06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.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 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 Operational scenarios optimization for resupply of crew and cargo of an International gateway Station located near the Earth-Moon-Lagrangian point-2(2016) Lizy-Destrez, Stéphanie; Messerschmid, Ernst (Prof. Dr.)In the context of future human space exploration missions in the solar system (with an horizon of 2025) and according to the roadmap proposed by ISECG (International Space Exploration Coordination Group) [1], a new step could be to maintain as an outpost, at one of the libration points of the Earth-Moon system, a space station. This would ease access to far destinations as Moon, Mars and asteroids and would allow testing some innovative technologies, before employing them for far distant human missions. One of the main challenges will be to maintain permanently, and ensure on board crew health thanks to an autonomous space medical center docked to the proposed space station, as a Space haven. Then the main problem to solve is to manage the station servitude, during deployment (modules integration) and operational phase. Challenges lie, on a global point of view, in the design of the operational scenarios and, on a local point of view, in trajectories selection, so as to minimize velocity increments (energy consumption) and transportation duration (crew safety). Which recommendations could be found out as far as trajectories optimization is concerned, that would fulfill energy consumption, transportation duration and safety criterion? What would technological hurdles be to rise for the building of such Space haven? What would be performances to aim at for critical sub-systems? Expected results of this study could point out research and development perspectives for human spaceflight missions and above all, in transportation field for long lasting missions. Thus, the thesis project, presented here, aims starting from global system life-cycle decomposition, to identify by phase operational scenario and optimize resupply vehicle mission.Item Open Access Kretazische Subduktionsprozesse in Südzentralamerika(1998) Calvo, Claudio; Seyfried, Hartmut (Prof. Dr.)The study presents a combined sedimentological, micropaleontological and petrological approach to the Cretaceous sedimentary basement and cover sequences of the Costa Rican arc orogen. The findings show an evolved volcanic arc with explosive calc-alkaline volcanism, which was active since at least the Albian. This intraoceanic arc was built on the western Caribbean Plate boundary where the oceanic Farallon Plate was continuously subducting. Some evidence suggests that the subduction processes in southern Central America might have already begun in the Late Jurassic.Item Open Access Development of a reduced chemical-kinetic combustion model for practical fuels(2014) Zizin, Anton; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)This work deals with modeling of the surrogate fuels including their physical as well as chemical properties. The huge number of components of real fuels makes it impossible to model its properties with equations for all of the constituents. Even less feasible is to create a kinetic mechanism for such a fuel. As an alternative a mixture of a few hydrocarbons is used to replace the real fuel. Such mixture is called a surrogate fuel. The goal of the present work is to construct a complete method for the creation of a reduced combustion model for a Jet-A surrogate fuel, starting from the development of the fuel model itself to the algorithms for a kinetic mechanism reduction. Prior to the development of the numerical code a short overview of available equations of state is given and a comparison of their advantages, disadvantages and precision is made. The developed numerical tools allow fast calculation of the fuels phase diagram, distillation curve and critical point. The physical model and developed tools are successfully validated over a number of experiments for different mixtures of hydrocarbons. The elaborated surrogate model is obtained by optimization of the above mentioned characteristics as well as combustion enthalpy, formation enthalpy, molar weight and sooting tendency index. The Jet-A surrogate model consists of 11% propylcyclohexane, 14% iso-octane, 22% n-dodecane, 28% 1-methylnaphtalene and 25% n-hexadecane. Kinetic models are developed for the large hydrocarbons: n-decane, n-dodecane and n-hexadecane. These models are thoroughly tested over a wide range of shock-tube experiments for each of these pure components as well as mixtures of n-decane and 1-methylnaphthalene.The developed sub-mechanisms are added to the sub-mechanisms of other surrogate fuel components developed at the Institute of Combustion Technology at the German Aerospace Center (DLR) producing the full mechanism with 183 species and 1239 reactions. Numerical simulations made with the full mechanism for the surrogate blend are compared with shock-tube experiments for Jet-A kerosene. Of special interest is the low-temperature region and negative temperature coefficient. A rate of production analysis for each surrogate fuel component and sensitivity analysis will be given. Due to the lack of the thermodynamical data for the low-temperature species another computational tool is developed. It calculates thermodynamical properties using the Benson group additivity method. For extrapolation of the heat capacity to higher temperatures Willhoit polynomials are used due to good precision and stability. The verification is made by comparison of the results for a range of hydrocarbon molecules with database values and calculations in other works. For the reduction algorithm several common reduction methods are described and compared. Using some of these methods analysis and reduction of the full kinetic mechanism is made. Finally, for the reduction of the full mechanism two additional programs are developed. Using the KINALC package they accomplish two analyses in several time points for chosen numerical experiments: importance of reactions and species. Comparing the obtained lists they automatically choose unimportant species and reactions and remove them from the mechanism. Excellent results are obtained even at high degrees of reduction. Nevertheless, there exists a minimal number of species, after which further reduction causes very fast growing errors. At the same time the algorithm tends to remove some very basic species at high degrees of reduction. This limits the minimal size of the mechanism to 70-80 species. The influence of different reduction parameters on the performance of the resulting reduced mechanism is investigated and will be given.Item Open Access Charakterisierung von Kohlendioxid-Plasmaströmungen zur Simulation von Marseintrittsmanövern(2017) Marynowski, Thomas; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)Das Thema dieser Arbeit ist die Charakterisierung von CO2-Plasmaströmungen, die die Simulation von Eintrittsmanövern an Planeten ermöglichen. Die Planeten Venus und Mars besitzen eine von CO2 dominierte Atmosphäre und besonders unser direkter Nachbarplanet Mars steht momentan im Fokus aktueller explorativer Missionen. Für eine sicherere und umfangreichere Erkundung der Planeten sind effiziente Technologien erforderlich. Dabei spielen Hitzeschutzmaterialien (engl. Thermal Protection Systems, TPS) eine wichtige Rolle, denn sie ermöglichen erst die Eintrittsmanöver und machen einen erheblichen Masseanteil der Raumfahrzeuge aus. Durch Verbesserung und effizienteren Einsatz der Hitzeschutzmaterialien kann der Nutzlastanteil gesteigert und durch Erhöhung der Sicherheit die Erfolgschancen der Missionen verbessert werden. Das Testen und die Weiterentwicklung solcher Hitzeschutzmaterialien sind mit Hilfe des induktiven Plasmagenerators IPG4 am Plasmawindkanal PWK3 möglich. Die Voraussetzung für solche Tests ist die Kenntnis der wichtigsten Parameter des Freistrahls. Die Messung der Parameter wird mit zwei unterschiedlichen Gruppen von Messmethoden durchgeführt. Als Teil der nicht intrusiven Messmethoden und Schwerpunkt dieser Arbeit wird die laserspektroskopische Methode der Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenz (engl. Two-Photon Absorption Laser-Induced Fluorescence, TALIF) eingesetzt. Damit wird zum ersten Mal bei Eintrittsbedingungen in einem induktiv geheizten CO2-Plasma die Grundzustandsdichte von Sauerstoff, als eines der wichtigsten Dissoziationsprodukte einer CO2-Strömung, gemessen. Absolute Aussagen (Grundzustandsdichte, translatorische Temperatur und Geschwindigkeit) über den atomaren Sauerstoff werden durch Messungen an Xenon ermöglicht, das einen passenden Zweiphotonenübergang besitzt und so zur Kalibrierung benutzt werden kann. Zur Erweiterung der Charakterisierung werden auch weitere Messmethoden genutzt. Die optische Emissionsspektroskopie (OES) und ein Hochgeschwindigkeitskamerasystem (HSC) werden als weitere nicht intrusive Diagnostiken eingesetzt. OES ermöglicht die Identifizierung der vorkommenden Spezies sowie die Bestimmung von Vibrations-, Rotations- und elektronischen Anregungstemperaturen. Die Daten der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen geben orts- und zeitaufgelöste Informationen über Emissionsverteilungen einzelner identifizierter Spezies in der Strömung, was durch den Einsatz von schmalbandigen Spektralfiltern erreicht wird. Darüber hinaus werden intrusive, also in die Strömung gebrachte, Sonden verwendet, um Totaldruck, Wärmestromdichte und massenspezifische Enthalpie zu messen. Die massenspezifische Enthalpie wird dabei auf zwei unterschiedliche Weisen ermittelt. Dazu wird einerseits eine spezielle Enthalpiesonde und andererseits ein indirekter semiempirischer Ansatz, der sich auf die Messung von Totaldruck und Wärmestromdichte sowie eine benötigte Konstante stützt, verwendet. Durch die Sondenmessung der massenspezifischen Enthalpie ist es möglich, die Konstante aus den Daten dieser Arbeit, durch eine Rückrechnung neu zu ermitteln und mit der Literatur zu vergleichen. Insgesamt geben die Ergebnisse Aufschluss über wichtige Parameter der Strömung wie Geschwindigkeit, Temperaturen, Teilchendichte, Totaldruck, Wärmestromdichte und massenspezifische Enthalpie. Weiter sind über die identifizierten Atome und Moleküle Aussagen über die chemische Zusammensetzung der Strömung möglich, wodurch Betrachtungen des thermo-chemischen Zustandes der Plasmaströmung ermöglicht werden. Für die supersonische Strömung zeichnet sich das Bild eines Nichtgleichgewichtszustandes, das im Einzelnen (chemisch und thermisch) betrachtet wird. Es wird ein Vergleich der vorliegenden Strömungsdaten zu Daten der vergangenen erfolgreichen Marsmissionen sowie weltweit anderer Bodentestanlagen dargestellt. Dabei wird gezeigt, dass der Plasmawindkanal PWK3 mit dem induktiven Plasmagenerator IPG4 in der Lage ist, die Wärmestromdichte und die massenspezifische Enthalpie der bisherigen Eintrittsmissionen im vollen Umfang zu reproduzieren, jedoch der Totaldruck nur auf die frühen Phasen der Eintrittstrajektorien beschränkt simulierbar bleibt. Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine sehr gut charakterisierte CO2-Plasmaströmung, die zur Erprobung von Hitzeschutzmaterialien für zukünftige Flüge zum Mars und der Venus verwendet werden kann.Item Open Access Spatiotemporal change detection based on persistent scatterer interferometry : a case study of monitoring urban area(2019) Yang, Chia-Hsiang; Sörgel, Uwe (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Experiments on laminar separation bubbles under inflow conditions of atmospheric turbulence(2024) Greiner, Michael; Krämer, Ewald (Prof. Dr.-Ing.)Natural laminar flow (NLF) airfoils have been largely responsible for the performance advances of today's general aviation aircraft and wind turbines. In the design of these airfoils, atmospheric turbulence has received little attention, although specific atmospheric conditions are often present during their operation. One reason for this is that the effect of atmospheric turbulence on the boundary layer, and in particular on laminar separation bubbles (LSB), has only been possible to be estimated from experience. This study addresses this issue based on the example of sailplanes. In the first part of this work, the inflow conditions during typical cross-country flights of sailplanes are studied. Avoiding laminar separation bubbles at high lift coefficients is one of the challenges in the design of NLF airfoils. Therefore, the focus is on circling in thermals and thus on the convective boundary layer of the atmosphere. Continuous measurements of free-stream turbulent velocity fluctuations have been made during cross-country flights, with resolutions well into the dissipation range of the turbulence spectrum. The second part studies the effect of free-stream turbulence on mid-chord laminar separation bubbles that may appear on the upper surface of low speed NLF airfoils typically used in general aviation or wind turbines. For this purpose, the relevant conditions found in the first part were transferred to the Laminar Wind Tunnel (Re = 880,000, Tu = 0.01%-0.38%) for detailed experimental investigation. A distinction is made between small-scale turbulence, which acts via the classical vortex receptivity, and large-scale turbulence, which corresponds to inflow angle fluctuations and acts on the evolution of the boundary layer via the transient change in stability properties. The insights gained in flight permit the modelling of the free stream turbulence to be expected in flight through the convective atmosphere. The results of the wind tunnel experiments allow to better regard these turbulent conditions during the design of NLF airfoils.Item Open Access Divergenzkorrekturen und asymptotische Untersuchungen bei der numerischen Simulation idealer magnetohydrodynamischer Strömungen(2006) Kemm, Friedemann; Munz, Claus-Dieter (Prof. Dr.)Es werden Lösungsansätze für zwei wesentliche Problembereiche bei der Simulation kompressibler idealer magnetohydrodynamischer Strömungen entwickelt: - Schwach kompressible Strömungen, - Auftreten magnetischer Monopole in der numerischen Lösung. Für den erstgenannten Problembereich wird ein Ansatz aus der schwach kompressiblen Gasdynamik für die MHD adaptiert. Es werden Methoden der asymptotischen Analyse verwendet, um den Übergang von der Kompressibilität zur Inkompressibilität zu untersuchen. Aufgrund der Ergebnisse der Analyse wurden Vorschläge für numerische Verfahren entwickelt. In dieser Arbeit wird nachgewiesen, daß sich im Fall kleiner Machzahlen die Konstruktion eines Verfahrens aus der schwach kompressiblen Gasdynamik für die MHD direkt übernehmen läßt. Nun wird eine MHD-Strömung aber auch dann schwach kompressibel, wenn die Alfvenzahl klein wird. In dieser Arbeit wird nun gezeigt, daß auch für den Fall kleiner Alfvenzahlen sowohl für den eindimensionalen Fall als auch für zweidimensionale Spezialfälle mithilfe der Mehrskalenanalyse der Übergang zur Inkompressibilität untersucht werden kann. Hieraus wird jeweils die Konstruktion eines numerischen Verfahrens abgeleitet. Dieses kann auch als Vorlage für Verfahren dienen, welche allgemeine dreidimensionale Strömungen kleiner Alfvenzahl approximieren, aber der gewählten Analysis nicht zugänglich sind. Für das Problem magnetischer Monopole werden in der vorliegenden Arbeit Methoden konstruiert, welche die Divergenzbedingung an das Magnetfeld zu einem inhärenten Teil des Evolutionsoperators machen. Hierfür wird der GLM-Ansatz für das elektrische Feld bei den Maxwellgleichungen auf die MHD übertragen und um eine neue, die gemischte GLM-Korrektur, erweitert. Es gelingt, ein allgemeines Modell aufzustellen, das neben der GLM-Korrektur auch die Powell-Korrektur als Spezialfall enthält. Überdies lassen sich verbesserte Versionen der Powell-Korrektur angeben. Der Ansatz wird anhand eines reduzierten Testsystems entwickelt und ist so allgemein, daß er wiederum auf die Maxwellgleichungen angewandt werden kann. Für die zu wählenden Parameter werden auf analytischem Wege Schätzungen hergeleitet, welche die Wirksamkeit der jeweiligen Divergenzkorrekturmethode optimieren. Die theoretischen Vorhersagen werden mittels numerischer Tests sowohl für das Testsystem als auch für die volle MHD verifiziert.