, mit denen in Verkehrsmitteln des Motorisierten Individualverkehrs (z. B. in PKW oder LKW) generierte Mobilfunkdaten aus anonymisierten Mobilfunkdaten identifiziert werden können. Zu Beginn wird geprüft, ob sich das Mobilfunkgerät in Bewegung befindet. Bewegt es sich, wird nachfolgend dessen Geschwindigkeit als Entscheidung bezüglich eines Verkehrsmittels herangezogen. Hintergrund ist, dass bauartbedingte oder administrative Gründe die Höchstgeschwindigkeit von Verkehrsmitteln begrenzen. Ist die Geschwindigkeit des Mobilfunkgerätes signifikant höher als die Höchstgeschwindigkeit des untersuchten Verkehrsmittels, kann dieses Verkehrsmittel ausgeschlossen werden. Da in öffentlichen Verkehrsmitteln generierte Mobilfunkdaten für die Erfassung des Motorisierten Individualverkehrs ungeeignet sind, werden sie im nächsten Schritt eliminiert. Aus Fahrplänen werden hierfür die Positionen der Fahrzeuge des Öffentlichen Verkehrs (z. B. Linienbusse, Straßenbahnen) prognostiziert und mit den Positionen des Mobilfunkgerätes sowohl zeitlich als auch räumlich verglichen. Abschließend wird geprüft, ob für die Positionsfolge des Mobilfunkgerätes eine Trajektorie auf dem Verkehrsnetzgraph des motorisierten Individualverkehrs (Straßennetz) generiert werden kann. Kann die Positionsfolge in den Verkehrsnetzgraph räumlich, topologisch und zeitlich eingepasst werden, ist sie grundsätzlich für die Verkehrslageerfassung des motorisierten Individualverkehrs geeignet. Für stehende Mobilfunkgeräte ist in der Regel keine eindeutige Identifikation des Verkehrsmittels möglich, da jedes Verkehrsmittel stehen kann. Eine Unterscheidung zwischen Mobilfunkgeräten in Verkehrsstaus und beispielsweise nicht am Verkehr beteiligten Mobilfunkgeräten (z. B. stehende Fußgänger) ist infolgedessen zunächst nicht möglich. Diese Problemstellung wurde durch die Verknüpfung aktueller und vorgehender Identifizierungsergebnisse gelöst. Um ihre Eignung und ihr Potential zu vergleichen, wurden die Identifikationsverfahren mit konsequenter Anwendung der mathematischen Unsicherheitsmodelle der zufälligen Variabilität, der Fuzzy-Theorie und des Fuzzy-Randomness entwickelt und softwaretechnisch umgesetzt. Die entwickelten Identifikationsverfahren wurden unter Verwendung realer Mobilfunkdaten validiert und evaluiert. Das auf der Fuzzy-Randomness Methodik basierende Identifikationsverfahren, ergab sowohl qualitativ als auch quantitativ die besten Identifikationsergebnisse.Item Open Access Application of finite element methods to the simulation of high temperature superconductors(2018) Mashmool, Mojtaba; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)