06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Experimental investigation of low-frequency sound and infrasound induced by onshore wind turbines(2024) Blumendeller, Esther; Cheng, Po Wen (Prof. Dr.)Climate change has a global impact and is increasingly affecting our environment. This is driving the continuous expansion of renewable energies, with wind energy playing a major role. As wind energy becomes more widespread, an increasing number of people will live near wind turbines in complex terrain. In such scenarios, wind turbines are often positioned at elevated locations, while residents live in valleys. In complex terrain, such as a steep escarpment, local turbulence, wind speed, and direction are strongly influenced by topography, contributing to the complexity of sound propagation or impacts the background noise situation in valleys, for example, due to shielding effects. The operation of wind turbines is associated with both visual and sound-related impact, with sound being generated at various frequencies. There is a growing interest in low-frequency sound and infrasound, characterized by long wavelengths that propagate over considerable distances without significant attenuation. This is in contrast to higher-frequency sound, and might increase the impact of wind turbine sound at residential areas located several hundred meters or a few kilometers away from the wind farm. In the context of complex terrain, this work investigates wind turbines in complex terrain as sources of low-frequency sound and infrasound. The investigations on characterization of sound generation and propagation are based on measurements in the vicinity of two wind farms. Measurements were conducted within four measurement campaigns at two wind farms located close to an escarpment at the Swabian Alb in Southern Germany over a period of about nine month. Acoustic data was obtained in the proximity of the wind turbines and at residential buildings in 1–1.7km distance to the wind farms in municipalities located within a valley. Besides acoustic measurements including the infrasonic frequency range, a comprehensive data set with ground motion data, wind turbine operating data, meteorological data and data from a noise reporting app supports the investigation. Two aspects require analysis: Firstly, the aspect of generation and propagation of wind turbine low-frequency sound and infrasound in complex terrain, and secondly, the relation with annoyance. Results show that sounds within the infrasonic range assigned to the blade passage at the tower are transmitted through the air over distances of 1 km. Low-frequency sounds were found to be amplitude-modulated and were investigated as amplitude modulation. Infrasound and amplitude modulation occurrences were more likely during morning, evening and night hours and during atmospheric conditions with positive lapse rate, vertical wind shear and low turbulence intensity. The occurrence of both infrasound and amplitude modulation was typically observed during rated rotational speed but below-rated power. To allow predictions, a standard prediction method was extended to include the lowfrequency sound and infrasound range and adapted to the measurement data in order to apply it to complex terrain. The sound level difference of the measured data aligns well with the predictions within the frequency range of 8 Hz and 250 Hz. Investigations regarding outdoor-to-indoor sound reductions showed influences from structural resonances and room modes, which depend on the characteristics of the building and the specific room under investigation. Combining acoustic measurements with annoyance reports showed that rated wind turbine operation appears to be a contributing factor in annoyance ratings obtained through a noise reporting app, ranging from “somewhat” to “very” levels. Furthermore, the analysis indicates that varying levels of annoyance at a distance of 1km from the wind farm, both outside and inside buildings, do not correspond to significant differences in the averaged and A-weighted sound pressure levels. Overall, this work contributes to a better understanding of the low-frequency sound and infrasound generated from wind turbines and provides insight into the sound characteristics of measured wind turbine sound at residential locations in complex terrains.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 Science planning for the DESTINY+ Dust Analyzer : leveraging the potential of a space exploration instrument(2024) Sommer, Maximilian; Srama, Ralf (Apl. Prof. Dr.-Ing.)The DESTINY+ Dust Analyzer (DDA) is a highly sophisticated planetary science instrument to provide cutting-edge in-situ characterization of individual cosmic dust grains, with respect to their composition, as well as their physical and dynamical properties. As such, it constitutes a critical component of the upcoming JAXA mission DESTINY+, which is scheduled to launch in 2025. After a three-year cruise phase, the spacecraft will perform a flyby of the target asteroid 3200 Phaethon, with the goal of observing the enigmatic Geminids parent body with two camera instruments, and sampling particles released from its surface with the DDA. Until that flyby, DESTINY+ will execute a highly diverse, ion-engine-driven flight plan that allows DDA to extensively study the dust environments of the Earth, Moon, and interplanetary space - a breadth of science opportunities that is unique to this mission and instrument. This dissertation provides a comprehensive study of the dust types and phenomena possibly encountered by DDA during its journey to Phaethon and applies the principles and methods of science planning to prepare for the operational phase of the mission. The work synthesizes technical considerations and scientific analyses of relevant cosmic dust populations, aiming to optimize DDA’s scientific potential. Detailed examinations of spacecraft and instrument factors, such as the dynamic spacecraft attitude during the near-Earth phase or the instrument’s two-axis pointing mechanism, lay the groundwork for the scientific planning. The thorough analysis of known (and lesser known) dust populations in the inner solar system and of previous relevant measurements by other dust instruments form the core of the study. Finally, the findings are consolidated into a draft science activity plan for the entire mission, as well as exemplary pointing timelines to be executed by the instrument for optimal scientific return. The latter is accomplished with the DOPE tool, which aids in intuitive and efficient planning of DDA observations, having been developed in the scope of this project. The presented work builds the foundation for the scientific operations of DDA, setting it up for a successful and scientifically impactful mission. The findings of this study also provide a valuable perspective for other ventures of in-situ dust astronomy to the inner solar system and contribute to the field of cosmic dust as a whole.Item Open Access Coupled simulation of turbomachinery flutter and forced response blade vibrations using nonlinear frequency domain methods(2024) Berthold, Christian; Krack, Malte (Prof. Dr.)The central topic of this work is the simulation of nonlinear blade vibrations in turbomachinery. Two main causes of blade vibrations are flutter, denoting self-excited vibrations of the blades, and forced response due to e.g. aerodynamic rotor-stator interactions. During operation, the vibration levels of the blades must not exceed critical values in order to prevent high cycle fatigue or immediate failure of the engine. This motivates the development of numerical methods for the prediction of blade vibrations in order to evaluate the robustness of mechanical designs against flutter and forced response. In this work, the focus is laid on bladed turbine disks with interlocked shrouds, which represent a challenging task for numerical simulation. While interlocked shrouds introduce friction (and thus damping) into the structural system, possibly reducing the level of vibrations, they can alter the vibration shape and vibration frequency with increasing amplitude. This in turn makes the aerodynamic damping of the blade motion a nonlinear function of the vibration amplitude. Thus, the mechanical system is bidirectionally coupled, since the two physical domains (fluid and solid) interact with each other. Current numerical analysis tools like the energy method or the use of influence coefficients have deficits in resolving these nonlinear fluid-structure interactions. This motivates the development of improved numerical methods for the simulation of nonlinear blade vibrations. In this work, a refined energy method and a bidirectionally coupled fluid-structure solver are suggested for this purpose. For both approaches, the Harmonic Balance method is employed, which approximates a periodic motion of the blades very efficiently in the frequency domain. The novel methods are applied to numerical test cases of low pressure turbines to demonstrate the methods' capabilities and to investigate the potential influence of nonlinear contact forces on the blade vibrations. Here, the refined energy method allows to gain valuable insight on the impact of shroud contact interfaces on the aerodynamic damping. It is found, that the nonlinear structural contact forces can give rise to stable limit cycle oscillations as well as stability limits, which mark the amplitude level where blade vibrations become unstable if it is exceeded. Furthermore, the coupled solver reveals the complex interaction between a vibrating blade with shroud contact interfaces and a shock motion. For the analysis of forced response, the coupled solver is embedded into a path continuation procedure with a sequential and a parallel variant. The coupled method not only demonstrates the influence of nonlinear friction on the forced response but also reveals, that the superposition assumption regarding the aerodynamic wake excitation and the blade vibration induced aerodynamic forces can lead to inaccurate results.Item Open Access Untersuchungen zum geometrischen Verhalten von Holz mittels optischer Sensoren(2024) Schmitt, Annette; Schwieger, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c.)In Deutschland geht rund ein Drittel des jährlichen CO2-Ausstoßes auf dem Bausektor zurück. Davon ist zwar nur ein Viertel dem Bau von Hochbauten zu zuschreiben. Gerade deshalb müssen im Hochbau Innovationen und alternative Materialien und Bauweisen entwickelt werden, damit Deutschland seine Klimaziele erreicht. Neben dem hohen CO2-Ausstoß hat die Betonbauweise den Nachteil, dass die Rohstoffe von Beton wie zum Beispiel Kies, Sand oder Kalkstein, endliche Ressourcen sind. Eine Alternative zur Betonbauweise ist der jahrtausendealte Holzbau, der in letzten Jahren eine Renaissance erlebt hat. Durch einen nachhaltigen Holzanbau und eine nachhaltige, ressourcenschonende Bauweise kann Holzbau zu einer echten Alternative werden. Jedoch ist Holz ein anisotroper, inhomogener und poröser Werkstoff, dessen Eigenschaften stark richtungsabhängig und abhängig von Umwelteinflüssen sind. Dies macht die Bemessung von Holzbauwerken kompliziert und unattraktiv. Speziell bei Flächentragwerken wie Schalen, die in der Regel sehr filigran sind, haben Umwelteinflüsse wie Feuchte und Temperatur einen Einfluss auf die Standfestigkeit. Daher ist eine regelmäßige Überwachung der Struktur notwendig. Im Bauingenieurwesen werden für solche Aufgaben häufig Dehnmessstreifen eingesetzt. Diese liefern lediglich sehr lokal geltende Messwerte, von denen nur mittels mechanischer Modelle auf das gesamte Objekt geschlossen werden kann. Daher bietet es sich an, für Flächentragwerke optische Sensoren wie zum Beispiel Laserscanner einzusetzen. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Holzobjekte, wie zum Beispiel Platten, Vierkanthölzer und Schalen, unter verschiedenen Umwelteinflüssen, wie Feuchte und Temperatur, untersucht. Ziel ist es dabei, die auftretenden Formänderungen durch Umwelteinflüsse mittels Laserscanner und Lasertracker zu detektieren. Unter anderem werden mehrere Holzplatten in Klimakammern unter definierten Bedingungen untersucht. So wird in einem ersten Versuch der Einfluss von Temperaturänderungen auf eine Holzplatte untersucht. Es zeigt sich, dass dieser zwar sehr gering ist, aber mittels Lasertracker zumindest in radialer Faserrichtung signifikant aufdeckbar ist. In einem weiteren Versuch werden Holzplatten zunächst in einer Klimakammer mit Feuchteregelung bei 95 % Luftfeuchte gelagert und anschließend bei 12 % Luftfeuchte getrocknet. Zwischenzeitlich werden die Platten mittels Lasertracker und Laserscanner vermessen. Hier lassen sich die Verformungen mit dem Lasertracker in allen drei Faserrichtungen signifikant detektieren. Die Messungen mit dem Laserscanner ermöglichen aufgrund des aus der Aufnahmekonfiguration folgenden Registrierungsfehlers keine Aufdeckung der Verformungen, da der Schwellwert für signifikante Verformungen zu hoch ist. In einem weiteren Laborversuch werden die Verformungen durch die Umwelteinflüsse auf belastete Vierkanthölzer untersucht. Auch hierfür kann gezeigt werden, dass der Lasertracker genutzt werden kann. Verifiziert wurden die Ergebnisse hierbei durch eine Finite-Elemente-Simulation, der Materialparameter aus der Literatur zugrunde liegen. Neben den Laborversuchen werden auch Untersuchungen an einem adaptiven Schalentragwerk aus Holz mit dem Laserscanner durchgeführt. Für die Auswertung der Laserscannerdaten wird eine Methode zur Detektion von signifikanten Formänderungen auf Basis von synthetischen Punktfehlern und der Deformationsanalyse implementiert. Alle Ergebnisse der Messungen sind plausibel und mit Literaturangaben vergleichbar, dennoch ist Holz als natürlich wachsender Rohstoff sehr anspruchsvoll und individuell.Item Open Access Modeling, testing and application of tuned liquid multi-column dampers for floating offshore wind turbines(2024) Yu, Wei; Cheng, Po Wen (Prof. Dr.)Item Open Access Nicht-intrusive Messung der Wärmestromdichte auf transpirationsgekühlte Oberflächen(2024) Hufgard, Fabian; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit ist die Entwicklung von drei nicht-intrusiven Methoden zur Bestimmung der transienten Wärmestromdichte in eine transpirationsgekühlte Oberfläche beschrieben. Transpirationskühlung ist ein aktives Kühlverfahren, das aufgrund seiner hohen Effektivität für den Einsatz in Luft- und Raumfahrtanwendungen untersucht wird. Bei Transpirationskühlung besteht das Hitzeschild aus einem porösen Material, durch das ein Kühlgas nach außen gedrückt wird. Das bewirkt sowohl die aktive Kühlung der Wand durch Advektion als auch die Reduktion des konvektiven Wärmeeintrags in die Oberfläche durch das Kühlen der Strömungsgrenzschicht. Für die Auslegung solcher Hitzeschilde ist die Oberflächenwärmestromdichte eine wichtige Variable, weil sie die Wandtemperatur diktiert. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden zur Wärmestromdichtebestimmung basieren auf der transienten und nicht-intrusiven Messung des Drucks im Plenum, d.h. dem bedruckten Bereich zwischen dem Durchflussregler und der porösen Wand. Dazu wird das Systemverhalten infolge der Oberflächenwärmestromdichte durch eine Modellgleichung mathematisch abgebildet. Die Modellparameter werden durch einen zerstörungsfreien Kalibrieransatz identifiziert. Die Eingangsgrößen der Modellgleichung sowie deren Nutzung zur Bestimmung der Oberflächenwärmestromdichte unterscheidet sich zwischen den Methoden. Bei der Pressure-based Non-Integer System Identification (NISIp) Methode korreliert die Wärmestromdichte direkt mit dem Plenumsdruck. Die kalibrierte Modellgleichung ermöglicht die Berechnung der Druckimpulsantwort. Mit dieser wird die Wärmestromdichte unter Anwendung inverser Methoden aus der transienten Druckmessung bestimmt. Dazu ist der Emissionsgrad der einzige erforderliche Materialparameter. Durch experimentelle und numerische Analysen der NISIp-Methode wird gezeigt, dass für die Beschreibung des zugrundeliegenden thermodynamischen Prozesses das Plenum als endliches Volumen mitberücksichtigt werden muss. Dadurch kann sich der Massenstrom durch die poröse Wand signifikant ändern, auch wenn der Massenstrom am Durchflussregler konstant ist. Es wird gezeigt, dass die Reduktion der Parameter Plenumsvolumen, Länge sowie spezifische Wärmekapazität der porösen Wand zu einem schnelleren Ansprechen des Plenumsdrucks auf die Oberflächenwärmestromdichte und damit zu einem kleineren Messfehler führt. Für die Parameter Massenstrom, Umgebungsdruck, Querschnittsfläche und Permeabilität der porösen Wand gilt das Gegenteil. Die Anwendung eines NISIp-Sensors im Plasmawindkanal PWK4 ergab für Wärmestromdichten bis ca. 400 kW/m2 eine Messunsicherheit von nur 17%. Der Non-Integer System Identification with Fluid Temperature (NISITf) Ansatz erweitert den Einsatzbereich zu Szenarien mit stark veränderlichem Umgebungsdruck. Dafür wird der Plenumsdruck mit der Darcy-Forchheimer-Gleichung in die mittlere Fluidtemperatur in der porösen Wand umgerechnet. Diese dient als Eingangsgröße in die NISITf-Modellgleichung zur Korrelation mit der Oberflächenwärmestromdichte. Die Bestimmung der Wärmestromdichte aus der kalibrierten Modellgleichung erfolgt analog zur NISIp-Methode. Mit einem NISITf-Sensor wurden im Plasmawindkanal PWK1 Wärmestromdichten von bis 13,9MW/m2 gemessen. Mit der Cooling Adjustment for Transpiration Systems (CATS) Technologie wird die Oberflächenwärmestromdichte in Echtzeit bestimmt und entsprechend die Kühlintensität der Transpirationskühlung angepasst. Dazu werden ausschließlich nicht-intrusive Messgrößen erfordert. Die Wärmestromdichte wird direkt aus einer kalibrierten Modellgleichung bestimmt. Mit der Anwendung eines CATS-Regelsystems im PWK4 wurde erstmals die Funktionalität eines Reglers zur automatischen Anpassung der Kühlintensität der Transpirationskühlung auf die aktuell wirkende Oberflächenwärmestromdichte nachgewiesen. Darüber hinaus wurde ein CATS-System erfolgreich auf der HIFLIER1-Höhenforschungsrakete getestet. Das HIFLIER1-CATS-System bestimmte dieWärmestromdichte während des Hyperschallflugs und passte entsprechend den Kühlgasmassenstrom wie vorgesehen an.Item Open Access Implementierung eines Verfahrens höherer Ordnung zur numerischen Simulation reaktiver Strömungen auf unstrukturierten Rechengittern(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2024) Setzwein, Florian; Gerlinger, Peter (apl. Prof. Dr.-Ing.)Diskretisierungsverfahren hoher Ordnung, die sich auf unstrukturierten Rechengittern einsetzen lassen, bieten ein großes Potential zur Reduzierung der Rechenzeiten von detaillierten Grobstruktursimulationen. Gleichzeitig lässt sich gegenüber strukturierten Diskretisierungsansätzen eine hohe geometrische Flexibilität für die Generierung der Rechengitter realisieren. Viele Verfahren, die eine höhere Rekonstruktionsordnung auf unstrukturierten Gittern ermöglichen, beruhen auf der Einführung von zusätzlichen Freiheitsgraden innerhalb der Berechnungselemente. Ihre Implementierung in etablierte Finite-Volumen Strömungslöser ist jedoch aufgrund großer Unterschiede in den Datenstrukturen mit einem hohen Aufwand verbunden. Doch auch unstrukturierte Finite-Volumen Verfahren, welche eine höhere räumliche Fehlerordnung durch eine nicht-kompakte Rekonstruktion ermöglichen, verlangen einen hohen Implementierungsaufwand, um eine parallele Skalierbarkeit zu realisieren. Ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der räumlichen Genauigkeit von etablierten unstrukturierten Finite-Volumen-Lösern stellt das k-exakte Multi-Korrekturverfahren dar. Der Schlüssel der Methode ist eine sukzessive Korrektur von approximativen Green-Gauss-Ableitungen, die eine Rekonstruktion hoher Ordnung mit guten Parallelisierungseigenschaften und einem moderatem Implementierungsaufwand ermöglicht. In dieser Arbeit wird der k-exakte Multi-Korrekturansatz, welcher ursprünglich für kompressible Strömungsprobleme und für zellzentrierte Rechengitter entwickelt wurde, für die Anwendung auf einer knotenzentrierten Gitterrepräsentation erweitert und für die Exaktheiten k = 1 und k = 2 in den DLR Strömungslöser ThetaCOM implementiert. Des Weiteren wird die Methode mit einem Druckkorrektur-Verfahren für die zeitgenaue Diskretisierung der Erhaltungsgleichungen reaktiver Fluide bei niedrigen Mach-Zahlen kombiniert. Hierfür werden entsprechende Korrekturterme hergeleitet. Des Weiteren wird die in ThetaCOM implementierte Approximation der konvektiven und diffusiven Flüsse mit dem k-exakten Rekonstruktionsansatz vereint. Für die Berechnung der konvektiven Flüsse wird außerdem ein Ansatz vorgestellt, mit dem sich die Bestimmung der numerischen Dissipation zur Stabilisierung des Verfahrens auf ein Minimum reduzieren lässt. Dieser beruht auf der Herleitung einer Stabilitätsgleichung, welche aus einer Von-Neumann-Stabilitätsanalyse für eine lineare Advektions-Diffusion-Gleichung hervorgeht und deren Lösung zur Beschleunigung des Verfahrens indirekt in einem Verbund aus kompakten neuronalen Netzwerk-Modellen tabelliert wird. Dieser Ansatz wird mit einem Verfahren zur Gradientenlimitierung gekoppelt, um mit dem Diskretisierungsverfahren eine akkurate Auflösung von steilen Lösungsgradienten zu ermöglichen, welche in Verbrennungssimulationen in unmittelbarer Nähe zur Flammenfront auftreten. Für das implementierte Multi-Korrekturverfahren wird die räumliche Genauigkeit der verschiedenen numerischen Operatoren durch zahlreiche kanonische Testfälle verifiziert. Es wird gezeigt, dass sich die räumlichen Gradienten der Feldgrößen infolge der k-exakten Korrekturen mit einer wesentlich höheren Genauigkeit approximieren lassen. Des Weiteren lässt sich der diffusive Transport durch beide Schemata mit einer zweiten räumlichen Fehlerordnung und der konvektive Transport für k = 1 und k = 2 mit jeweils einer zweiten beziehungsweise dritten Fehlerordnung approximieren. Durch die Simulation zahlreicher laminarer und turbulenter Strömungsprobleme werden die beiden k-exakten Diskretisierungsverfahren mit experimentellen und numerischen Referenzdaten aus der Literatur validiert. Dabei wird der Einfluss der höheren Ordnung auf die räumliche Genauigkeit im Vergleich zu einem konventionellen Diskretisierungsverfahren beleuchtet. Hierbei wird insbesondere das Potential der beiden k-exakten Verfahren hinsichtlich der Einsparung von Rechenzeit und Freiheitsgraden dargestellt, sowie deren Fähigkeit zur Erhaltung der parallelen Skalierungseigenschaften von ThetaCOM. Ein weiterer Fokus liegt auf dem neuen Ansatz zur adaptiven Bestimmung der numerischen Dissipation und dessen Kopplung mit der implementierten Methode zur Gradientenlimitierung. Im Vergleich zur Rekonstruktion hoher Ordnung mit einer konstanten numerischen Dissipation liefert die vorgestellte adaptive Methode konsistente und genaue Ergebnisse, unabhängig vom Strömungsproblem und ohne eine Feinjustierung von empirischen Parametern. Abschließend wird für den Testfall einer turbulenten Wasserstoff-Luft-Diffusionsflamme demonstriert, dass sich beide Verfahren zur Simulation von turbulenten, reaktiven Strömungen auf vollständig unstrukturierten Rechengittern einsetzen lassen und eine deutliche Verbesserung des Simulationsergebnisses im Vergleich zu einem konventionellen Diskretisierungsansatzes bewirken.Item Open Access Modelling and analysis of electro-mechanical interactions in wind turbines(2024) Lüdecke, Fiona Dominique; Cheng, Po Wen (Prof. Dr.)The contribution of wind energy to the energy transition is steadily increasing. This growing contribution is driven by two aspects: the construction of new turbines and the increase in turbine size. In particular, for offshore sites, the nominal power of new turbines is now up to 16 MW and rising. Two main drive-train concepts are used, the geared and the direct-drive. Direct-drives, the focus of this work, have a characteristically low speed in order to limit the blades' tip speed. This results in large generator diameters, which have reached around 10 m. Scaling laws show that structural support mass grows faster than active mass, contributing to power generation. Therefore, new design methods for mass reduction are desired. The generator design is optimised based on given input loads and must maintain the air gap between the rotor and stator at all times. Typically, this is achieved by very high main bearing and generator support structure stiffness requirements, limiting mass reduction potential. In this work, it is assumed that designing wind turbines based on component optimisation does not ensure the best system design. However, moving to a more system-oriented approach requires new, holistic modelling techniques to simulate the wind turbine system, including electromagnetic forces from the generator. The required system model is derived in this thesis by adding a radial degree of freedom to the state-of-the-art wind turbine model. Two generator models of different fidelity are coupled to the wind turbine model, an analytical and a finite element model. Influences of the model adaptations on the system behaviour are identified. Structural component interactions are analysed and the effects of modelling on interactions with the aerodynamic solver and controller are investigated. The results show that lower system modes can be affected in their natural frequency by the modelling. Furthermore, a new system mode is introduced which is related to the new degree of freedom. The controller shows a high excitation of the new system mode for specific parameter combinations. Frequency-dependent feedbacks into the aerodynamics are also identified. Based on the comparison of both generator models, the analytical generator model promises a good trade-off between accuracy and computation time. In a second step, the effects of the identified interactions on turbine loads inside and outside the drive-train are analysed at the main bearing, the tower top, the tower base and the blade root. For this purpose, the equivalent loads of both models are compared. The load comparison shows that components inside and outside the drive-train are affected by the modelling. In particular, the main bearings and the tower show significant changes in load. However, loads can be increased as well as decreased compared to the state-of-the-art model. This supports the hypothesis of this work that a system design optimisation will differ from the component optimisation result. Furthermore, it can be shown that the added radial degrees of freedom and the electromagnetic forces add up in some cases and cancel each other out in other cases for load level changes. Based on the results of this work, follow-up questions arise, including lifetime estimation. Overall, this work contributes to a better understanding of the electro-mechanical interactions in direct-drive wind turbines and provides insight into the modelling approaches required for their analysis. It thus promotes the way towards system-oriented design of wind turbines.Item Open Access Experimentelle Untersuchungen zum Versagen von Raumfahrtstrukturen beim atmosphärischen Wiedereintritt(2024) Leiser, David; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Dissertation wird der Einfluss mechanischer Lasten auf den destruktiven Wiedereintritt großer Raumfahrtstrukturen experimentell analysiert. Dabei wird der Einfluss mechanischer Lasten insbesondere auf die Break-Up Höhe untersucht, da diese für weitere Fragmentierungsprozesse und Verglühen von entscheidender Bedeutung ist. Dazu wird ein neuer mechanischer Aufbau beschrieben, der mechanische Lasten in Bodentests aufbringen kann. Der Aufbau basiert auf einem elektromechanischen Lastzylinder, der in den Plasmawindkanal PWK4 integriert wurde. Dieses neuartige Konzept weist eine Probenform auf, für die eine erweiterte Umrechnungsmöglichkeit von Flugsituationen in Bodensimulationen erforderlich ist. Dazu wird die bekannte LHTS Ähnlichkeit um eine axialsymmetrisch planare Transformation erweitert. Diese Methode wird durch Wärmestromdichtemessungen im Plasmawindkanal validiert. Die mechanischen Lasten auf die Modulverbindungselemente der Internationalen Raumstation werden durch Freiflugexperimente im Stoßwindkanal TUSQ der University of Southern Queensland untersucht. Die ermittelten Lasten werden zum Flugfall skaliert und entlang einer typischen Wiedereintrittstrajektorie extrapoliert. Als Versuchsbedingung werden drei Trajektorienpunkte in 90 km, 75 km und 65 km Höhe entlang einer typischen Wiedereintrittstrajektorie aus dem niedrigen Erdorbit untersucht. Diese entsprechen der frühen Eintrittsphase, der Höhe des typischen Break-Up und der Höhe der maximalen Wärmelast. Dabei werden sowohl die Plasmabedingung als auch die mechanische Last auf diese Trajektorienpunkte angepasst. Vier typische, metallische Strukturmaterialien werden untersucht; zwei verschiedene Aluminiumlegierungen, eine Edelstahllegierung sowie eine Titanlegierung. Um das Materialverhalten vergleichen zu können, werden die Proben sowohl unbelastet als auch belastet getestet. Die Materialversuche weisen deutliche Unterschiede sowohl zwischen den unterschiedlichen Materialien als auch zwischen den Versuchsbedingungen auf. Die Hochtemperaturmaterialien Edelstahl und Titan versagen nie unter den nominellen Bedingungen; eine Lasterhöhung führt zur Einschnürung und schlussendlich zum Versagen der Materialien. Bei den Aluminiumlegierungen können je nach Bedingung und Last drei unterschiedliche Versagensarten beobachtet werden, Einschnüren mit Bruch, Sprödbruch, und Schmelzen. Die mechanischen, thermischen und spektroskopischen Analysen der Proben zeigen Eigenschaften wie Deformation, Oxidation und spektrale Emission. Eine Analyse des Oxidationsverhaltens, gekoppelt mit der spektralen und visuellen Analyse zeigt, dass das atypische Verhalten der gemessenen Oberflächentemperatur, einer Veränderung des Emissionsgrads infolge von chemischen Reaktionen zugeordnet werden kann. Spektrale Merkmale werden mit den Daten aus Beobachtungsmissionen verglichen. Dabei zeigt sich, dass bisherige Korrelationen zu spektralen Ereignissen und dem Zerfall einzelner Komponenten nicht gültig sind. Der Nachweis von Alkalimetallen ist dabei, nicht auf Komponenten zurückzuführen, sondern als Spurenelement in allen Strukturelementen vorhanden. Vor allem in Edelstahl und Titan sind die spektralen Signaturen eher durch Änderungen des Oxidationsverhaltens erklärbar als durch strukturelles Versagen. Ein Modell auf Basis der Meteorforschung wird genutzt, um den Massenverlust eines beobachteten Wiedereintritts abzuschätzen. Die Materialparameter werden dafür experimentell ermittelt. Die daraus errechnete Gesamtmasse weicht dabei maximal 20 % von der Gesamtmasse des Raumtransporters Cygnus beim Wiedereintritt ab. Diese Arbeit zeigt, dass mechanische Lasten beim destruktiven Wiedereintritt eine signifikante Rolle spielen. Versuche in Bodentestanlagen unter kombinierten Lasten stellen für eine experimentelle Untersuchung eine geeignete Methode zur Evaluation des Materialverhaltens dar.