06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/7
Browse
358 results
Search Results
Item Open Access Ein Beitrag zur Stützung eines Software GNSS Empfängers mit MEMS-Inertialsensoren(2016) Gäb, Michael; Kleusberg, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Die genaue Bestimmung von Position und Geschwindigkeit mit einem globalen Navigationssatellitensystem (engl. Global Navigation Satellite System) (GNSS) in Echtzeit bildet eine essentielle Grundlage für viele Anwendungen in der Navigation. Bei mobilen Navigationsanwendungen finden häufig GNSS-Messungen unter ungünstigen Beobachtungsbedingungen statt, so dass Fehler in den Ergebnissen auftreten können. In diesem Fall ist der GNSS-Empfänger in Bewegung, so dass die Empfangsumgebung sich ständig ändert. So können Objekte, wie z.B. Gebäude, Bäume, Tunnel usw. zu Reflektionen, Dämpfung bzw. Abschattung der GNSS-Signale führen. Eine hohe zusätzliche Dynamik bzgl. der beobachteten Dopplerfrequenzverschiebung erfährt das empfangene GNSS-Signal durch die Bewegung des GNSS-Empfängers. Das beeinflusst die Signalnachführung (Tracking) und verursacht Fehler bei der Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung oder eine Bestimmung ist sogar unmöglich. Eine Verbesserung der Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung wird durch die gleichzeitige Messung mit einem GNSS-Empfänger und einem inertialen Navigationssystem (engl. Inertial Navigation System) (INS) ermöglicht. Kostengünstige INS beinhalten heute Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (engl. Micro Electro Mechanical Systems) (MEMS), die als MEMS-Inertialsensoren bezeichnet werden. Die gemeinsame Nutzung der Messdaten von GNSS und INS wird als GNSS/INS-Integration bezeichnet. Diese Arbeit befasst sich mit der Tiefen GNSS/INS-Integration, so dass mit der Information eines INSs in die Tracking Loop des GNSS-Empfängers eingegriffen wird, um Verbesserungen beim Tracking des Signals und der daraus bestimmten GNSS-Beobachtungen zu erzielen. Dieser Eingriff wird auch als Stützung (engl. aiding) bezeichnet. Die Stützung erfolgt über die Regelgrößen (Dopplerfrequenz und Codephase) in der Tracking Loop für den jeweiligen Kanal des GNSS-Empfängers. Dazu werden die Regelgrößen zunächst prädiziert, bevor diese beim Tracking des empfangenen GNSS-Signals berücksichtigt werden können. Für die Prädiktion müssen die Position und Geschwindigkeit des Satelliten und des Empfängers vorliegen. Außerdem müssen die Uhrenfehlerrate des Satelliten und des Empfängers bekannt sein. Aus diesen Größen kann die Dopplerfrequenz und daraus die Rate der Codephase berechnet werden. Die zeitliche Integration der Codephasenrate ergibt die aktuelle Codephase. Aus den Ephemeriden des GNSS-Satelliten kann die Position, die Geschwindigkeit und die Uhrenfehlerrate für einen zeitnahen beliebigen Zeitpunkt berechnet werden. Die Uhrenfehlerrate des Empfängers wird hierbei mittels einer Extrapolation vorausbestimmt. Mit den MEMS-Inertialsensoren kann die Position und Geschwindigkeit des Empfängers fortgeführt werden. Diese Fortführung erfolgt über eine Lose GNSS/INS-Integration mittels einer Strapdown-Rechnung und einem Kalman-Filter für 15 Fehlerzustände. Als Stützwerte für den Kalman-Filter dienen hier die Position und Geschwindigkeit des SGEs. Die Stützung sollte bei einem Signalabriss oder für die Stabilisierung des Trackings eingeschaltet werden. Die Stützungsmethode wird mit einem Software GNSS-Empfänger (SGE) und einer Inertiale Messeinheit (engl. inertial measurement unit) (IMU) aus MEMS-Inertialsensoren (MEMS-IMU) in der Landfahrzeugnavigation getestet und analysiert. Der SGE ist für die Signale des globalen Positionierungssystem (engl. Global Positioning System) (GPS) mit dem C/A-Code auf der L1-Frequenz entwickelt und bestimmt die Position und Geschwindigkeit mit einer Messrate von 1 kHz. Die MEMS-IMU beeinhaltet 6 Freiheitsgrade mit jeweils einem 3-achsigen MEMS-Beschleunigungs- und MEMSDrehratensensor. Die Messrate des MEMS-Beschleunigungssensors beträgt 1 kHz und die Messrate des MEMS-Drehratensensors beträgt 800 Hz. Mit diesem Messsystem ist es möglich, die Prädiktion der Regelgrößen für jede Millisekunde durchzuführen, so dass diese bei jedem Tracking-Durchlauf mit dem C/A-Code vorliegen. Aufgrund der hohen Messraten können nur wenige Minuten Messdaten erfasst werden und die Auswertung erfolgt in der Nachbearbeitung (engl. post-processing). Die Stützungsmethode wird durch Fahrten mit einem Messfahrzeug getestet. Dazu werden Messfahrten mit verschiedenen Fahrmanöver ausgeführt, um im empfangenen GPS-Signal unterschiedliche Raten in der Dopplerfrequenz zu erzeugen. Eine Fahrt unter Bäumen ermöglicht den Einfluss des zeitlichen Verlaufs im Signal-Rauschverhältnis (engl. signal-to-noise ratio) (S/N) des empfangenen GPS-Signals auf die Stützungsmethode zu untersuchen. Bei dieser Messfahrt treten auch immer wieder kurzzeitige Signalabrisse auf. Die in der vorliegenden Arbeit dokumentierten Messfahrten und Ergebnisse zeigen, dass die Stützung für einen SGE erfolgreich in der Landfahrzeugnavigation durchgeführt werden kann. Die prädizierten Regelgrößen werden für die verschiedenen Messfahrten zuverlässig berechnet und das Tracking kann damit stabilisiert und sogar bei einem Signalabriss vorgesteuert werden. Außerdem können Ausreißer direkt in den Beobachtungen minimiert werden, so dass Verbesserungen in der Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung des SGEs erzielt werden können.Item Open Access Lebensdauerabschätzung von metallischen Strukturen mittels der Diskrete-Elemente-Methode im gekoppelten thermo-mechanischen Feld(2012) Hahn, Manfred; Kröplin, Bernd (Prof. Dr.-Ing. habil.)Aufgrund der hohen Streubreite der physikalischen Eigenschaften von metallischen Werkstoffen kann man deren Verhalten nicht zuverlässig voraussagen. Dies stellt insbesondere bei der Lebensdauervorhersage von industriell gefertigten Konstruktionen ein Problem dar. Der atomare Aufbau eines metallischen Werkstoffs besteht in der Regel aus einem Hauptelement und einem oder mehreren Nebenkomponenten was dazu führt, dass beim Erstarren einer Metallschmelze auf der Atomskala die Anreihung der Atome nicht strukturiert erfolgt, sondern mit zufällig verteilten Fehlern. Betrachtet man den Werkstoff auf einer göberen Skala so fällt auf, dass metallische Schmelzen an vielen Stellen zu erstarren beginnen und dass die Erstarrungskeime und die Grenzen der Erstarrungsfronten stochastisch verteilt sind. Die metallischen Werkstoffe sind also bei genauerer Betrachtung kein Kontinuum sondern ein Diskontinuum in dem die physikalischen Eigenschaften global betrachtet zu den in den Laborexperimenten beobachteten Werten verschmieren. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Werkstoff als ein Diskontinuum darzustellen, um die stochastisch verteilten physikalischen Eigenschaften auf einer kleinen Skala zu erfassen. Im Weiteren sollen auf einer größeren Skala die physikalischen Eigenschaften zu den global beobachteten Werten verschmieren. Dabei soll die in dieser Arbeit vorgestellte numerische Methode der diskreten Elemente im mechanischen Feld ausgebaut und im Folgenden auf andere physikalische Felder übertragen werden. In metallischen Werkstoffen gehen bei zyklischen Belastungen im Inneren des Werkstoffs mikroplastische Verformungen vonstatten, welche mit zunehmender Zyklenzahl den Werkstoff an diskreten Stellen mit Mikroschäden sättigen. Dabei schreitet die diskrete Sättigung solange voran, bis der diskrete Ort übersättigt bzw.~geschwächt ist und im Folgenden versagt. Die mikroplastischen Verformungen sind, wie auch die anderen physikalischen Parameter, mit einer statistischen Größe behaftet. Die diskrete Akkumulation der statistisch verteilten mikroplastischen Schädigung soll in das numerische Modell der Diskreten-Elemente-Methode (DEM) mit aufgenommen werden, so dass sich auf numerischem Weg Lebensdauersimulationen durchführen lassen. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit den mathematischen Beweisen für die Gültigkeit der DEM als numerische Methode, sowohl für das mechanische als auch für das thermische Feld. Die Beweisführung erfolgt über eine vergleichende Betrachtung mit der Finite-Volumen-Methode (FVM), der Finite-Differenzen-Methode (FDM) und der Finite-Elemente-Methode (FEM). Dabei wird aus der FVM die Idee übernommen, dass physikalische Flüsse übertragen werden. Im Weiteren ergibt die Assemblierung von sechs Stäben, welche die physikalische Feldgröße übertragen, zusammen mit dem lokalen physikalischen Gleichgewicht den Finite-Differenzen-Stern der FDM. Zuletzt wird das globale Gleichgewicht mittels der FEM gewonnen. Im Nachlauf der Finite-Elemente-Rechnung lassen sich die Flussgrößen zurückbestimmen. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie die Kopplung des mechanischen und thermischen Feldes mittels der DEM vorgenommen werden kann. Dazu wird ausgeführt, wie die beiden Felder zusammen wirken und wie stark deren Kopplung ist. Abschließend wird eine Lebensdauersimulation an einer thermo-mechanisch belasteten virtuellen Probe vorgeführt. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, dass die DEM eine Methode ist, um partielle Differentialgleichungen zu lösen, sowohl für Einzelfelder, als auch für gekoppelte Felder. Außerdem kann der Werkstoff durch die Methode als ein Diskontinuum betrachtet werden, so dass sich Lebensdauersimulationen mittels eines erweiterten Werkstoffmodells vornehmen lassen.Item Open Access Thermodynamic analysis and numerical modeling of supercritical injection(2015) Banuti, Daniel; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Although liquid propellant rocket engines are operational and have been studied for decades, cryogenic injection at supercritical pressures is still considered essentially not understood. This thesis intends to approach this problem in three steps: by developing a numerical model for real gas thermodynamics, by extending the present thermodynamic view of supercritical injection, and finally by applying these methods to the analysis of injection. A new numerical real gas thermodynamics model is developed as an extension of the DLR TAU code. Its main differences to state-of-the-art methods are the use of a precomputed library for fluid properties and an innovative multi-fluid-mixing approach. This results in a number of advantages: There is effectively no runtime penalty of using a real gas model compared to perfect gas formulations, even for high fidelity equations of state (EOS) with associated high computational cost. A dedicated EOS may be used for each species. The model covers all fluid states of the real gas component, including liquid, gaseous, and supercritical states, as well as liquid-vapor mixtures. Numerical behavior is not affected by local fluid properties, such as diverging heat capacities at the critical point. The new method implicitly contains a vaporization and condensation model. In this thesis, oxygen is modeled using a modified Benedict-Webb-Rubin equation of state, all other involved species are treated as perfect gases. A quantitative analysis of the supercritical pseudo-boiling phenomenon is given. The transition between supercritical liquid-like and gas-like states resembles subcritical vaporization and is thus called pseudo-boiling in the literature. In this work it is shown that pseudo-boiling differs from its subcritical counterpart in that heating occurs simultaneously to overcoming molecular attraction. In this process, the dividing line between liquid-like and gas-like, the so called Widom line, is crossed. This demarcation is characterized by the set of states with maximum specific heat capacity. An equation is introduced for this line which is more accurate than previous equations. By analyzing the Clausius-Clapeyron equation towards the critical limit, an expression is derived for its sole parameter. A new nondimensional parameter evaluates the ratio of overcoming molecular attraction to heating: It diverges towards the critical point but shows a significant pseudo-boiling effect for up to reduced pressures of 2.5 for various fluids. It appears reasonable to interpret the Widom-line, which divides liquid-like from gas-like supercritical states, as a definition of the boundary of a dense supercritical fluid. This may be used to uniquely determine the radius of a droplet or the dense core length of a jet. Then, a quantitative thermodynamic analysis is possible. Furthermore, as the pseudo-boiling process may occur during moderate heat addition, this allows for a previously undescribed thermal jet disintegration mechanism which may take place within the injector. This thermal jet break-up hypothesis is then applied to an analysis of Mayer’s and Branam’s nitrogen injection experiments. Instead of the constant density cores as predicted by theory, the majority of their cases show an immediate drop in density upon entering the chamber. Here, three different axial density modes are identified. The analysis showed that heat transfer did in fact take place in the injector. The two cases exhibiting a dense core are the cases which require the largest amount of power to reach the pseudo-boiling temperature. After this promising application of pseudo-boiling analysis, thermal break-up is tested numerically. By accounting for heat transfer inside the injector, a non dense-core injection can indeed be simulated for the first time with CFD. Finally, the CFD model is applied to the A60 Mascotte test case, a reactive GH2/LOX single injector operating at supercritical pressure. The results are compared with experimental and other researcher’s numerical data. The flame shape lies well within the margins of other CFD results. Maximum OH* concentration is found in the shear layer close to the oxygen core and not in the shoulder, in agreement with experimental data. The axial temperature distribution is matched very well, particularly concerning position and value of the maximum temperature.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 Application-specific UML profiles for multidisciplinary product data integration(2011) Reichwein, Axel; Rudolph, Stephan (Priv.Doz. Dr.-Ing.)This thesis examines the suitability of the UnifiedModeling Language (UML) to establish a central product model for multidisciplinary product data integration. Computer-aided product design involves the use of specialized discipline-specific software applications in order to model and simulate various product aspects. Dependencies between models are thereby frequent as the same product information often appears redundantly in various engineering models. In addition, dependencies exist due to relationships between distinct features of various models. As a result, model modifications frequently require the update of dependent models. Data consistency between models is achieved automatically through model-to-model data exchange software. The use of a central product model enables to reduce the required number of data exchange connections. Central product models store product information which is spread across several models and achieve data consistency through data exchange connections between themselves and specific models as in a hub-and-spoke network. Central product models are especially useful for automatic data consistency in design scenarios which include a high number of inter-model dependencies and model modifications. The integration of geometry and therefrom derived models such as structural analysis or computational fluid dynamics models has already been successfully addressed in numerous central product models. However, the multidisciplinary integration of more diverse models, such as geometric, software, controller and multibody system models, currently presents a challenge. Although several central product models have been developed for multidisciplinary design, none has yet gained, in contrast to geometry-focused central product models, wide acceptance nor reached the status of an international standard. The unmanageable high number of diverse discipline- and application-specific modeling concepts hinders the development of a standardized holistic central product representation. This thesis investigates the possibility of establishing an interdisciplinary central product model based on the common modular structure of models from various disciplines. Most models which are edited with current state-of-the-art software applications are composed of modular components in order to support the exchange and reuse of model information. Models from different disciplines therefore share common modeling concepts for the specification of modular model components. However, there is yet no overarching modeling standard to describe the common characteristics of modular model components from various disciplines. Object-oriented modeling concepts currently mainly describe software modules called objects. Object-oriented modeling concepts are generic and can be used to represent modular components in general. The Unified Modeling Language (UML) has been since its emergence in 1997 the de facto standard for object-oriented modeling. This thesis examines the use of the object-oriented modeling concepts of the UML to uniformly describe widely used application-specific geometric, dynamic and multibody system models in a central product model. Application-specific model information was represented in UML through generic UML modeling concepts in combination with lightweight UML extensions in the form of stereotypes. UML profiles regrouped stereotypes which corresponded to a specific modeling application. The automatic translation of UML model information into the specific models and vice versa was implemented in order to test and validate the application-specific UML profiles. The UML-based central product model was used in several test cases to automatically generate consistent models for the simulation and evaluation of various product configurations. The test cases included models for the simulation of slider-crank mechanisms, the evaluation of cabin pressure control systems, the design of conveyor system configurations, the evaluation of satellite configurations and the generation of customized aircraft geometry. The workflows within the test cases included the automatic creation and modification of UML models as well as the invocation of data exchange connections. The workflows were described in executable UML activity diagrams or Java programs. The thesis demonstrates that the UML can be used beyond conventional software modeling to establish a central holistic product representation. The modeling concepts of geometric, dynamic and multibody system models were translated mostly according to one-to-one mappings into corresponding UML modeling concepts with their respective stereotype. As a result, the specific model information is easily recognizable in the UML-based central product model. Furthermore, the use of a UML-based central product model is facilitated for the many modelers who are already familiar with the widespread and standardized UML modeling language.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 Integrated flight loads modelling and analysis for flexible transport aircraft(2006) Reschke, Christian; Well, K. H. (Prof. Ph.D.)This thesis is concerned with the derivation of nonlinear equations of motion for flexible aircraft in flight. These equations are intended for the accurate simulation of the flight dynamics of flexible aircraft in general and for the analysis of resulting dynamic structural loads in particular. The main focus is on the inertial coupling effects between the maneuvering flight and structural dynamics of the airframe. The field of flight loads computation is concerned with the provision of loads due to maneuvering flight or turbulence. Hereby, the underlying simulation model consists of a model for the flexible aircraft as well as peripheral models, like the Electronic Flight Control System, a pilot model, etc. The analysis is performed for a variety of flight points and load cases. Subsequently a loads envelope is determined. It consists of maximum structural loads over the airframe due to prescribed maneuvers, gust and turbulence at different flight points and loading conditions. Traditionally, specific models are used for either maneuver loads or gust loads computation. A six degree of freedom (6DOF) nonlinear aircraft model is employed for maneuver simulation. The dynamic response of the aircraft due to turbulence and gust is estimated with linear aeroelastic models, primarily employed in the frequency domain. Particularly for large flexible transport aircraft, these specific models have important limitations. Commercial transport aircraft are getting larger and the airframes are becoming more slender and flexible due to lightweight design. This causes an increasing interaction of flight mechanics and structural dynamics, including inertial coupling effects. Therefore, it is important to extend 6DOF quasi-flexible maneuver loads models with finite element based full flexible aircraft models. Secondly, it may become necessary to perform dynamic response analysis in the time domain in order to account for nonlinear flight control systems. For this reasons a consistent mathematical model that integrates methods and data from both disciplines has to be developed. This implies a derivation of equations of motion and the development of equations for the computation of loads. Furthermore the integration of the respective aerodynamic models has to be addressed. In a first step the equations of motion are derived from first principles. The formulation is developed in such a way that industrial model data and industrial constraints can be considered and efficiently incorporated. The inertial coupling terms are cast in generalized form providing differential equations suited for rapid time domain simulation. In a second step the generalized equations of motion are augmented with a consistent set of nonlinear equations for the computation of internal structural loads over the airframe. The new formulation accounts for nonlinear flight mechanical motion and inertial coupling effects with structural dynamics. In a third step external forces, particularly aerodynamic forces that are driving the equations of motion are modeled. The approach is tailored towards the integration of industrial aerodynamic models used in maneuver loads and dynamic response analysis. The presented integration method extents the distributed quasi-flexible aerodynamic model as used for maneuver loads analysis by unsteady dynamic force increments. The developed set of equations of motion and equations of loads are implemented in a state-of-the-art industrial simulation environment in order to validate the formulation and to perform simulations. A relevant test case is studied to analyze maneuvering flight, dynamic response and structural loads. The influence of inertial coupling effects is emphasized and structural components that are significantly affected are indicated. The key result of this thesis is the increased precision of simulation and loads computation at the cost of a minimum increase of computing effort. No additional model data other than currently used for industrial maneuver loads and dynamic response analysis is required.Item Open Access Forming a hybrid intelligence system by combining Active Learning and paid crowdsourcing for semantic 3D point cloud segmentation(2023) Kölle, Michael; Sörgel, Uwe (Prof. Dr.-Ing.)While in recent years tremendous advancements have been achieved in the development of supervised Machine Learning (ML) systems such as Convolutional Neural Networks (CNNs), still the most decisive factor for their performance is the quality of labeled training data from which the system is supposed to learn. This is why we advocate focusing more on methods to obtain such data, which we expect to be more sustainable than establishing ever new classifiers in the rapidly evolving ML field. In the geospatial domain, however, the generation process of training data for ML systems is still rather neglected in research, with typically experts ending up being occupied with such tedious labeling tasks. In our design of a system for the semantic interpretation of Airborne Laser Scanning (ALS) point clouds, we break with this convention and completely lift labeling obligations from experts. At the same time, human annotation is restricted to only those samples that actually justify manual inspection. This is accomplished by means of a hybrid intelligence system in which the machine, represented by an ML model, is actively and iteratively working together with the human component through Active Learning (AL), which acts as pointer to exactly such most decisive samples. Instead of having an expert label these samples, we propose to outsource this task to a large group of non-specialists, the crowd. But since it is rather unlikely that enough volunteers would participate in such crowdsourcing campaigns due to the tedious nature of labeling, we argue attracting workers by monetary incentives, i.e., we employ paid crowdsourcing. Relying on respective platforms, typically we have access to a vast pool of prospective workers, guaranteeing completion of jobs promptly. Thus, crowdworkers become human processing units that behave similarly to the electronic processing units of this hybrid intelligence system performing the tasks of the machine part. With respect to the latter, we do not only evaluate whether an AL-based pipeline works for the semantic segmentation of ALS point clouds, but also shed light on the question of why it works. As crucial components of our pipeline, we test and enhance different AL sampling strategies in conjunction with both a conventional feature-driven classifier as well as a data-driven CNN classification module. In this regard, we aim to select AL points in such a manner that samples are not only informative for the machine, but also feasible to be interpreted by non-experts. These theoretical formulations are verified by various experiments in which we replace the frequently assumed but highly unrealistic error-free oracle with simulated imperfect oracles we are always confronted with when working with humans. Furthermore, we find that the need for labeled data, which is already reduced through AL to a small fraction (typically ≪1 % of Passive Learning training points), can be even further minimized when we reuse information from a given source domain for the semantic enrichment of a specific target domain, i.e., we utilize AL as means for Domain Adaptation. As for the human component of our hybrid intelligence system, the special challenge we face is monetarily motivated workers with a wide variety of educational and cultural backgrounds as well as most different mindsets regarding the quality they are willing to deliver. Consequently, we are confronted with a great quality inhomogeneity in results received. Thus, when designing respective campaigns, special attention to quality control is required to be able to automatically reject submissions of low quality and to refine accepted contributions in the sense of the Wisdom of the Crowds principle. We further explore ways to support the crowd in labeling by experimenting with different data modalities (discretized point cloud vs. continuous textured 3D mesh surface), and also aim to shift the motivation from a purely extrinsic nature (i.e., payment) to a more intrinsic one, which we intend to trigger through gamification. Eventually, by casting these different concepts into the so-called CATEGORISE framework, we constitute the aspired hybrid intelligence system and employ it for the semantic enrichment of ALS point clouds of different characteristics, enabled through learning from the (paid) crowd.Item Open Access Multiscale and multiphase modeling and numerical simulation of function-perfusion processes in the liver(Stuttgart : Institut für Statik und Dynamik der Luft und Raumfahrtkonstruktionen, Universität Stuttgart, 2023) Lambers, Lena; Ricken, Tim (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Shape derivatives and shock capturing for the Navier-Stokes equations in discontinuous Galerkin methods(2017) Sonntag, Matthias; Munz, Claus-Dieter (Prof. Dr.)This work addresses two different topics, the shape derivatives for the compressible Navier-Stokes equations on the one hand and, on the other hand, the treatment of shocks or other flow discontinuities in Discontinuous Galerkin methods. There is a strong demand for very efficient methods for shape optimization in the aerospace industry, for example drag reduction or lift maximization of an aircraft. The use of gradient based optimization schemes requires derivatives of the cost function with respect to the shape of an object. With the shape derivatives presented in this work, these derivatives can be calculated independent of the parametrization of the object's shape, and, since the derivation takes place in the continuous space, they can be applied to almost any discretization. Nevertheless, one has to take the numerical scheme, which is later applied, into account. For methods based on the variational formulation a difference in the shape derivative, compared to the pointwise approach, arises, which cannot be neglected. Hence, one objective of this work is to derive the shape derivatives of the drag- and lift-coefficient for the Navier-Stokes equations in variational formulation and compare it with the pointwise approach both analytically and numerically. A discrepancy has to be expected, especially for flow phenomena with high gradients or discontinuities which do not fulfill the strong form of the governing equations. These flow phenomena require a special treatment in numerical methods of high order. In the second part of this work, a shock capturing for the Discontinuous Galerkin method is developed which prevents the oscillations originating from the approximation of discontinuities with high order polynomials. Therefore a hybrid approach is presented, where the original DG scheme is coupled with a second order Finite Volume method. In all elements containing shocks or discontinuities the operator of the DG method is replaced by the Finite Volume scheme. This scheme is, due to the use of slope limiters, well known for its strengths in handling shocks. However, in regions where the flow is smooth the Finite Volume method requires a finer resolution for the same accuracy than the Discontinuous Galerkin scheme. Using the same mesh for the FV method as for the DG scheme would lead to a big reduction in resolution. Hence, to compensate this loss the original elements of the mesh are divided into logical sub-cells. By associating exactly one Finite Volume sub-cell to each degree of freedom of a DG element, the same data structures can be used. This enables an efficient implementation of the outlined shock capturing designated for high performance computations. Therefore, not only the basic properties of this hybrid DG/FV sub-cell approach are investigated with several examples, but also studies regarding the parallel efficiency are performed.