06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Passively mode-locked Tm-lasers for all-fiber high-energy nonlinear chirped pulse amplification(2023) Graf, Florian; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Item Open Access Investigation of macroscopic nearcritical fluid phenomena by applying laser-induced thermal acoustics(2023) Steinhausen, Christoph; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)The political and social aspiration to reduce greenhouse gases together with increasing energy demands are driving the development of new sustainable energy solutions. To achieve long term sustainability both innovative energy sources and improvements in efficiency are essential. Higher process efficiencies have been achieved by raising combustion pressures, reaching values that now exceed the critical pressures of the injected fuels. However, for an efficient and stable combustion a profound understanding of the processes prior to the combustion, such as fluid injection, disintegration and subsequent evaporation is essential. Unfortunately, the fundamental changes in fluid behaviour at near- to supercritical conditions leading to the observed fluid phenomena are not yet fully understood. Besides fluid injection, supercritical fluids themselves have been identified as an innovative path for an efficient energy conversion and heat transfer processes. The Brayton cycle using supercritical carbon dioxide as operating fluid, supercritical water as coolant and process fluid in nuclear reactors, or the application of supercritical methane as new 'green' fuel in rocket propulsion are just a few examples. Laser-induced thermal acoustics (LITA) has been identified as a promising diagnostic tool in near- to supercritical fluid research. The latter is based on the capability to acquire speed of sound data as well as to resolve thermal and acoustic attenuation in both pure fluids and complex mixing processes, such as evaporation and jet disintegration. Moreover, based on the non-linear pressure dependencies, LITA becomes increasingly more effective in high-pressure environments. By analysing the frequency domain of recorded signals, speed of sound data can be directly determined without any equation of state or additional modelling approaches. Furthermore, acoustic damping rates and thermal diffusivities can be acquired by an analytical expression for the temporal-domain of the signals. By combining both evaluations with suitable analytic expressions for the thermodynamic properties, mixing states, such as local mixing temperatures and concentrations, can be determined. Moreover, since in complex fluids at near- to supercritical conditions acoustic damping is related to both sound dispersion and volume viscosity, important insights into the physics of supercritical fluids are provided. Concordantly, the purpose of this thesis is to apply LITA in the investigation of macroscopic fluid phenomena at nearcritical to supercritical fluid conditions. This includes the following major research objectives. First, the significance of volume viscosities in complex fluids at dense gas conditions as well as the dependency of acoustic damping on mixing states are assessed. Second, the feasibility of time-resolved LITA measurements under complex flow conditions is evaluated. To achieve these objectives an experimental test facility has been designed, which enables investigations at high pressure and high temperature conditions in both pure fluids and complex mixing processes. Moreover, the laser-induced thermal acoustics setup of the ITLR has been optimised for high pressure investigations. Also a new high-speed LITA system with an adjustable measurement volume has been developed. Furthermore, a new post-processing methodology capable of analysing both the frequency and time-domain of the signal has been developed and validated. With the developed system and routines investigations in carbon dioxide, nitrogen, and binary mixtures at gas and gas-like states have been conducted to assess acoustic attenuation and volumes viscosities. Additionally, a jet mixing process has been studied to characterise the LITA arrangement and to evaluate the dependency of acoustic damping on mixing concentration. At last, to assess the feasibility of transient LITA measurements in turbulent, physically complex flow conditions and to further characterise the evaporation process, time-resolved LITA measurements have been performed in the wake of a free falling droplet evaporating in a supercritical atmosphere.Item Open Access Influence of Weber number on crown morphology during an oblique droplet impact on a thin wall film(2023) Stober, Jonathan Lukas; Santini, Maurizio; Schulte, KathrinSpray impacts can be found in several technical applications and consist of many single droplets, which impact under different trajectories on wetted walls. This study investigates the asymmetric crown morphology resulting from an oblique impact (𝛼=60°) of a single droplet on a horizontal and quiescent wall film of the same liquid. A droplet generator with an accelerated needle releases the droplets (𝐷=1.5 mm) in a controlled trajectory on a thin film (ℎ𝑓/𝐷=0.2). The impact process is recorded from two perspectives with two synchronized high-speed cameras. Varying the Weber number within the splashing regime reveals distinct crown morphologies, which are described in detail. For 𝑊𝑒< 500, a single central finger develops at the front of the crown, with subsequent detachments of secondary droplets. At higher 𝑊𝑒 (>500), a collision of the crown with the wall film shortly after impact introduces disturbances into the rim, leading to two fingers in the middle of the front crown. A further increase in 𝑊𝑒 (>600) intensifies the crown-film interaction, resulting in an early ejection of tiny droplets and a complete breakup of the front rim. The influence of 𝑊𝑒 on the crown morphology during an oblique impact is also compared to the normal impact (90°). This study paves the way for a classification of impact regimes and a comprehensive picture of the oblique impact process, which deserve more investigation.Item Open Access Editorial - physics of droplets(2024) Planchette, Carole; Lamanna, Grazia; Pan, Kuo-LongItem Open Access Characterisation of the transient mixing behaviour of evaporating near-critical droplets(2023) Steinhausen, Christoph; Gerber, Valerie; Stierle, Rolf; Preusche, Andreas; Dreizler, Andreas; Gross, Joachim; Weigand, Bernhard; Lamanna, GraziaWith technical progress, combustion pressures have been increased over the years, frequently exceeding the critical pressure of the injected fluids. For conditions beyond the critical point of the injected fluids, the fundamental physics of mixing and evaporation processes is not yet fully understood. In particular, quantitative data for validation of numerical simulations and analytical models remain sparse. In previous works, transient speed of sound studies applying laser-induced thermal acoustics (LITA) have been conducted to investigate the mixing behaviour in the wake of an evaporating droplet injected into a supercritical atmosphere. LITA is a seedless, non-intrusive measurement technique capable of direct speed of sound measurements within these mixing processes. The used setup employs a high-repetition-rate excitation laser source and, therefore, allows the acquisition of time-resolved speed of sound data. For the visualisation of the evaporation process, measurements are accompanied by direct, high-speed shadowgraphy. In the present work, the measured speed of sound data are evaluated by applying an advection-controlled mixing assumption to estimate both the local mole fraction and mixing temperature. For this purpose, planar spontaneous Raman scattering results measured under the same operating conditions are evaluated using an advection-controlled mixing assumption with the perturbed-chain statistical associating fluid theory (PC-SAFT) equation of state. Successively, the resulting concentration–temperature field is used for the estimation of local mixture parameters from the detected speed of sound data. Moreover, models using the PC-SAFT equation of state and the NIST database for the computation of the speed of sound are compared. The investigations indicate a classical two-phase evaporation process with evaporative cooling of the droplet. The subsequent mixing of fluid vapour and ambient gas also remains subcritical in the direct vicinity of the droplet.Item Open Access Thin-disk multipass amplifier for power scaling of ultrafast lasers(2024) Dominik, John; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr.)Item Open Access Modelling and design of laser rangefinding systems using advanced algorithms and low noise electronics(2024) Kufner, Michael; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Heutzutage finden Laserentfernungsmesser in einer Vielzahl an militärischen, wissenschaftlichen und zivilen Anwendungen Einsatz. Diese werden in alltäglichen Anwendungen, wie etwa beim Sport im Bereich des Golfen und Schießsports um die Entfernung zu bestimmen, welche hierbei für die sportliche Leistung maßgeblich ist, oder einfach nur um die Entfernung zwischen zwei Objekten im Bauwesen oder in der Innenarchitektur zu messen, eingesetzt. Zu den anspruchsvolleren Anwendungen gehören die LiDAR-Kartierung aus der Luft, die Messung der Geschwindigkeit von ankommenden oder ausgehenden Objekten, die Laserentfernungsmessung zu Satelliten, oder sogar die Messung der aktuellen Entfernung zwischen Mond und Erde, die Referenzierung im Bauwesen, die Analyse von Wolkenformationen, die Ermittlung von Zielkoordinaten mit Unterstützung durch GPSund Kompasssystemen, und viele weitere. Diese Anwendungen unterscheiden sich stark hinsichtlich ihrer Anforderungen an die zugrundeliegenden Laserentfernungssysteme, sei es im Bezug auf ihre Mobilität, ihre Messgenauigkeit, ihre maximale Messreichweite, ihre Zuverlässigkeit, oder anderen Aspekten. Diese Dissertation fokusiert sich dabei auf die Weiterentwicklung von handgehaltenen Full-Waveform Laserentfernungsmesssystemen, die in der Lage sind, 10 km und weiter auf nicht-kooperative Ziele mittels Laufzeitprinzip zu messen. Im zweiten Kapitel wird ein Arbeitssystem vorgestellt, das aus einem optischen System in Form eines Fernglases (Empfangsapertur 30 mm), einem augensicheren Laserklasse 1 Er:Glass-Laser, einer Detektorplatine mit Lawinenphotodiode (APD) und einem digitalen Verarbeitungssystem (Analog-Digital-Wandler und digitaler Signalprozessor) besteht. Laserstrahlparameter wie die optische Leistung, Laser-Wellenlänge, Pulsbreite und der komplexeste Parameter, die Divergenz, werden durch Messungen verifiziert. Um die Detektoren vermessen und untereinander nachvollziehbar vergleichen zu können wurde eine Detektormesseinrichtung konzipiert. Um noch einen Schritt weiter zu gehen und die Detektoren auch in realen Umgebungen zu testen, wurde ein automatisches Detektorjustagesystem eingesetzt. Nachdem die Systemparameter bestimmt wurden, zeigte ein erster Simulationslauf des Modells eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den tatsächlichen Messungen, mit einem Fehler im Signal-Rausch-Abstand von 16.5 %. Das darauffolgende Kapitel befasst sich mit dem für Laserentfernungsmesser notwendigen analogen, rauscharmen elektronischen Photodetektoren. Üblicherweise werden Photodetektoren mit Hilfe einer Transimpedanzverstärker-Topologie aufgebaut. In dieser Arbeit wird jedoch gezeigt, dass für Lawinenphotodioden mit einer geringen Eingangskapazität ein Spannungsverstärker in Kombination mit einer Entzerrerstufe einen höheren Signal-Rausch-Abstand erzielen kann. In den verwendeten Schaltungen, ist dies ab einer Eingangskapazität der APD von kleiner 7 pF, der Fall. Um den Verstärker noch weiterzuentwickeln, wurden zwei Hybriddetektoren entwickelt. Dabei wird die erste Verstärkerstufe, in dieser Topologie ein Transistor mit seinen passiven Komponenten, mit dem eigentlichen Lawinenphotodioden-Chip in einem Gehäuse kombiniert. Dies reduzierte in dieser Arbeit die Eingangskapazität der Lawinenphotodiode von 1.7 pF auf 1.0 pF. Die Hybriddetektoren waren ihren entsprechenden diskreten Versionen in jeder Hinsicht überlegen. Die Ergebnisse dieser Hybridisierung wurden vom Autor veröffentlicht. Die zusätzliche Verstärkungsregelung des Detektors bietet einen ausgezeichneten dynamischen Signalbereich (120 dB), welcher es ermöglicht sowohl sehr nahe als auch sehr weit entfernte Ziele anzumessen. Im vierten Kapitel werden die digitalen Aspekte vorgestellt. Die digitale Signalverarbeitung bietet dabei mehrere Vorteile. Die wichtigste Technik ist die kohärente Mittelwertbildung aus mehreren Laserpulsen. Dadurch kann das System sein Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu Einzelpulssystemen erheblich verbessern. Die Technik wird dabei in Form einer realen Implementierung vorgestellt. Bei dieser Implementierung wurde eine Mittelwertbildung mit einem Sub-Sample-Jitter erreicht. Weiterhin ermöglicht es die automatische Verstärkungsregelung, während einer Messung die Detektorverstärkung während einer Messreihe anzupassen. Ein weiterer Vorteil solcher digitalen Systeme ist, dass das Signal nachverarbeitet werden kann, um die Gesamtleistung des Systems weiter zu verbessern. Dies geschieht durch die Kombination von Techniken wie der Anwendung von Statistikmethoden, digitalen Filtern oder komplexen Peak-Suchstrategien in einer Pipeline zur Entfernungsbestimmung. Was die digitale Signalverarbeitung betrifft, wurde im Rahmen dieser Dissertation ein Paper, welches verstärkt auf die digitalen Filter für die Entfernungsbestimmung eingeht, in [2] veröffentlicht. Als letzter Teil des Kapitels werden komplette Pipelines, die aus dem digitalen Eingangssignal die Entfernung bestimmen, vorgestellt und bewertet. Dabei konnte eine signifikante Verbesserung gegenüber vorher verwendeten Algorithmen festgestellt werden. Das abschließende Kapitel der Dissertation enthält einen weiteren Vergleich zwischen realem System und Modell. Zu diesem Zweck wurden Messungen mit dem System, jedoch diesmal mit einem anderen Hybriddetektor, mit Simulationsergebnissen verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigten eine sehr gute Übereinstimmung (weniger als 10 % Fehler) auf Zielen mit planaren Oberflächen. Bei unregelmäßigeren Oberflächen, wie einem Wald oder einer schneebedeckten Wiese, zeigte das Modell relative Fehler von 16.6 % und -66.8 % im Signal-Rausch-Verhältnis. Diese Zahlen bestätigen, dass das Modell in der Lage ist, die maximale Entfernung von Laserentfernungsmesssystemen im Entwicklungsstudium vorherzusagen. Außerdem wird zu dem aktuellen System ein bildhaftes Produktdatenblatt dargestellt. Dabei wurde das Simulationsmodell verwendet, um die maximale Messentfernung des Systems anzugeben. Dieses Produktdatenblatt kann vom Leser dazu verwendet werden um einen Vergleich zu am Markt erhältlichen Systemen selbständig vorzunehmen. Die herausragenden Leistungen und Fähigkeiten des Systems im Vergleich werden dabei ersichtlich.Item Open Access Thermofluids with porous media(2024) Chu, Xu; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Item Open Access Swirl flow stability : thermodynamic analysis and experiments(2024) Maršík, František; Trávníček, Zdeněk; Weigand, Bernhard; Seibold, Florian; Antošová, ZuzanaThe current paper presents a theoretical analysis of swirl flow stability, both inside a tube (vortex tube) and in a free annular swirl flow. The starting concept is the study of the evolution of velocity and temperature fluctuations. Methods of non-equilibrium thermodynamics are used to describe the magnitude of fluctuations and their properties. The important role of the total enthalpy follows from a variational analysis. Moreover, the thermodynamic criterion of the stability is formulated using the total enthalpy, and compared with experiments, numerical results and classical Rayleigh theory support its applicability. It was shown that the solid body vortex is at the margin of stability, which is experimentally observed. Analogously, the potential vortex is by the thermodynamic criterion stable; however, by the Rayleigh criteria it is on the onset of stability. The classical Taylor experiment of flow between two rotating cylinders is analysed from the point of view of this criterion. These results are underlined by swirl tube experiments at the Institute of Aerospace Thermodynamics at Stuttgart University and the annular nozzle experiments performed in the Institute of Thermomechanics CAS in Prague. Both independent experiments confirm the transformation of the initial annular vortex into a stable potential-type vortex. The results of this theory can also be used to explain the exceptional stability of tropical cyclones.Item Open Access Micro-PIV study on the influence of viscosity on the dynamics of droplet impact onto a thin film(2024) Schubert, Stefan; Steigerwald, Jonas; Geppert, Anne K.; Weigand, Bernhard; Lamanna, GraziaThis work presents a systematic experimental study of droplet impact onto a wet substrate. Four different silicone oils are used, covering a range of Reynolds number between 116270. This is not observed at lower Re numbers due to the increased pressure losses caused by the extensional (normal) strain during the radial spreading of the lamella. To validate these findings a holistic approach is chosen, which combines numerical results, analytical solutions and experimental data from literature. In particular, by using the continuity equation, it is shown that the experimental decay of the wall film height can be reconstructed from the velocity measurements. Consilience of results from different approaches provides a robust validation of the micro-PIV data obtained in this work.