06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access An approach for automated detection and classification of pavement cracks(2017) Al-Mistarehi, Bara'; Schwieger, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil.)Item Open Access Data mining in GRACE monthly solutions(2019) Javaid, Muhammad Athar; Keller, Wolfgang (Prof. Dr. sc. techn.)Item Open Access Anwendung und Bewertung numerischer und experimenteller Methoden zur Analyse und Entwicklung eines Zweitakt-Freikolbenmotors(2017) Haag, Johannes Andreas; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die vorliegende Arbeit behandelt die Untersuchung und Entwicklung des verbrennungsmotorischen Teilsystems eines Freikolbenmotors mit elektrischer Energieauskopplung. Dieser sogenannte Freikolbenlineargenerator (FKLG) zeichnet sich durch einen freischwingenden Aufbau ohne die mechanische Zwangsführung eines Kurbeltriebes aus. Der Verbrennungskolben, der Läufer des Lineargenerators und der Gasfederkolben sind zu einer Kolbeneinheit zusammengefasst, die zwischen der Gasfeder und dem verbrennungsmotorischen Brennraum schwingt. Dieser Aufbau führt zu neuen Freiheitsgraden in der verbrennungsmotorischen Prozessführung, da Verdichtungsverhältnis und Kolbenhubkurve variabel angepasst werden können. Ein mögliches Anwendungsgebiet des Freikolbenlineargenerators ist der Einsatz als mobile Stromerzeugungseinheit in einem batterieelektrischen Fahrzeug. In vorangegangenen Arbeiten wurden der Lineargenerator, die Gasfeder und das verbrennungsmotorische Teilsystem der ersten Generation entwickelt und untersucht. Dies erfolgte schwerpunktmäßig im Hinblick auf die Regelung eines freischwingenden Gesamtsystems. Die vorliegende Arbeit rückt die Prozesse im Brennraum des verbrennungsmotorischen Teilsystems in den Vordergrund. Die Herausforderungen des Zweitakt-Arbeitsprozesses im Freikolbenlineargenerator sind der ventilgesteuerte Ladungswechsel mit Kopfumkehrspülung, die innere Gemischbildung und die Verbrennung bei hohen Restgasgehalten. Zur Analyse und Optimierung dieser innermotorischen Vorgänge werden Entwicklungsverfahren ausgearbeitet, angewendet und bewertet. Das Zielbild ist dabei ein effizienter, stabiler und emissionsarmer verbrennungsmotorischer Prozess unter Ausnutzung der konzeptbedingten Variabilitäten. Durch den Einsatz eines vollvariablen Ventiltriebsystems unterscheiden sich die Bedingungen des Ladungswechsels im kopfumkehrgespülten Brennraum des FKLG deutlich von denen in klassischen schlitzgesteuerten Zweitakt-Motoren. Das Entwicklungsverfahren zur Analyse der innermotorischen Strömungsfelder während des Ladungswechsels kombiniert Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen mit strömungsmechanischen Simulationen. Hierzu wurde ein Prüfstandsaufbau entwickelt, der eine Vermessung der Strömungsfelder im ungefeuerten Betrieb erlaubt. Simulations- und Messergebnisse zeigen übereinstimmend eine Überlagerung aus Tumble- und Drall-Strömung im Zylinder. Während sich die Simulation zur Voraussage der charakteristischen Strömungsstrukturen sehr gut eignet, sind der Genauigkeit, mit der lokale Strömungsgeschwindigkeiten berechnet werden können, Grenzen gesetzt. Der dargelegte laserdiagnostische Messaufbau erlaubt eine Einordnung der Simulationsergebnisse und sichert damit die Analyse der Zylinderinnenströmung wesentlich ab. Das Entwicklungsverfahren zur Untersuchung einer homogenen selbstzündenden Verbrennung in einem verbrennungsmotorischen Teilsystem der zweiten Generation basiert auf der Kombination von strömungsmechanischen Simulationen mit experimentellen Untersuchungen am Verbrennungsmotorprüfstand. Dabei wird ein auf innermotorische Anwendungen optimierter Simulationsansatz eingesetzt, der die strömungsmechanischen Vorgänge im Brennraum und den strömungsführenden Kanälen über mehrere Arbeitsspiele bei vergleichsweise geringen Rechenzeiten räumlich abbildet. In der vorliegenden Arbeit wird der Entwicklungsprozess von Auslegungssimulationen über die Konstruktion bis hin zur experimentellen Untersuchung eines homogenen selbstzündenden Brennverfahrens im neuen Versuchsträger beschrieben. Das verbrennungsmotorische Teilsystem der zweiten Generation ermöglicht Betriebsstrategien mit innerer Abgasrückführung, sodass durch hohe Restgasgehalte eine Selbstzündung der Zylinderladung eingeleitet wird. Am hydraulisch unterstützten Verbrennungsmotorprüfstand wird erstmalig ein homogenes selbstzündendes Brennverfahren in einem Freikolbenmotor dieser Bauart experimentell untersucht. Die Messergebnisse weisen nach, dass eine dynamische Anpassung der Kolbenbewegung positiv zur Steuerung des Zündzeitpunktes und damit der Wärmefreisetzung genutzt werden kann. Die ermittelten Druckanstiegsraten liegen bei gleichem Mitteldruck deutlich unter den Vergleichswerten von kurbelwellenbasierten Verbrennungsmotoren mit homogener Selbstzündung. Der eingesetzte innovative Simulationsansatz zeigt sich als ideales Werkzeug zur Analyse und Auslegung des verbrennungsmotorischen Teilsystems. Im Zuge der Entwicklung des verbrennungsmotorischen Teilsystems der zweiten Generation zeigte sich, dass zur Verbesserung der Gemischbildung und -aufbereitung eine genauere Betrachtung des Einspritzvorgangs erforderlich ist. Das hierzu angewandte Entwicklungsverfahren kombiniert räumlich hochaufgelöste Strömungssimulationen mit laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) Messungen. Die laserdiagnostische Untersuchung des Einspritzvorgangs erfolgt an einem optisch zugänglichen Versuchsträger im gefeuerten Betrieb. Es wird ein Messaufbau des LIF Verfahrens eingesetzt, der das bestrahlende Laserlicht und das Fluoreszenzsignal durch nur ein Fenster im Kolbenboden in den Brennraum ein- und auskoppelt. Ein Vergleich der Simulation mit laserdiagnostischen Messergebnissen zeigt, dass erst durch eine iterative Anpassung der Einspritzrichtung jedes Spraykegels die Kraftstoffausbreitung in der Simulation realitätsnah wiedergegeben wird. Das Entwicklungsverfahren verdeutlicht, dass trotz des höheren Detaillierungsgrades des Simulationsansatzes eine Untersuchung des Einspritzvorgangs ausschließlich auf Basis von Strömungssimulationen nicht verlässlich und ein Abgleich mit Messdaten entsprechend wichtig ist. Durch die Anwendung der in dieser Arbeit vorgestellten Entwicklungsverfahren werden wichtige grundlegende Erkenntnisse über die innermotorischen Vorgänge im verbrennungsmotorischen Teil des Freikolbenlineargenerators erlangt. Im Hinblick auf eine weiterführende Entwicklung des Motorenkonzeptes bildet die Arbeit eine Basis für den zielgerichteten Einsatz numerischer und laserdiagnostischer Methoden.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 Application of spaceborne geodetic sensors for hydrology(2013) Tourian, Mohammad Javad; Sneeuw, Nico (Prof. Dr.-Ing.)How much freshwater do we have on land? How is the freshwater cycle changing with time? Actually, we can not properly answer these questions as our knowledge of the spatial and temporal dynamics of the hydrological cycle is limited. The lack of knowledge is mainly induced by shortage of observational evidence, which motivates the objective of this study: the monitoring of the hydrological cycle using spaceborne geodetic sensors. Among the current space geodetic sensors, GRACE and satellite altimetry are the two active mission concepts, that can capture part of the hydrological cycle. However, monitoring the hydrological cycle using these two sensors is challenging. Satellite altimetry is investigated as an independent spaceborne sensor that provides the water level and discharge time series. An algorithm is developed to improve the quality of water level time series over inland water surfaces. This algorithm particularly deals with the challenges of resolution and uncertainty of altimetry. The obtained altimetric water level time series is validated against in situ measurements showing about 10% improvement in accuracy of the time series. Moreover, this study proposes an algorithm to reduce the random noise from pre-retracked data. The algorithm combines the results of different retrackers and provides water level time series with reduced noise level. The validation shows a significant reduction of noise level and a clear improvement in correlation with in situ measurements. Moreover, this study proposes a statistical approach based on quantile functions to infer a functional relationship between altimetric water level and in situ river discharge without the need for synchronous data sets. This method is based on a scatter diagram of quantile functions, in which the probability-coordinate is eliminated. In contrast, the conventional methods for simultaneous measurements operate directly on time series and eliminate the time-coordinate. The results show that the proposed methodology provides the same range of error as the common conventional empirical method. The good performance of the statistical approach supports the usage of altimetry to salvage pre-satellite altimetry discharge data and turn them into active use for the satellite altimetry time frame. In addition, a stochastic process model is implemented to (i) deal with the data outages in altimetric discharge, (ii) provide a scheme for data assimilation and (iii) smooth the discharge estimation. The model benefits from the cyclostationary behaviour of the discharge and is combined with the estimated discharge from altimetry and available in situ measurements to form a linear dynamic system. The dynamic system is solved using the Kalman filter, that provides an unbiased discharge with minimum variance. The error level of the results is comparable to the empirical approach. In this study, the utility of GRACE data as sensor of hydrological water storage changes is shown to be limited by the following challenges: consistency, resolution, separability and uncertainty. The challenge of inconsistency is addressed by developing two filters for hydrological and hydro-meteorological water storage changes, which lead to a better correlation with GRACE mass storage changes. The challenges of separability and resolution are not specifically investigated in this study, yet their consequences, which appear in different forms of uncertainties is investigated. To deal with the GRACE uncertainties, an algorithm is developed to detect outliers in monthly solutions. The outliers have been corrected by replacing them by an inter-annual monthly mean of the respective month. The results conclude that outlier identification and correction must be performed before further assimilation of GRACE products into hydrological or hydro-meteorological analysis. Further, a longrange correlation has been identified as another source of uncertainty in GRACE monthly solutions. EOF analysis is employed to identify the zonal behaviour of the GRACE C20 errors as the responsible source for the long-range correlation. It is considered as an error source because its residual contains tidal aliasing errors instead of white noise. Therefore, to reduce the uncertainties in GRACE monthly solutions, tidal aliasing errors are also investigated. Primary and secondary tidal aliasing errors of main tidal constituents, S1, S2, P1, K1, K2, M2, O2, O1 and Q1 are identified in GRACE monthly solutions. The effect of tidal aliasing error is estimated using a least squares Fourier analysis indicating errors up to 22mm over the globe. In general, after dealing with GRACE’s challenges and achieving a data set without outliers, long-range correlation and tidal aliasing errors, the noise level of GRACE is quantified. The quantification shows a variation between 2–20mm/month over different parts of the globe, with higher values over tropical and boreal regions. The results specifically confirm that small catchments in the tropics contain more noise contamination. It is also shown that a lower noise level of a catchment does not necessarily lead to a better correlation of GRACE with hydro-meteorological signal. Finally, the joint performance of spaceborne geodetic sensors for estimating the actual evapotranspiration ETa is assessed. There, two approaches are introduced to estimate ETa using the results of GRACE and satellite altimetry. The results of both approaches are compared with different models and their ensemble mean. All in all, given the obtained relative discrepancy, the methods seem to be a viable way for determining ETa for most non-desert catchments containing hot and warm summers.Item Open Access Über Ordnungsmechanismen im wissensbasierten Entwurf von SCR-Systemen(Stuttgart : Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen, Universität Stuttgart, 2016) Vogel, Samuel; Rudolph, Stephan (PD Dr.-Ing.)Die in den Industrie- und Schwellenländern gültige Emissionsgesetzgebung macht bei der Verwendung von Dieselmotoren eine außermotorische Abgasreinigung notwendig. Dies betrifft nicht nur Fahrzeuganwendungen auf der Straße, sondern auch Off-Highwayanwendungen wie Marine, Bahn und Industrie. SCR-Systeme (selective catalytic reduction systems) stellen in diesen Anwendungen die bevorzugte Technologie zur Stickoxidreduktion dar. SCR-Systeme sind robust gegenüber Kraftstoffen mit erhöhten Schwefelgehalten und erlauben es, den Basismotor auf höhere Stickoxidrohemissionen zu trimmen. Dies führt im Allgemeinen zu geringeren Kraftstoffverbräuchen und stellt damit ein Beitrag zur CO2-Reduktion dar. Die individuellen Einsatzprofile und geringen Stückzahlen in den Off-Highwayanwendungen erfordern einen besonders effizienten Entwurfsprozess der SCR-Systeme. Dieser kann mit Hilfe graphenbasierter Entwurfssprachen realisiert werden. Die wissensbasierte Entwurfsmethode der Entwurfssprachen stellt ein digitales, regelbasiert ausführbares Abbild des Entwurfsprozesses her. Das Entwurfswissen wird in Form von Regeln und Vokabeln abgelegt. Durch automatisierte Analyse- und Simulationsschleifen werden im Produktionssystem Entwurfsentscheidungen auf Basis objektiver Analyseergebnisse getroffen. Ausgehend von gegebenen Anforderungen (Emissionsziele, Motordaten, Bauraum, etc.) werden digitale Entwürfe von SCR-Systemen erzeugt und anhand regelbasiert generierter Simulationsmodelle (z.B. Strömungssimulation) validiert. Damit wird eine Beschleunigung des Entwurfsprozesses von SCR-Systemen um mehr als eine Größenordnung erreicht. Die dafür notwendigen CAD-Geometrien der verwendeten Rohrleitungen werden aus standardisierten Rohrbögen mit konstanten Bogenwinkeln und Radien erzeugt. Für die Synthese dieser Rohrstrecken wird ein Optimierungsalgorithmus (Simulated Annealing) eingesetzt. Dabei werden topologische Variationen mit Hilfe einer analytischen Konstruktionsvorschrift (Kegel-Kegel-Fasskreis-Konstruktion) dargestellt. Diese erlaubt einen schnellen und robusten Austausch einzelner Bogenelemente unter Beibehaltung der Gültigkeit der Rohrstrecke. Parametrische Änderungen der Rohrstrecke werden mit Hilfe eines Starrkörpersimulators durchgeführt. Das digitale Abbild des Entwurfsprozesses enthält analytische Gleichungen. Die Lösungssequenz dieser Gleichungen muss bei der Ausführung der Entwurfssprache automatisch bestimmt werden. Dies wird mit Hilfe eines Lösungspfadgenerators realisiert. In der vorliegenden Arbeit wird dazu auf Basis von Symmetriebetrachtungen ein selbstassemblierender Lösungspfadalgorithmus entwickelt. Dieser erlaubt, im Regelfall zyklenfreier Kopplungen, eine generische Parallelisierung der Lösungspfadfindung und führt so zu einer erheblichen Beschleunigung, verglichen mit klassischen graphenbasierten Algorithmen. Daneben wird ein Mechanismus zur Bestimmung der Abfolge einzelner Entwurfsschritte entwickelt. Durch eine systematische Sequenzialisierung des Entwurfsprozesses kann eine Reduktion der Entwurfskomplexität erreicht werden. Die mit den Produktanforderungen verträglichen Auslegungen der zu integrierenden Systeme bilden dabei Teilmengen im Raum der Entwurfsfreiheitsgrade. Aus der mathematischen Dimension dieser Teilmengen lässt sich eine bevorzugte Entwurfssequenz bestimmen: Bei der sequenziellen Integration zweier Teilsysteme sollte mit der Auslegung des niederdimensionaleren Teilsystems - dem System mit weniger Freiheitsgraden - begonnen werden. Das Prinzip der dimensionsabhängigen Entwurfsabfolge kann neben der Strukturierung des Entwurfsprozesses auch als Basis eines zukünftig selbstorganisierten Entwurfsprozesses dienen.