06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Bahnstörungen durch Ozeangezeiten(2007) Daubrawa, JulianDiese Arbeit beschäftigt sich mit dem Aspekt der Ozeangezeiten in der Satellitenbahnberechnung. Durch Gravitationskräfte des Mondes, der Sonne und der Planeten kommt es zu Massenverlagerungen in den Ozeanen. Diese Massenverlagerungen haben eine Änderung bzw. Störung des Gravitationspotenzials der Erde zur Folge. Diese Störung hat Auswirkungen auf die Bahn eines Satelliten in Form von Störbeschleunigungen. In dieser Arbeit wird die Geschichte der Ozeangezeiten und die Verwendung der Ozeangezeitenmodelle dargestellt. Es werden die Prädiktionsmethoden für die Veränderung der Meeresoberfläche vor den ersten Modellen für Ozeangezeiten erläutert. Ebenfalls wird auf die verschiedenen Klassen der Modelle eingegangen. Ein weiterer Punkt, der in dieser Arbeit Beachtung findet, ist die Theorie der Admittanz. Es werden die Auswirkungen der Ozeangezeiten auf die Satellitenbahnberechnung und auf die Koeffizienten des Schwerefeldmodells untersucht. Die Satellitenbahnberechnung konzentriert sich auf den GOCE-Satelliten und die GPS-Satelliten. Zusätzlich hierzu werden die Auswirkungen der Ozeangezeiten auf einen Punkt auf der Erdoberfläche über verschiedene Zeiträume und auf einen Punkt in verschiedenen Höhen über der Erdoberfläche berechnet. In den Fällen, in denen es interessant ist, werden zwei Ozeangezeitenmodelle miteinander verglichen.Item Open Access Variance-covariance matrix estimation with LSQR in a parallel programming environment(2008) Guo, RonggangKnowledge about the gravity field allows an insight into the structure and dynamics of the earth. It provides the geoid as the most important physical reference surface in geodesy and oceanography. Since 2000, the CHAMP (CHAllenging Mini-satellite Payload) mission detects the structure of the global gravity field, followed by the launch of GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) in 2002. In 2008, finally, the GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) satellite is supposed to be set in orbit. These missions demonstrate satellite-based gravity field recovery to be at the center of geo-scientific interest. Interpretation and evaluation of satellite observations are difficult, especially the determination of the unknown gravity field parameters from a huge amount of measurements. Because of the immense demand for memory and computing time, the occurring systems of equations pose a real numerical challenge. Therefore, High-Performance Computing (HPC) is commonly adopted to overcome computational problems. Basically, parallel programming with MPI and OpenMP routines allows to speed up the solution process considerably. In this thesis, firstly global gravity field modelling by means of satellite observations is reviewed. Secondly, the LSQR method (Least-Squares using QR factorization) is introduced in detail in order to solve the resulting least-squares problems. Because the LSQR method is an iterative solver, it basically can not provide the variance-covariance information of the parameter estimate. To investigate the approximate computation of the variance-covariance matrix, two methods are introduced. The first one is based on the generalized inverse of the design matrix. The second approach applies Monte-Carlo integration techniques. Because parallel programming is very helpful to implement such iterative methods, it is necessary to introduce some basic principles and concepts about HPC.Item Open Access A domain decomposition method for the efficient direct simulation of aeroacoustic problems(2008) Utzmann, Jens; Munz, Claus-Dieter (Prof. Dr.)A novel domain decomposition approach is developed in this thesis, which significantly accelerates the direct simulation of aeroacoustic problems. All relevant scales must be resolved with high accuracy, from the small, noise generating flow features (e.g., vortices) to the sound with small pressure amplitudes and large wavelengths. Furthermore, the acoustic waves must be propagated over great distances and without dissipation and dispersion errors. In order to keep the computational effort within reasonable and feasible limits, the calculation domain is divided into subregions with respect to the local physical requirements. In these domains, the numerical method which is most suitable and optimized for the considered subproblem is employed. The proposed method differs from established approaches, e.g. the grid coupling is not limited to Chimera techniques but presents a consistent way for the space-time coupling of high order methods. Various domain decomposition options are examined and implemented in a common code framework. In the subdomains, the Navier-Stokes, Euler and linearized Euler equations are solved, for which methods from the discontinuous Galerkin (DG), finite volume (FV) and finite difference (FD) class are available with their respective special properties. For example, DG methods are very suitable for highly accurate solutions on unstructured grids due to their locality, while FD methods are very efficient on Cartesian grids for the simulation of linear wave propagation. In turn, FV methods are very robust in the presence of strong gradients, e.g. shocks. All implemented methods have in common, that they are explicit one-step time integration schemes and thus are especially applicable for unsteady calculations. Furthermore, their order of accuracy in space and time may be chosen arbitrarily. A newly developed numerical solver, the STE-FV method on Cartesian grids, closes the gaps in the repertoire of numerical schemes in the coupling framework. It forms a fast high order method that features great robustness also at nonlinearities by employing a WENO algorithm. For validation purposes, convergence studies and benchmark tests, e.g. the popular double Mach reflection in 2D and an explosion in 3D, are performed for the STE-FV method with orders in space and time up to six and beyond. The coupling of different grids is based on high order interpolations and the data exchange over the ghost elements of the calculation domains. The Gauss integration points in the cells are used here in order to find a source domain for the interpolation and for providing high order boundary conditions afterwards. The grids are not required to be matching or overlapping. Furthermore, arbitrary constellations of structured and unstructured grids are possible. The optimal time steps, which can be different of each other, are allowed in the subregions. This is made possible by employing the Cauchy-Kovalevskaja procedure, which delivers a Taylor series that provides boundary information for the intermediate points of time for domains with a smaller time step. The implementation structure inside the code framework is largely modular. The fluid and acoustics solvers can be used as stand-alone codes, and also new ones can be easily added. Furthermore, external programs, which may run on separate computer systems, can be linked to the framework. The distribution to different system architectures is also possible for the internal solvers. Hence, the respective properties of the numerical methods regarding vectorization and parallelization can be exploited in an optimal way. It is shown on the basis of convergence studies for different constellations of grids, equations and methods, that the domain decomposition approach is capable of maintaining high order of accuracy globally. An examination regarding high-frequency perturbations reveals a natural filtering process if perturbations cannot be resolved on a coarse mesh anymore. Hence, a spatial filtering operator is not a necessity. Another study shows, that the magnitude of reflections occurring at the domain boundaries are in good accordance with theoretical estimations. Besides the change from nonlinear to linear equations, also the jump in resolution matters in this context. However, the reflections are negligible in general. The accuracy and efficiency of the proposed domain decomposition method is illustrated for benchmark examples like the acoustic scattering at a sphere or at multiple cylinders and for the Von Karman vortex street. Here, especially the method's potential for efficient far field calculations becomes clear, but also the advantages in the presence of complex geometries are emphasized. Finally, the simulation of a nozzle flow with a supersonic free jet and the associated noise underlines the practical applicability of the domain decomposition approach.Item Open Access GOCE data and gravity field model filter comparison(2008) Raizner, CarinaNew approaches with respect to space borne gravity observations are expected to significantly improve the overall knowledge of the Earth's gravity field and its geoid. The Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) is the first Core Earth Explorer Mission of the ESA Living Planet Programme. This new satellite mission based on the concept of satellite gradiometry is designed to support applications in Earth physics, oceanography and geodesy with an accurate and detailed global model of the Earth's gravity field and its geoid. One of the main problems in the use of the GOCE data is that the retrieval algorithms need along-track filtering on one hand and/or the implementation of spherical filters on the other. The match between these along-track one-dimensional filters and the spherical two-dimensional ones is far from obvious. Thus, the objective of this study is to investigate the influences of these two filter types by analyzing the differences between simulated GOCE reference and filtered data. Apart from closed-loop tests in order to check the consistency and correctness of the data and software used, the testing procedure for along-track as well as spherical filtering is implemented as follows. First, a global reference model is used for data generation which yields a reference signal along the orbit. By applying a one-dimensional along-track filter to these synthetic satellite data, a filtered global model is retrieved. On the other hand, the synthetic satellite data can be also generated after applying spherical filters to the global reference model. The outcome is a filtered global model estimated from these synthetic satellite data. The influences of both filter types are assessed by comparing the reference and filtered signals along the orbit as well as by comparing the reference and filtered models on the ground. Additionally, the properties of both filter types can be varied. In order to examine the empirical relation between along-track and spherical filters, transfer functions of the filters are investigated in a second step of this study. The transfer function for the spherical filter in the model domain is the ratio between reference and filtered signal which represents a corresponding one dimensional along-track filter in the signal domain. On the other hand, computing the ratio between reference and filtered model estimated from the along-track filtered signal relates the one-dimensional filter in the signal domain to a two-dimensional spherical filter in the model domain. The outcome of the study will be very useful for explaining some of the differences between current global model retrieval philosophies and will also be applicable to other satellite missions and data types in the future.Item Open Access Untersuchungen zur experimentellen Simulation des Eintritts von Raumflugkörpern in die Marsatmosphäre(2008) Endlich, Pia; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Plasma-Wand-Wechselwirkung von drucklos gesintertem Siliziumkarbid als Hitzeschutzmaterial für Eintrittsmanöver von Raumflugkörpern in die Atmosphäre des Mars. Als Basis dazu werden geeignete Plasmabedingungen, die mittels des induktiv beheizten Plasmagenerators IPG4 am Plasmawindkanal PWK3 des IRS erzeugt werden, charakterisiert. Als Arbeitsgas für das Plasma wird ein der Marsatmosphäre ähnliches Gasgemisch aus 97 % CO2 und 3 % N2 verwendet. Die Bestimmung der Eigenschaften des Plasmastrahls wird hinsichtlich Wärmestromdichte, Pitotdruck, Plasmageschwindigkeit und Plasmazusammensetzung messtechnisch durchgeführt. Analytische Modelle, die auf einer vorangegangenen theoretischen Beschreibung des axialsymmetrischen Plasmafreistrahles mit einer unterexpandierten Düsenströmung basieren, ermöglichen es, die Länge der Strahlanfangszone und der ersten Strahlzellen zu bestimmen. In Kombination mit den experimentellen Ergebnissen wird weiterhin die qualitative Verteilung der spezifischen Enthalpie im Plasmaquerschnitt ermittelt. Das Einblasen von Eisenoxidpartikeln in den Plasmastrahl, wie sie durch Staubstürme in der Marsatmosphäre in höheren Atmosphärenschichten vorkommen können, zeigt eine deutliche Erhöhung der Wärmestromdichte auf einen Probenkörper im Plasmastrahl. Tests mit SSiC--Hitzeschutzmaterialproben deuten unter Einsatz der Untersuchungsmethoden Photoelektronenspektrometrie und REM-Aufnahmen auf eine aktive Oxidation der Hitzeschutzmaterialprobe aus drucklos gesintertem Siliziumkarbid im Plasma bei hohen Wärmestromdichten hin.Item Open Access Erstellung und Optimierung der Skalierungsgesetze zur Abschätzung der Aerodynamik und der Eigendynamik eines Flugzeugs auf der Basis von frei fliegenden Modellen(2007) Nguewo, Danyck; Voit-Nitschmann, Rudolf (Prof. Dipl. Ing.)Die vorliegende Abhandlung behandelt die Definition der Skalierungsmethodik für Flugver-suche mit einem frei fliegenden Modellflugzeug zur Vorhersage der aerodynamischen und flugmechanischen Eigenschaften des Originalflugzeugs. Hauptziel ist hierbei die Festlegung der Voraussetzungen für zuverlässige Simulationsergebnisse. Das Erreichen des oben definierten Ziels führt im Idealfall zur Einhaltung aller Ähnlichkeits-parameter, die die Aerodynamik und das Flugverhalten beider Flugzeuge beeinflussen. In einer Durchführbarkeitsstudie werden die praktischen Grenzen dieser Hypothese aufbauend auf dem Demonstratormodell von VELA 2 analysiert. Außerdem wird in Anlehnung an die Statistik die zu erwartende Qualität der Simulationsergebnisse abgeschätzt. Bei kleinen Skalierungsfaktoren, so wie beim Projekt "Demonstratormodell" mit , werden in der Regel nicht alle Ähnlichkeitsparameter eingehalten. Grund dafür ist das prob-lematische Erreichen der Mach- und Reynolds-Zahl des Originalflugzeugs im Flugversuch mit dem Modell. Die Skalierung der Mach- und Reynolds-Zahl ruft Kompressibilitäts- und Reibungseffekten in der abgeleiteten Bewegungsgleichung hervor, die zu einer Verfälschung der Versuchsergebnisse führen. Zur Reduzierung dieser unerwünschten Effekte werden ver-suchstechnische und flugmechanische Ansätze erarbeitet. Die versuchstechnischen Optimierungsansätze werden in Kapitel III durch die Festlegung des Geschwindigkeitsbereichs und der Flughöhe des Originalflugzeugs definiert, die die besten Simulationsergebnisse liefern. Zur Definition der flugmechanischen Optimierungsansätze für das VELA 2-Modellflugzeug wird zunächst die Dimensionsanalyse basierten Ähnlichkeitsgesetze auf die Flugmechanik und speziell auf die Systemmatrix angewendet. Daraus resultiert die Theorie zur Ableitung der Bewegungsgleichung eines Flugzeugs (z. B. des Modells) von einer vorgegebenen (z. B. der Bewegungsgleichung des Originals) so, dass die beiden Gleichungen identische Bewe-gungsformen beschreiben. Der nächste Schritt besteht darin, die Bewegungsgleichung des Modells an die auf dieser Weise abgeleitete Bewegungsgleichung anzupassen. Dies geschieht, wie in Kapitel IV dargelegt, durch gezielte Veränderung von flugmechanischen Parametern (Schwerpunktlage, Lagewinkel etc.). Diese Optimierungsmaßnahmen ergeben sich aus einer detaillierten Studie der so genannten kausalen Ketten, in der sich eine Variation der Mach- oder Reynolds-Zahl auf die dimensionslosen Derivativa auswirkt, was zu einer Veränderung der Ersatzgrößen (Elemente der Systemmatrix) und damit der Eigendynamik des Flugzeugs führt. Ein weiterer wichtiger Bestandteil dieser Arbeit stellt die Entwicklung des Tools Fast Estima-tion of Design Parameters (FEDeP) dar (vgl. Anhang A). Hauptaufgabe dieses Programms ist es, den Entwurfsingenieur in der Vorbereitungsphase der Simulation mit einem frei fliegen-den Modell zu unterstützen. Dazu gehört neben der Implementierung der weiter oben be-schriebenen Theorien (Erstellung und Optimierung der Skalierungsgesetze sowie die Ermitt-lung der Kompressibilitäts- und Reibungseinflüsse auf die Flugeigenschaften) die Bereitstel-lung der Module zur Flugzeugdimensionierung und zur Visualisierung des Flugverhaltens in einer graphisch animierten Simulation.Item Open Access Der Einfluss der kontinentalen Wasserspeicherung auf das Rotationsverhalten der Erde(2008) Hengst, Rico; Wolf, Detlef (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit der Erde und die Richtungsänderungen des Erdrotationsvektors werden mit modernen geodätischen Raumverfahren beobachtet und lassen sich auf Gravitationswechselwirkungen mit anderen Himmelskörpern und auf geophysikalische Prozesse zurückführen. Nach der Reduktion der beobachteten Erdrotationsschwankungen bezüglich der bekannten gravitativen Einflüsse werden die verbleibenden Schwankungen des Erdrotationsvektors maßgeblich durch Massenverlagerungen und Relativbewegungen von Massen in den einzelnen Teilsystemen der Erde, wie z.B. der Atmosphäre, hervorgerufen. Da die reduzierten geodätischen Beobachtungen stets die integrale Folgeerscheinung aller geophysikalischen Prozesse darstellen, sind einzelne ursächliche Anregungen nicht eindeutig identifizierbar. Eine Dekomposition und eine Interpretation des verbleibenden Restsignals erfordert es daher, den Zustand der Teilsysteme mit Messungen physikalischer Größen oder mit Hilfe von numerischen Modellen zu beschreiben. Neben der Analyse von Modellen der Atmosphäre und des Ozeans bezüglich der Erdrotationsschwankungen liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Untersuchung von vier hydrologischen Modellen, die die kontinentale Wasserspeicherung simulieren. Im Kontext der kontinentalen Massenverlagerungen werden die hydrologischen Modelle und die hinsichtlich atmosphärisch-ozeanischer Einflüsse reduzierten Schwerefeldbeobachtungen der GRACE-Mission verglichen, wobei sich die Untersuchung nicht auf den globalen Massenumsatz beschränkt, sondern zusätzlich um regionale Analysen erweitert ist. Die ermittelten Differenzen im jährlichen Massenumsatz zwischen den einzelnen Modellen und auch zwischen den Modellen und den GRACE-Daten ergeben mit Hinblick auf die Erdrotationsschwankungen ein unterschiedliches Anregungspotenzial (chi-Funktionen). So treten zwischen den modellierten und den aus Schwerefeldbeobachtungen resultierenden Anregungen Differenzen auf, die in den äquatorialen chi-Funktionen einer Phasenverschiebung der Jahresschwingung von bis zu drei Monaten entsprechen. Wavelet-Analysen der hydrologischen chi-Funktionen zeigen episodische und quasiperiodische Signalanteile auf, die zwischen den einzelnen Modellen signifikante Korrelationen aufweisen. Entsprechende Signalcharakteristika werden auch in den um gravitative, atmosphärische und ozeanische Einflüsse reduzierten Beobachtungen der Erdrotationsschwankungen detektiert. Als Ursachen stellen sich die Oszillationen ENSO (El Niño Southern Oscillation), QBO (Quasibiennial Oscillation), TBO (Tropospheric Biennial Oscillation) und der indische Monsun heraus, die adäquate Variationen in der Wasserspeicherung Südamerikas, Australiens and Asiens bewirken. Um die Übereinstimmungen zwischen den geodätischen Beobachtungen und den modellierten Anregungen aus atmosphärischen, ozeanischen und kontinentalhydrologischen Prozessen quantifizieren zu können, werden die Zeitreihen mit dem Verfahren der spektralen MRA (multiple Regressionsanalyse) untersucht. Im spektralen Band zwischen 10 und 13 Monaten ergeben sich Widersprüche, die auf der Modellierungsseite Probleme in einer der hier untersuchten atmosphärisch-ozeanischen Kombinationen signalisieren, unabhängig von der Wahl der hydrologischen Simulation. Je nachdem welche Modelle bei der spektralen MRA miteinander kombiniert werden, erklären diese im Spektralbereich zwischen 2 und 30 Monaten die Varianz der Tageslängenschwankung im Mittel zu 93% und die Varianz der beobachteten Polbewegung zu durchschnittlich 77%.Item Open Access A regional analysis of GNSS-Levelling(2008) Raizner, CarinaDie herkömmliche Methode zur präzisen Höhenbestimmung ist das Nivellement. Durch die verbesserte Genauigkeit des Geoids, das von den neuesten und von CHAMP und GRACE (und in Zukunft GOCE) abgeleiteten Modellen des Gravitationspotentials bereitgestellt wird, kann das sogenannte „GNSS-levelling“ als eine Alternative für praktische Höhenanwendungen in Betracht gezogen werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in einer detaillierten Analyse einer optimalen Kombination von heterogenen Daten, die sich aus Ellipsoid-, orthometrischen und Geoidhöhen eines Höhenfestpunktnetzes zusammensetzen. Das Verhältnis zwischen diesen drei verschiedenartigen Höhen basiert theoretisch auf einer einfachen linearen Gleichung. Nachdem aber zahlreiche Faktoren, wie z.B. Datumsinkonsistenzen und systematische Fehler, zu Abweichungen zwischen diesen kombinierten Höhendaten führen, wird ein Modell als Korrekturfläche integriert. Die Eignung ausgewählter Modelle wird anhand verschiedener empirischer und statistischer Tests beurteilt. Um der Korrelation zwischen den Modellparametern entgegenzuwirken, wird das Gram-Schmidtsche Orthonormalisierungsverfahren angewandt und die Testergebnisse mit jenen von orthogonalen und nicht-orthogonalen Basisfunktionen verglichen. Zusätzlich wird eine Varianzkomponentenschätzung auf die kombinierte Ausgleichung der drei Höhen angewandt, um die Eignung des stochastischen Modells zu überprüfen, d.h. um zufällige Fehler zu separieren und die zugehörigen Varianz-komponenten für jeden Höhentyp zu schätzen. Außerdem wird eine detaillierte Studie über geeignete Methoden zur Überprüfung der Daten durchgeführt, um grobe Fehler zu entdecken und zu eliminieren. Schließlich beinhaltet diese Arbeit auch die Implementierung einer Interpolation mit radialen Basisfunktionen. Diese stellen eine orthonormale Basis dar, mit der eine Oberfläche mit unabhängigen Parametern bestimmt werden kann. Gleichzeitig hängt die entsprechende Effizienz der Fläche nicht vom Entwicklungsgrad der Basisfunktionen ab. Die Optimierung des in dem Interpolationskern enthaltenen Formparameters wird mittels eines genetischen Algorithmus (GA) realisiert, um den Interpolationsfehler zu minimieren. Diese Methode bietet den Vorteil, dass sie differenzierbar ist und somit kann die Verteilung der Daten berücksichtigt werden. Mögliche Oszillationen in der Parameterfläche können vermieden werden. Die Wirkungsweise dieser inversen multiquadratischen Funktion wird durch eine spezielle Kreuzvalidierung beurteilt, welche eine höhere Effizienz aufweist als das klassische Verfahren. Die beschriebenen Ansätze werden anhand des aktuellen Geoidmodells und anhand von GPS und Nivellierdaten in Kanada und einzelnen Teilregionen evaluiert.Item Open Access Experimental and numerical investigations of convective cooling configurations for gas turbine combustors(2008) Maurer, Michael; von Wolfersdorf, Jens (Prof. Dr.)Within the present study, experiments and numerical computations are conducted to analyze the cooling performance of different convective cooling techniques for backside cooled combustor walls. For all investigated configurations, the pressure loss and the heat transfer enhancement is observed. As possible candidates for a convective cooling scheme, rib turbulators, channels with dimples and channels with hemispheres are considered. The data bases for such convective cooling techniques, which have already been reported in literature, arise from the experience in internal blade cooling. Compared to the typical conditions found for backside cooled combustor walls, the Reynolds number and the mass flow rates are lower in the case of internal blade cooling. Additionally, the ribs or other convective cooling techniques are applied to two opposite channel walls within the blade. For backside cooled combustor walls, the heat transfer on only one channel wall needs to be enhanced. For the experimental setup, several measurement techniques are applied. The heat transfer coefficient between two successive ribs is obtained with a steady and a transient measurement technique. A comparison of the two measurement techniques is also provided. Averaged heat transfer coefficients on the rib itself are measured by using the lumped heat capacitance method. For the numerical setup, the commercial solver FLUENTTM is applied together with two different turbulence models. In the case of rib turbulators, a standard k-e turbulence model is used. It could be demonstrated that for dimpled surfaces or surfaces with hemispheres, a Reynolds Stress Model performs better. In general, the experimental results are underpredicted, whereas the trends are predicted correctly. It is concluded, that the present numerical approach is applicable to preliminary design studies. One result of this study is to extend the Reynolds number range of typical rib turbulators to Reynolds number levels found in backside cooled combustor walls. In contrast to internal blade cooling, the design requirements of a backside cooled combustor wall are a moderate pressure loss at higher Reynolds numbers and at the same time a good heat transfer enhancement. It could be demonstrated, that the geometry of rib turbulators need to be adjusted to satisfy the mentioned design requirements. The investigations on V shaped, W shaped and WW shaped ribs revealed the following fact. The existence of a second ribbed wall has an influence on the heat transfer of the opposite wall. It is therefore suggested not to directly use heat transfer correlations, which are derived from experimental data of two sided ribbed channels, for the design of one sided ribbed channels. Additionally, it could be demonstrated, that for higher Reynolds numbers the rib height has to be reduced to obtain lower levels of pressure losses. As the rib geometry is changed from V shaped to W shaped rib, the pressure losses are increased for an equal rib spacing and rib height. WW shaped ribs resulted in even higher pressure losses. For V shaped and W shaped ribs, a reduction of the rib spacing leads to a lower pressure loss. For WW shaped ribs, an opposite trend is observed. In the case of W shaped ribs, the heat transfer enhancement on the rib itself is obtained. It could be demonstrated that a reduction of the rib spacing has no impact on the heat transfer enhancement on the rib. A combination of the heat transfer data between two successive ribs and the data on the rib reveals, that heat transfer levels of around three times higher than the heat transfer of a smooth channel wall are realized for the investigated Reynolds number range. The possibility to replace the commonly used rib turbulators with dimples or hemispheres is also addressed in this study. For channels with hemispheres or dimples on one channel wall, a lower pressure loss and at the same time only moderate heat transfer enhancement levels are observed. For the design of a convective cooling technique for convectively cooled combustor walls, W shaped ribs should be preferred. This configuration shows the best thermal performance for the typical Reynolds numbers found in backside cooled combustor walls. In cases, where the convective cooling has to be achieved with very low pressure losses, dimpled channels represent an interesting alternative to ribbed configurations.Item Open Access Diskrete Modellierung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Gewebemembranen(2007) Ballhause, Dirk; Kröplin, Bernd (Prof. Dr.-Ing. habil.)Gewebemembranen spielen als Leichtbaumaterialien eine wichtige Rolle in vielen Ingenieurskonstruktionen aus so verschiedenen Bereichen wie dem Bauwesen, der Luft- und Raumfahrt oder der Seefahrt. Ihr Einsatz ermöglicht eine effiziente Um- oder Überspannung von großen Volumen oder Flächen bei geringem Strukturgewicht. Aus diesem Grund werden sie unter anderem als Membrandächer, als Hüllenmaterial für Luftschiffe oder als Segelmaterialien für Rennyachten verwendet. Als Verbundwerkstoff aus Gewebe und Beschichtung vereinen sie die Tragwirkung von Gewebestrukturen mit den funktionellen Aufgaben der Beschichtungen, wie beispielsweise der Flüssigkeits- und Gasdichtigkeit.Der mikrostrukturelle Aufbau der Gewebe aus sich kreuzenden Fadengruppen hat einen großen Einfluss auf das Verformungs- und Versagensverhalten dieser Werkstoffe, die sich stark von homogenen Membranmaterialien unterscheiden. Durch die Interaktionen der Fadengruppen ergibt sich einerseits ein teilweise stark nichtlineares Verformungsverhalten, wie es sich in den typischen Effekten der Krümmungsinteraktion und der Schubblockade zeigt, andererseits bedingen sie die diskrete Natur des Versagensvorganges, der durch sukzessives oder kollektives Versagen der Einzelfäden geprägt ist. Die bisherigen Modellierungsansätze für Gewebematerialien sind nur bedingt in der Lage, diesen Mikrostruktureinfluss in eine Strukturberechnung zu integrieren. Durch eine direkte Repräsentation der Fadenstruktur in abstrahierter Form und die Anwendung der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) als effizientes Berechnungsverfahren eröffnen sich hier neue Möglichkeiten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher eine diskrete Modelldarstellung von Geweben und Gewebemembranen entwickelt. Die abstrahierte Repräsentation orientiert sich an der in der Literatur als Dreiecksmodell bekannten und bewährten Linearisierung des Fadenverlaufs zwischen den Fadenkreuzungspunkten.Die derartig abgebildete Gewebeeinheitszelle, die kleinste sich wiederholende Fadenstruktur des Gewebes, wird vielfach aneinandergereiht und ergibt so ein makroskopisches Gewebestück. Das Gesamtsystem kann dann mit der Methode der diskreten Elemente berechnet werden und es entsteht ein Modell zur Simulation des makroskopischen Verhaltens von Gewebematerialien mit einer direkten Repräsentation der Mikrostruktur. Die makroskopisch als Nichtlinearitäten auftretenden Fadeninteraktionen ergeben sich dabei ohne weitere Annahmen aus der gewählten Darstellung der Fadenstruktur. Im ersten Teil der Arbeit wird diese diskrete Modelldarstellung entwickelt. Die zur Repräsentation der Verformungsmechanismen von Geweben notwendigen Interaktionen der Mikrostruktur werden erarbeitet und implementiert. Das Gewebemodell wird durch Hinzunahme von weiteren Interaktionen für die Beschichtung zum Gewebemembranmodell erweitert. Anhand von experimentellen Untersuchungen an verschiedenen Modellmaterialien, die den Bereich vom unbeschichteten Gewebe zur sehr steifen Gewebemembran abdecken, wird einerseits nachgewiesen, dass sich das beobachtete typische Gewebeverhalten mit dem Modell abbilden lässt, andererseits wird eine mögliche Vorgehensweise zur Modellanpassung an reale Materialien demonstriert. Im zweiten Teil der Arbeit erfolgt die Erweiterung des Gewebemembranmodells auf die Beschreibung des Versagensverhaltens. Hierbei können die Möglichkeiten der direkten Mikrostrukturrepräsentation voll ausgeschöpft werden. Zum einen lassen sich durch diesen Ansatz die theoretischen Modelle zur statistischen Beschreibung des Versagens von Geweben in eine Strukturberechnung integrieren, zum anderen kann das Zerreißen des Verbunds aus Gewebe und Beschichtung realitätsnah abgebildet werden. Das entstehende Gewebemembranmodell ermöglicht anhand von praxisnahen Anwendungsfällen, wie dem ein- und zweiachsigen Weiterreißversuch oder dem Berstversuch, die Untersuchung der Interaktionen und gegenseitigen Beeinflussungen der Gewebestruktur und ihrer Beschichtung und kann so ein tiefgreifenderes Verständnis der Vorgänge bei Strukturversagen von Gewebemembranen schaffen.