06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Thermodynamik der Luft- und RaumfahrtSubject: search.filters.subject.530

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    Laser-induced thermal acoustics : simultaneous velocimetry and thermometry for the study of compressible flows
    (2016) Förster, Felix Johannes; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
    Air-breathing propulsion concepts, such as scramjets, provide a promising alternative to conventional systems for a faster and economically as well as ecologically more efficient transportation of passengers and cargo to any destination on the globe. Furthermore, scramjets are an important supplement to existing rocket-based systems to increase the payload and reduce operational costs of space transportation systems. The development of a scramjet engine is, however, challenging and involves the knowledge of many disciplines. One of the most critical problems is a stable and reliable combustion. The flows relevant to this thesis are therefore characterized by high speeds, high temperatures and chemical reactions. Obtaining quantitative data of such a flow field, sufficiently resolved in time and space, is a difficult task for any measurement technique. However, the continuous study of the occurring flow phenomena as well as the requirement to validate advanced numerical simulations demand the development of new diagnostic methods to provide more sophisticated experimental data sets. The focus of this thesis is the development, evaluation and application of Laser-Induced Thermal Acoustics (LITA) as a promising diagnostic tool for the study of compressible flows. LITA allows non-intrusive and remote measurements of speed of sound, flow velocity, Mach number and temperature – resolved both spatially and temporally. A thorough validation of the setup was conducted for reference cases at flow conditions comparable to the intended application verifying that very accurate and detailed data sets can be obtained with LITA. Three different applications are investigated in this thesis. In the first case, time-resolved speed of sound, flow velocity and Mach number measurements were conducted in a hydrogen/air free jet flame. Flow profiles were obtained at different axial positions showing the evolution of the combustion zone. The second application is dedicated to the flow field inside scramjet combustor models. Detailed experimental data sets were provided for the validation of complementary CFD simulations. In addition, a precise reconstruction of the flow field and the shock system resulting from a jet injected into the supersonic cross flow was possible. These results motivated to use LITA in a shock tube facility. Measurements were successfully conducted behind the incident and reflected shock wave proving the technique’s potential for shock-heated flows.
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    Editorial - physics of droplets
    (2024) Planchette, Carole; Lamanna, Grazia; Pan, Kuo-Long
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    Thin-disk multipass amplifier for power scaling of ultrafast lasers
    (2024) Dominik, John; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr.)
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    Development of a passively Q-switched microchip laser operating at 914 nm for automotive lidar applications
    (2022) Nägele, Marco; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
    Die meisten Festkörperlaser besitzen Emissionswellenlängen oberhalb eines Mikrometers und können deshalb nicht für moderne Lidarsysteme in Kombination mit günstiger und weit etablierter siliziumbasierten Detektortechnologie verwendet werden. Ziel dieser Arbeit ist daher die Untersuchung und Realisierung eines passiv gütegeschalteten Nd3+:YVO4 Lasers bei einer Wellenlänge von 914nm für die Anwendung in einem automobilen Lidar Sensor. Zur Untersuchung der für die Lidaranwendung relevanten Laserparameter werden insgesamt drei experimentelle Resonatorkonfigurationen verwendet. Die Konfigurationen sind dabei so gewählt, dass die Laserparameter möglichst entkoppelt vom Gesamtsystem analysiert werden können. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass der quasikontinuierlich gepumpte Nd3+:YVO4 Laser Pulsdauern im einstelligen Nanosekundenbereich und Pulsenergien von knapp 40 μJ erreichen kann. Zudem lässt sich für eine mögliche Lidaranwendung die Repetitionsrate bis ungefähr 60 kHz über die verwendete Pumpleistung skalieren. Der Vergleich mit der Theorie basierend auf Ratengleichungen zeigt eine gute Übereinstimmung zum Experiment, woraus sich das zukünftige Potential des Lasers für mögliche Anwendungen abschätzen lässt. Über alle Untersuchungen hinweg konnte eine sehr gute Strahlqualität beobachtet werden, was in der Lidaranwendung ein hervorragendes Auflösevermögen verspricht. Neben der Betrachtung verschiedener Systemzusammenhänge mittels experimenteller Konfigurationen wird ein kompakter, monolithischer, passiv gütegeschalteter Demonstratoraufbau im Einzelpulsbetrieb bei einer Wiederholrate von 200 Hz präsentiert. Hierbei kommt als Pumplaser ein 808nm Breitstreifen-Diodenlaser zum Einsatz, welcher verglichen mit einem fasergekoppelten Laserdiodenmodul nicht nur ein deutlich kompakteres Gesamtsystem verspricht, sondern ebenfalls eine schmalere Linienbreite besitzt. Folglich kann das Gesamtsystem allein durch Anpassung des Pumplaserstroms und ohne aktive Temperaturstabilisierung in einem Temperaturbereich von 20-50 °C stabil betrieben werden. Zudem liefert der kurze Resonator des monolithischen Laserkristalls nicht nur kurze Pulsdauern, sondern ermöglicht ebenfalls den Betrieb auf einer einzelnen longitudinalen Mode und folglich spektrale Emissionsbandbreiten von wenigen Pikometern. Hierdurch ergibt sich für Langzeitmessungen über 60 Minuten eine hervorragende Stabilität der spektralen Eigenschaften, der Pulsenergie und der Pulsdauer.
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    Experimental validation of a numerical coupling environment applying FEM and CFD
    (2023) Hartmann, Christopher; Schweikert, Julia; Cottier, François; Israel, Ute; Gier, Jochen; Wolfersdorf, Jens von
    Experimental results for the transient heat transfer characteristics over a flat plate and over a plate with V-shaped ribs were compared to numerical results from a coupling environment applying FEM and CFD. In order to simulate transient effects in the cooling process of engine components during typical flight missions, the temperature and the velocity at the inlet of the channel were varied over time. The transient temperature distribution at the plate was measured using infrared thermography. Five different plate materials (perspex, PEEK, quartz, aluminum, and steel) were considered to investigate the influence of thermal conduction on the heat transfer between solid and fluid depending on the Biot number. The experimental results represent a reference database for a Python-based coupling environment applying CalculiX (FEM) and ANSYS CFX (CFD). The results were additionally compared to numerical results simulating the complete transient conjugated heat transfer with CFD. A good agreement between the numerical and the experimental results was achieved using different coupling sizes at different Biot numbers for the flat plate and the plate with V-shaped ribs.