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 Simulating asteroid impacts and meteor events by high-power lasers : from the laboratory to spaceborne missions(2023) Ferus, Martin; Knížek, Antonín; Cassone, Giuseppe; Rimmer, Paul B.; Changela, Hitesh; Chatzitheodoridis, Elias; Uwarova, Inna; Žabka, Ján; Kabáth, Petr; Saija, Franz; Saeidfirozeh, Homa; Lenža, Libor; Krůs, Miroslav; Petera, Lukáš; Nejdl, Lukáš; Kubelík, Petr; Křivková, Anna; Černý, David; Divoký, Martin; Pisařík, Michael; Kohout, Tomáš; Palamakumbure, Lakshika; Drtinová, Barbora; Hlouchová, Klára; Schmidt, Nikola; Martins, Zita; Yáñez, Jorge; Civiš, Svatopoluk; Pořízka, Pavel; Mocek, Tomáš; Petri, Jona; Klinkner, SabineMeteor plasmas and impact events are complex, dynamic natural phenomena. Simulating these processes in the laboratory is, however, a challenge. The technique of laser induced dielectric breakdown was first used for this purpose almost 50 years ago. Since then, laser-based experiments have helped to simulate high energy processes in the Tunguska and Chicxulub impact events, heavy bombardment on the early Earth, prebiotic chemical evolution, space weathering of celestial bodies and meteor plasma. This review summarizes the current level of knowledge and outlines possible paths of future development.Item Open Access The effects of airfoil thickness on dynamic stall characteristics of high‐solidity vertical axis wind turbines(2021) Bangga, Galih; Hutani, Surya; Heramarwan, HenidyaThe flow physics of high solidity vertical axis wind turbines (VAWTs) is influenced by the dynamic stall effects. The present study is aimed at investigating the effects of airfoil thickness on the unsteady characteristics of high solidity VAWTs. Seven different national advisory committee for aeronautics (NACA) airfoils (0008, 0012, 0018, 0021, 0025, 0030, 0040) are investigated. A high fidelity computational fluid dynamics (CFD) approach is used to examine the load and flow characteristics in detail. Before the study is undertaken, the CFD simulation is validated with experimental data as well as large eddy simulation results with sound agreement. The investigation demonstrates that increasing the airfoil thickness is actually beneficial not only for suppressing the dynamic stall effects but also to improve the performance of high solidity turbines. Interestingly this is accompanied by a slight reduction in thrust component. The strength and radius of the dynamic stall vortex decrease with increasing airfoil thickness. The airfoil thickness strongly influences the pressure distributions during dynamic stall process, which is driven by the suction peak near the leading edge. The knowledge gained might be used by blade engineers for designing future turbines and for improving the accuracy of engineering models.Item Open Access Experiments on the laminar to turbulent transition under unsteady inflow conditions(2023) Romblad, Jonas; Krämer, Ewald (Prof. Dr.-Ing.)Natural laminar flow (NLF) airfoils are key to the performance of sailplanes and wind turbines. They provide a significant reduction of friction drag by delaying the transition from laminar to turbulent boundary layer. However, the most common method for transition prediction in NLF airfoil design, the e^n method (Mack 1977), has limited capabilities for taking inflow turbulence into account. The current work employs wind tunnel experiments to study how the transition on an NLF airfoil is affected by free-stream turbulence. The effect of small- and large-scale turbulence is studied separately, as well as in combination. In the wind tunnel, turbulence grids generate small-scale turbulence, and a gust generator induces inflow angle oscillations corresponding to large-scale turbulence. The study includes a detailed characterization of the turbulence generated by grids placed in the settling chamber of the wind tunnel. The Reynolds number Re = 3400000 and the airfoil pressure distribution is matched to cruise or dash flight of general aviation aircraft. The results are compared with direct numerical simulation, linear stability theory (LST) and flight measurements. The results show that small-scale turbulence does have an influence on the transition location in the investigated range of turbulence level, 0.01% < Tu < 0.11%. The modified e^n method (Mack 1977) captures the general trend, but the sensitivity to Tu is airfoil dependent. The effects of 2D, single-mode inflow angle oscillations are investigated in the range of reduced frequency 0.06 < kappa < 1.7. In this range, the transition process changes from quasi-steady to clearly unsteady, but a fully convective transition mode is not formed. This is an intermediate range of unsteady flow in which trajectory-following LST is able to capture the main features of the unsteady transition process. No significant interaction between the effects of small- and large-scale turbulence are observed in the investigated range of Tu and kappa, indicating that the effects can be superposed.Item Open Access Editorial - physics of droplets(2024) Planchette, Carole; Lamanna, Grazia; Pan, Kuo-LongItem Open Access In silico modeling of coupled physical‐biogeochemical (P‐BGC) processes in Antarctic Sea ice(2021) Thom, Andrea; Ricken, TimAntarctic sea ice formation in the Marginal Ice Zone (MIZ) and its mutual effects on ocean biology and chemistry is very sensitive to climate change. The formation of ’pancake’ ice floes and the coupled physical‐biogeochemical (P‐BGC) processes can be modeled by using the continuum mechanical multi‐phase description of the extended Theory of Porous Media (eTPM), and simulated with the Finite Element Method (FEM). The ice formation is described via a salinity‐temperature equilibrium of the enclosed ocean water. The growth of the thriving ice algae, enclosed and attached to the pancake ice floes, is modeled with a phenomenological approach given with an ordinary differential equation.Item Open Access The numerous phases of the interstellar medium in the starburst galaxy NGC 253 : a multi-wavelength study(2024) Beck, André; Krabbe, Alfred (Prof. Dr.)The physical properties of the nuclear region of the starburst galaxy NGC 253 are analysed using observations from various mid- to far-infrared telescopes. The data of these telescopes are homogeneously reduced and combined. Afterwards, the data are used in a complex Monte-Carlo to determine the physical conditions in the observed region.Item Open Access Computational studies of massively separated wake flows of transport aircraft(2021) Waldmann, Andreas; Krämer, Ewald (Prof. Dr.)This work focuses on the investigation of flow phenomena associated with low speed stall using a representative commercial transport aircraft configuration. Subsonic stall at high Reynolds number involves a highly complex turbulent flow field, which is difficult to analyze in ist entirety via experimental methods. Various computational approaches based on URANS and hybrid RANS/LES were evaluated, utilizing validation data from the European Transonic Windtunnel. Scale-resolving computational approaches were leveraged to gain deeper insight into the processes occurring in such a wake. DDES-based methods were found to be able to resolve the flow features occurring at the separation location and in the wake. An extensive study on the impact of solver settings, computational grids, model geometry and inflow Reynolds number was carried out in order to permit a validation of the chosen approach. Using these findings, the massively separated wake flow was studied at three angles of attack in post stall conditions. Three different regimes of formation of the separated wake were identified via the main locations where turbulence kinetic energy is produced. Analysis of anisotropy, turbulence length scales and signal characteristics provided insight into the propagation of the wake and the mixing processes. Modal analysis of the wake dynamics enabled the detection of a near-wing recirculation area and a von Kármán vortex street in the wake. Flow structures associated with both phenomena result in tailplane load fluctuations at their respective characteristic frequencies.Item Open Access Thin-disk multipass amplifier for power scaling of ultrafast lasers(2024) Dominik, John; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr.)Item Open Access Development of a passively Q-switched microchip laser operating at 914 nm for automotive lidar applications(2022) Nägele, Marco; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Die meisten Festkörperlaser besitzen Emissionswellenlängen oberhalb eines Mikrometers und können deshalb nicht für moderne Lidarsysteme in Kombination mit günstiger und weit etablierter siliziumbasierten Detektortechnologie verwendet werden. Ziel dieser Arbeit ist daher die Untersuchung und Realisierung eines passiv gütegeschalteten Nd3+:YVO4 Lasers bei einer Wellenlänge von 914nm für die Anwendung in einem automobilen Lidar Sensor. Zur Untersuchung der für die Lidaranwendung relevanten Laserparameter werden insgesamt drei experimentelle Resonatorkonfigurationen verwendet. Die Konfigurationen sind dabei so gewählt, dass die Laserparameter möglichst entkoppelt vom Gesamtsystem analysiert werden können. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass der quasikontinuierlich gepumpte Nd3+:YVO4 Laser Pulsdauern im einstelligen Nanosekundenbereich und Pulsenergien von knapp 40 μJ erreichen kann. Zudem lässt sich für eine mögliche Lidaranwendung die Repetitionsrate bis ungefähr 60 kHz über die verwendete Pumpleistung skalieren. Der Vergleich mit der Theorie basierend auf Ratengleichungen zeigt eine gute Übereinstimmung zum Experiment, woraus sich das zukünftige Potential des Lasers für mögliche Anwendungen abschätzen lässt. Über alle Untersuchungen hinweg konnte eine sehr gute Strahlqualität beobachtet werden, was in der Lidaranwendung ein hervorragendes Auflösevermögen verspricht. Neben der Betrachtung verschiedener Systemzusammenhänge mittels experimenteller Konfigurationen wird ein kompakter, monolithischer, passiv gütegeschalteter Demonstratoraufbau im Einzelpulsbetrieb bei einer Wiederholrate von 200 Hz präsentiert. Hierbei kommt als Pumplaser ein 808nm Breitstreifen-Diodenlaser zum Einsatz, welcher verglichen mit einem fasergekoppelten Laserdiodenmodul nicht nur ein deutlich kompakteres Gesamtsystem verspricht, sondern ebenfalls eine schmalere Linienbreite besitzt. Folglich kann das Gesamtsystem allein durch Anpassung des Pumplaserstroms und ohne aktive Temperaturstabilisierung in einem Temperaturbereich von 20-50 °C stabil betrieben werden. Zudem liefert der kurze Resonator des monolithischen Laserkristalls nicht nur kurze Pulsdauern, sondern ermöglicht ebenfalls den Betrieb auf einer einzelnen longitudinalen Mode und folglich spektrale Emissionsbandbreiten von wenigen Pikometern. Hierdurch ergibt sich für Langzeitmessungen über 60 Minuten eine hervorragende Stabilität der spektralen Eigenschaften, der Pulsenergie und der Pulsdauer.