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 Messungen im Bereich eines Windparks mit Fokus auf tief- und niederfrequente Schallemissionen und -immissionen(2022) Blumendeller, Esther; Gaßner, Laura; Müller, Florian; Wigger, Maayen; Berlinger, Philipp; Cheng, Po WenDie Nutzung von Windenergie wird einen entscheidenden Anteil am erneuerbaren Energiemix der Zukunft haben. Während der Stromgewinnung geben Windenergieanlagen (WEA) Schall und Erschütterungen (seismische Wellen) in die Umgebung ab, vor allem im tieffrequenten Bereich. Im Zuge des interdisziplinären Verbundprojektes Inter-Wind werden akustische Messungen zur Unterstützung psychologischer Fragebögen, kombiniert mit seismischen und meteorologischen Messungen an Windparks auf der Schwäbischen Alb durchgeführt. Ziel des Projektes ist es, die Gründe für Belästigung der Anwohner in Zusammenhang mit den Immissionen der WEA zu verstehen. Hierbei liegt der Fokus auf dem tieffrequenten (20-200 Hz) und niederfrequenten (1-20 Hz) Bereich. Akustische und seismische Messungen wurden an einem Windpark auf der Schwäbischen Alb, mit drei WEA des Typs GE 2.75-120 durchgeführt. Parallel dazu konnten Anwohner Belästigungszeiträume über eine Geräuschmelde-App dokumentieren. In diesem Beitrag wird die Umsetzung einer interdisziplinären Messkampagne im Bereich des Tegelberg Windparks und eines Wohngebäudes in Tallage in ca. 1 km Entfernung zum Windpark beschrieben. Schließlich werden erste Ergebnisse der akustischen Messungen und interdisziplinären Untersuchung vorgestellt und diskutiert.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 Analyse zweier Kameras für die UAS-Luftbilderfassung(2014) Leinss, BenediktDie vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei Kamerasystemen, welche in der photogrammetrischen Luftbilderfassung mithilfe von unbemannten Fluggeräten (sog. UAVs -- unmanned aerial vehicles) zum Einsatz kommen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einer vergleichenden Analyse der Bildqualität beider Kameras. Die Luftbilderfassung mit unbemannten Fluggeräten stellt eine kostengünstige Alternative zur bemannten Luftbildphotogrammetrie dar und gewinnt insbesondere bei der Erfassung kleinräumiger Gebiete zunehmend an Bedeutung. Das Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg führte daher 2012 in Zusammenarbeit mit dem Institut für Flugmechanik und Flugregelung (iFR) und dem Institut für Photogrammetrie (ifp) der Universität Stuttgart im Rahmen des Pilotprojekts "UAV@LGL" zwei Befliegungen an den Felsengärten bei Hessigheim mit zwei unterschiedlichen UAV-Trägersystemen und Kameras durch, wobei das Potential der Datenerfassung mittels UAS (unmanned aerial system) am praktischen Beispiel analysiert werden sollte. Die im ersten Flug eingesetzte digitale Kompaktkamera "Canon IXUS 100 IS" wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst unter anderem durch eine Hardware-Modifikation zur Vermeidung von Bewegungsunschärfen optimiert. Nach einer Markterhebung unter Berücksichtigung photogrammetrischer Anforderungen sollte ein alternatives Kamerasystem empfohlen werden. Diese digitale Systemkamera "Ricoh GXR Mount A12" wurde in Kombination mit einem Zeiss-Objektiv beim zweiten Flug eingesetzt. Zuvor galt es, die Kamera in das UAV-Trägersystem zu integrieren, sodass sich die Kamera über den Bordrechner des Fluggeräts auslösen lässt. In mehreren Testreihen wurde dabei auch die Auslöseverzögerung und Bildfolgezeit der Kamera ermittelt. Als Testmuster zur Analyse des geometrischen Auflösungsvermögens der Kameras dienten bei den Befliegungen am Boden ausgelegte Siemenssterne. Diese, aber auch weitere Bilddaten aus terrestrischen Untersuchungen mit Siemenssternen auf dem Campus der Universität Stuttgart, werden in einem MATLAB-Programm ausgewertet, welches bereits am ifp zur Verfügung stand, jedoch insbesondere zum Zweck der Analyse mehrerer Siemenssterne in einem Bild erweitert und um Ausgabegrafiken ergänzt wurde. Auch weitere Tests hinsichtlich der radiometrischen Bildqualität (chromatische Aberration, Vignettierung, Farbtreue, Bildrauschen, Dynamikumfang), welche teilweise im Testlabor der Firma "Image Engineering" in Köln/Frechen stattfanden, sind Gegenstand dieser Arbeit. Darüberhinaus wurden in photogrammetrischen Kamerakalibrierungen weitere Qualitätsaskpekte wie Punkt- und Längenmessgenauigkeit sowie die radialsymmetrische und tangentiale Verzeichnung evaluiert. Neben der detaillierten Gegenüberstellung der Ergebnisse dieser Untersuchungen erfolgt zur abschließenden Einschätzung der Bildqualität der beiden Kameras auch ein Vergleich zu professionellen Luftbildkameras, unter anderem zur digitalen Mittelformatkamera "DigiCAM" der Ingenieurgesellschaft für Interfaces mbH, welche hierzu ebenfalls einigen empirischen Untersuchungen unterzogen wurde. Die vorliegenden Resultate sprechen für eine insgesamt deutlich bessere Bildqualität des Ricoh/Zeiss-Kamerasystems gegenüber der Canon-Kompaktkamera. Bei einigen Bildqualitätsmerkmalen kann sich diese vergleichsweise günstige Systemkamera sogar mit der untersuchten professionellen "DigiCAM" messen.Item Open Access Computational simulation of fluid-structure interaction of soft kites(Stuttgart : University of Stuttgart, Institute of Mechanics, Structural Analysis and Dynamics, 2018) Adam, Niklas JohannesIn order to aid the development and automation of airborne wind energy (AWE) systems, the foundation for fluid-structure interaction (FSI) simulations considering soft kites is developed. FSI simulations are used as a way to predict the deformation of highly flexible structures exposed to a fluid flow and the resulting interaction of solid and fluid. This is especially important for kites since the aeroelastic effects can not be neglected if a realistic approach is regarded. Therefore, the open-source structural multibody dynamics solver MBDyn is coupled to an extension of the open-source computational fluid dynamics (CFD) solver OpenFOAM, namely FOAM-FSI, via the coupling environment preCICE. Relevant modeling features of MBDyn for soft kites such as membrane elements and appropriate boundary conditions are evaluated by means of simple test cases. Furthermore, an adapter for the communication between preCICE and MBDyn is developed and assessed as well. Since an adapter for FOAM-FSI and preCICE already exists, no efforts considering this aspect had to be made. Using this approach, a simple FSI simulation on a ram-air kite section is performed. Due to convincing results regarding the test cases, MBDyn is considered to be a suitable solver for the simulation of soft kites. Moreover, the correct implementation of the adapter is verified by the coupled FSI simulation of a modified benchmark with respect to the aforementioned participating solvers. An approach to FSI simulations on soft kites is successfully developed and verified. However, no reliable final evaluation for the kite section can be made due to the lack of reference solutions.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 Crop water productivity mapping and benchmarking using remote sensing and Google Earth Engine cloud computing(2022) Ghorbanpour, Ali Karbalaye; Kisekka, Isaya; Afshar, Abbas; Hessels, Tim; Taraghi, Mahdi; Hessari, Behzad; Tourian, Mohammad J.; Duan, ZhengScarce water resources present a major hindrance to ensuring food security. Crop water productivity (WP), embraced as one of the Sustainable Development Goals (SDGs), is playing an integral role in the performance-based evaluation of agricultural systems and securing sustainable food production. This study aims at developing a cloud-based model within the Google Earth Engine (GEE) based on Landsat -7 and -8 satellite imagery to facilitate WP mapping at regional scales (30-m resolution) and analyzing the state of the water use efficiency and productivity of the agricultural sector as a means of benchmarking its WP and defining local gaps and targets at spatiotemporal scales. The model was tested in three major agricultural districts in the Lake Urmia Basin (LUB) with respect to five crop types, including irrigated wheat, rainfed wheat, apples, grapes, alfalfa, and sugar beets as the major grown crops. The actual evapotranspiration (ET) was estimated using geeSEBAL based on the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) methodology, while for crop yield estimations Monteith’s Light Use Efficiency model (LUE) was employed. The results indicate that the WP in the LUB is below its optimum targets, revealing that there is a significant degree of work necessary to ameliorate the WP in the LUB. The WP varies between 0.49-0.55 (kg/m3) for irrigated wheat, 0.27-0.34 for rainfed wheat, 1.7-2.2 for apples, 1.2-1.7 for grapes, 5.5-6.2 for sugar beets, and 0.67-1.08 for alfalfa, which could be potentially increased up to 80%, 150%, 76%, 83%, 55%, and 48%, respectively. The spatial variation of the WP and crop yield makes it feasible to detect the areas with the best and poorest on-farm practices, thereby facilitating the better targeting of resources to bridge the WP gap through water management practices. This study provides important insights into the status and potential of WP with possible worldwide applications at both farm and government levels for policymakers, practitioners, and growers to adopt effective policy guidelines and improve on-farm practices.
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