06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

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    Faserverbundwerkstoffe im Automobilbau: methodischer Ansatz zur Analyse von Schäden
    (2012) Schmidt, Alexandra Priska; Drechsler, Klaus (Prof. Dr.-Ing.)
    Schadensanalyse beinhaltet die Beurteilung geschädigter Bauteile von der Schadenserkennung bis zur Entscheidung über Tolerierbarkeit, Reparatur oder Austausch. Es gibt derzeit keine allgemeine Bewertungsgrundlage, um die zulässige Schadensgröße für Bauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) an Fahrzeugen im praktischen Einsatz zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit liefert einen methodischen Ansatz zur Entscheidungsfindung. Die Arbeit befasst sich mit Schäden, die nachträglich in die Fahrzeugstruktur eingebracht werden. Dies kann etwa durch Fehlgebrauch, Unfälle oder Steinschläge geschehen. Fertigungsfehler werden nicht berücksichtigt. In einem Versuchsprogramm wurde die Restfestigkeit von vorgeschädigten CFK Rohren mit unterschiedlichem Lagenaufbau unter Druckbelastung ermittelt. Realitätsgetreue Impacts werden zunächst durch einfache Bohrungen sowie Längs- und Quernuten auf akademische Weise angenähert und die Ergebnisse mit ungeschädigten Proben verglichen. Der Einfluss der Faserorientierung sowohl auf die Schadensausbreitung bei Impactschäden als auch auf die Restfestigkeit wird betrachtet. Deutliche Zusammenhänge zwischen Schadensgröße und Bruchlast konnten ermittelt und analytisch beschrieben werden. Dadurch ist eine Vorhersage der Restfestigkeit bei weiteren Schadensgrößen möglich. Zur potenziellen Reduktion der Versuchsumfänge wird die Möglichkeit der Computersimulation geprüft. Es wird deutlich, dass Simulationsmodelle die umfangreiche empirische Datenbasis derzeit nicht vollständig ersetzen können. Anhand des seitlichen Dachrahmens eines Automobils wird gezeigt, nach welchen Kriterien die Entscheidung über kritische oder unkritische Schäden erfolgt. Dazu wird der Standardlastfall des Dacheindrücktests verwendet. Die Ergebnisse der Versuche dienen als Bewertungsgrundlage. Ein 7-Punkte-Plan fasst die entwickelte Methodik zusammen und dient als Grundlage für die Analyse. Das exemplarisch durchgeführte Vorgehen kann auf beliebige Geometrien und weitere Lastfälle übertragen werden. Die Erkenntnisse dieser Arbeit können bereits in der Entwicklungsphase eines Automobils als Entscheidungsgrundlage dienen. Unter Berücksichtigung eines geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahrens zur Detektion der Schädigungen eignet sich die vorgestellte Methodik auch zum Einsatz im automobilen Kundenservice. Es wurden verschiedene Methoden miteinander verglichen. Neben Ultraschall und Computertomographie bietet sich die Optische Lock-In Thermographie für den praktischen Einsatz an.
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    The GRACE event calendar
    (2012) Vishwakarma, Bramha Dutt
    GRACE mission is a joint venture of NASA and GFZ. This mission was launched to provide with unprecedented accuracy, estimates of the global high resolution models of the Earth’s gravity field. The study of time-variability of Earth’s gravity field is very helpful in climate sciences and earth’s sciences studies. People have done a lot of work to demonstrate the effect of many natural phenomenon on gravity. Gravity estimates from GRACE are used for estimating mass redistribution at continental scale. So, we can observe hydrology, seismology and glaciology potential areas where GRACE can be useful. This research work focuses on identifying the hydrological events such as floods and drought, seismic events such as earthquakes and volcanic activity and also the glacier melting in the GRACE time-series. The work includes the development of strategy for the analysis of these events keeping in mind their behaviour and GRACE limitations of spatial resolution and sensitivity. Further in this work we would produce a event calendar for such events stating whether gravity changes caused by such events are visible to GRACE. Calendars are generated for hydrological events, floods and droughts separately and also for earthquake events. For rest of the phenomenon we have not generated calendars since these events are very few in numbers. This work is a qualitative analysis, so we could observe whether GRACE signal is able to observe these events or not. Hydrological events are observed by searching outliers in the grace observed time-series. The large floods such as 2009 Amazon floods can be seen when we take whole catchment, but the small floods affecting smaller region such as Sao Paulo flood is not visible in catchment time-series, so we have to go for selected area time-series generation. The factors such as time period for floods and droughts are very important factors when we want to observe them by GRACE. Earthquakes visibility depends on range rate amplitude, and also the quality of ΔC20, we have discussed these aspects while analysing earthquakes occurred in last decade from GRACE. We have given the possible explanation for the events not visible, and those visible have helped in the development of a methodology for analysis of a particular event. The volcanic activity in Caldera and Bolivia are pushing earth upward so we can expect some signal, but the spatial extent of these areas is small with caldera area greater than that of Bolivia, only caldera showed a trend. We also did trend analysis for 2 Asian glaciers and a part of Greenland for observing the melting of these ice masses. The work finally produces a series of events which we were able to observe by GRACE and we also get the methodology suitable for analysis of an event.
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    Literature analysis of SWOT mission from geodetic perspective
    (2012) Cao, Wenxi
    Satellite radar altimeter has been used for nearly twenty years to observe the variety of the global ocean surface topography. It has advanced our understanding of global ocean circulation and sea level change. However the conventional radar altimeter can not resolve the submesoscale features in the oceans because of its large spacing between satellite ground tracks and coarse ground resolution. On the other hand altimetry technique is expected to be able to observe large rivers, lakes and monitor the storage of freshwater on land. These new challenges require a new technique and a new mission. In 2016 a satellite mission called Surface Water and Ocean Topography (SWOT) will be launched by NASA and CNES according to plan. This term paper will summarize the general measurement principle, orbit design issues and applications of SWOT in the literature.
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    Maintenance strategies for large offshore wind farms
    (2012) Scheu, Matti
    Which equipment is needed and how shall tasks be scheduled in order to implement the economically most efficient operation and maintenance strategy for large offshore wind farms? This is the question motivating this research project. Considering production losses due to turbine downtime as well as local geographical and weather conditions, an efficient operation and maintenance (O&M) solution shall be achieved for two reference sites at the UK east coast. For this purpose, a Matlab-based tool has been developed, consisting of the following five main modules: Weather, Failures, Resources, Strategy and Cost. The "Weather" module is able to generate future sea states and wind speeds based on historical data. It uses a finite state Markov chain in discrete time to model significant wave heights. Wind speeds are then generated according to their conditional probability distribution at the corresponding wave height. In order to validate the weather module, several time series were generated and compared with existing data. For comparison, the mean values, standard errors, linear correlations and cumulative distribution functions for persistence of operational weather windows were chosen, both for synthetic and observed wind speed and wave height time series. Both reference sites in the UK North Sea were considered for validation. Failure rates are the basis for the "Failure" module. As an input, data gathered from onshore reliability investigations are used, which can be updated once more detailed data is available for offshore turbines. The outcomes of this module are turbine-failures occurring at a certain time. Within the “Resources” module, it is defined which equipment and personnel is available for O&M activities. The equipment is specified by its technical characteristics, e.g., the maximum transportable personnel and the operational wave height boundary. Another key parameter is the "Strategy". The main goal of this module is to take the decision whether to perform an operation or not. Within this thesis, one specific strategy has been used, but references are made to possible modifications in the according paragraphs. The measurement of economic performance is done in the "Cost" module. Here, production losses are quantified by combining the wind speed during a failure with the linearized power curve of the turbine and the local buyback price system. Therefore, the worth of additional or better maintenance equipment can be seen directly as an increase in availability and a decrease of production losses. Results show how sensitive availability and therefore production losses change with respect to changes in the maintenance fleet, reliability characteristics of components and distance to shore. Major improvements of availability were achieved by applying maintenance vessels with a higher operational wave height boundary. An increase of this constraint from one to 1.8 m significant wave height raised the availability by up to 30 percent, leading to a much better economic performance. The influence of the weather forecast accuracy on the number of maintenance vessel and crane deployments is also stated, showing a significant increase of deployments if the weather forecast is only accurate for short times. An improvement of component-reliability, modeled as a 50% decreased annual failure rate, could save up to 440 k€ of yearly production losses for each modeled wind turbine. Higher transit times, due to a greater distance to shore, strongly decrease the wind park availability.
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    Evaluierung generalisierter Gebäudegrundrisse in großen Maßstäben
    (2012) Filippovska, Yevgeniya; Fritsch, Dieter (Prof. Dr.-Ing. habil.)
    Bei der Erzeugung von Karten werden die darzustellenden räumlichen Objekte in Abhängigkeit des angestrebten Maßstabs ausgewählt, verändert und so arrangiert, dass deren Form und Verteilung zu einem bestmöglichen Verständnis der räumlichen Gegebenheiten führt. Dabei weist die kartographische Abbildung unvermeidliche und zuweilen tiefgreifende geometrische Veränderungen im Vergleich zur Realität auf, welche durch eine übergeordnete Kontrollinstanz zu verifizieren und bewerten sind. Hierfür strebt man eine formalisierte Qualitätsbewertung der Ergebnisse an, so dass sich entsprechende Prozesse, bevorzugt mit Hilfe automatisierter Werkzeuge, umsetzen lassen. Obwohl die Lesbarkeit der Gesamtkomposition einer Karte das Ziel ist, muss die Qualitätsbewertung zuerst auf der untersten Generalisierungsebene, der sogenannten Mikroebene erfolgen, indem die Geometrie- bzw. die Formveränderungen von Einzelobjekten bemessen werden. Neben dem Straßennetz dienen den Kartennutzern häufig vor allem markante Gebäude als Orientierungshilfe, welche aus diesem Grund nicht allzu großen Veränderungen unterliegen dürfen. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher Qualitätscharakteristiken aufgezeigt, welche auf dem direkten Vergleich zweier Gebäudegrundrisse – Original und generalisiert – basieren. Die vorliegende Arbeit beginnt mit einer theoretischen Einführung in das Thema der Qualität von Geodaten. Anschließend wird ein Wahrnehmungstest vorgestellt, welcher die Bewertung generalisierter Grundrisse durch menschliche Betrachter vornimmt. Versuche diese Wahrnehmungsprozesse mathematisch zu formalisieren wird als Ähnlichkeitsschätzung bezeichnet, deren Grundlagen darauffolgend dargelegt sind. In diesem Zusammenhang wird eine einheitliche Klassifizierung der Objektmerkmale basierend auf der zugrundeliegenden Berechnungsmethode vorgeschlagen. Ein Überblick über die bislang zur Qualitätsbewertung der Generalisierung gelaufenen Forschungsarbeiten und eine kritische Auseinandersetzung dazu runden den derzeitigen Kenntnisstand zum Themengebiet ab. Daran anschließend werden neue Charakteristiken zur Ähnlichkeitsanalyse vorgestellt, welche die 2D-Gebäudeobjekte unter den Aspekten der Kontur- und Flächentreue hin vergleichen. Da eine Zuordnung zwischen den Formelementen allgemein nicht zweifelsfrei feststellbar ist, werden die Objekte geometrisch gemäß der Standardisierung von Geodaten als Punktmengen betrachtet. Dies erlaubt es, die geometrischen Berechnungen fast ausschließlich auf den Standardoperatoren der Mengentheorie aufzusetzen und mit den topologischen Algorithmen der Graphentheorie zu kombinieren. Zur Bewertung der Konturtreue werden Charakteristiken auf Basis der objektbildenden Randmengen aufgezeigt, welche Aufschluss über die maximale Abweichung und den Anteil der Überlappung gibt. Die Flächentreue wird unter einem quantitativen und einem räumlichen Aspekt betrachtet, wobei eine Differenzierung zwischen den Elementen der Strukturveränderungen vorgenommen wird. Um die Aussagekraft und Praxistauglichkeit der vorgeschlagenen Charakteristiken zu überprüfen, wird eine Evaluierung von generalisierten Gebäudegrundrissen auf der Mikro- und Makroebene durchgeführt. Dabei spielt insbesondere auch die anschauliche Präsentation der Ergebnisse eine zentrale Rolle, so dass verschiedene Möglichkeiten zur Darstellung der einzelnen Charakteristiken bezüglich einer guten Diskriminierbarkeit der Qualitätsangaben im Fokus stehen. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass alle vorgeschlagenen Charakteristiken aussagekräftig sind und eine vielseitige Beschreibung verschiedener Qualitätsaspekte der Generalisierung in deren Gesamtheit ermöglichen.
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    Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgerätes für den Mars im Zusammenhang mit der ESA Marsmission ExoMars
    (2012) Koncz, Alexander; Röser, Hans-Peter (Prof. Dr. rer. nat.)
    Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden mehrere Sensoren zur Detektion des atmosphärischen Wassergehaltes entwickelt und für ihren Einsatz auf dem Mars im Zuge der ESA ExoMars Mission optimiert und teilweise qualifiziert. Die Arbeiten am als MiniHUM bezeichneten Instrument umfassten sowohl die Charakterisierung und Entwicklung eines coulometrischen Sensorsystems als auch den Test und die Auswahl von kommerziell erhältlichen kapazitiven Polymerfeuchtesensoren. Zudem wurde ein Sensor zur Detektion der Phasenumwandlungstemperatur qualitativ untersucht. In der vorliegenden Arbeit standen insbesondere die wissenschaftlichen Problem- und Fragestellungen des coulometrischen Sensors im Fokus. Durch eine Veränderung von Sensorbeschichtung, Sensorlayout und Betriebsart ist es während der Dissertation gelungen, dessen Reproduzierbarkeit, Genauigkeit und Langzeitstabilität bei Unterdruck und Tieftemperaturen, aber auch unter Normalbedingungen signifikant zu erhöhen und die Standzeiten deutlich zu verlängern. Die gefundenen Ergebnisse und Technologien konnten als Spin-off im Projekt HUMITRACE in Zusammenarbeit mit einem KMU dazu verwendet werden, eine neue Generation von industriellen Spurenfeuchtetransmittern bis zur Marktreife zu entwickeln. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Erstellung und experimentelle Validierung eines numerischen CFD-Modells, mit dem die Wasserdampfdiffusion durch die am coulometrischen Sensor verwendete permeable Membran und die Auswirkungen der elektrolytischen Aufspaltung des Wassers am Sensor simuliert werden können. Somit wird es möglich, den Sensor in komplexe Simulationen einzubinden und so beispielsweise die Auswirkungen von Landeraufbauten, Airbag und unterschiedlichen thermischen Umgebungen auf das Sensorsignal zu untersuchen. Neben den coulometrischen Sensoren wurden auch zwei kommerzielle kapazitive Polymerfeuchtesensoren sowohl unter Marsbedingungen als auch im Thermalzyklustest geprüft und charakterisiert. Die verwendeten Modelle zeigten trotz der extremen Bedingungen eine stabile Kennlinie und bewiesen, dass die Sensoren in Umgebungen einsetzbar sind, welche deutlich von dem Messbereich abweichen, für den sie entwickelt wurden. Zusätzlich zu den Entwicklungsarbeiten wurde im Zuge der ExoMars Mission ein erster Prototyp des MiniHUM Instrumentes konstruiert und gebaut. Zusammen mit der für ein Raumfahrtprojekt nötigen Dokumentation nach ECSS Standard, mit deren Hilfe der Nachweis geführt wurde, dass das Instrument den raumfahrttechnischen Anforderungen entspricht und alle Management-, Produkt- und Qualitätssicherungsmaßgaben eingehalten wurden, konnte in einem Gutachten der ESA ein Technologiereifegrad von 5 erreicht werden.
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    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.
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    Comparison of feedforward and model predictive control of wind turbines using LIDAR
    (2012) Schlipf, David; Pao, Lucy Y.; Cheng, Po Wen
    LIDAR systems are able to provide preview information of wind disturbances at various distances in front of wind turbines. This technology paves the way for new control concepts such as feedforward control and model predictive control. This paper compares a nonlinear model predictive controller and a feedforward controller to a baseline controller. Realistic wind "measurements" are obtained using a detailed simulation of a LIDAR system. A full lifetime comparison shows the advantages of using the wind predictions to reduce wind turbine fatigue loads on the tower and blades as well as to limit the blade pitch rates. The results illustrate that the feedforward controller can be combined with a tower feedback controller to yield similar load reductions as the model predictive controller.
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    Effiziente Rußmodellierung in laminaren und turbulenten Flammen unterschiedlicher Brennstoffe
    (2012) Blacha, Thomas; Gerlinger, Peter (PD Dr.-Ing.)
    Dass Ruß infolge unvollständiger Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe entsteht, weiß man schon seit mehreren Jahrzehnten. Ebenso sind die grundsätzlichen positiven als auch negativen Eigenschaften von Ruß schon seit langer Zeit bekannt. So hat er nicht nur eine große Bedeutung als Industrie- bzw. Füllstoffruß (z.B. in Autoreifen), sondern er sorgt auch in Flammen für eine erhöhte Wärme- und Lichtabstrahlung. Auf der anderen Seite hat sich gerade in den letzten Jahren gezeigt, dass Ruß Krebs erregend sein kann und mit aller Wahrscheinlichkeit zur verstärkten Bildung von Zirruswolken in großen Höhen beiträgt. Dennoch wird bis heute der genaue Vorgang der Rußentstehung, des Wachstums und des Abbaus nicht vollständig verstanden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Modells, welches die Vorhersage von Ruß in bestimmten Anwendungsgebieten ermöglichen soll. Während in der Literatur bereits eine Vielzahl sowohl an sehr einfachen als auch sehr detaillierten Rußmodellen erschienen ist, werden in dieser Arbeit ganz besondere Ansprüche an das zu entwickelnde Modell gestellt. Zum einen soll es nach Möglichkeit eine Genauigkeit aufweisen, die heutigen sehr detaillierten Rußmodellen entspricht, und zum anderen mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand verbunden sein. Gerade der Kompromiss zwischen Genauigkeit und Schnelligkeit stellt dabei eine hohe Herausforderung dar. Die chemischen Reaktionen gasförmiger Spezies werden mit Hilfe eines stark reduzierten kinetischen Reaktionsmechanismus erfasst, welchem je nach Interesse weitere Untermechanismen hinzugeschaltet werden können. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) werden durch einen Sektionalansatz repräsentiert und sind das Bindeglied zwischen Gasphase und Rußchemie. Die Modellierung der Rußpartikel kann wahlweise entweder über ein Zweigleichungsmodell oder einen weiteren Sektionalansatz realisiert werden. Einzelne PAH- und Ruß-Reaktionen werden dabei global betrachtet, was die separate Behandlung angeregter Zustände erspart. Zu den berücksichtigten Mechanismen gehören Bildungsreaktionen, Oxidation, Koagulation und Wachstum durch Kondensation von Acetylen. Das Gesamtrußmodell konnte erfolgreich anhand einer Vielzahl verschiedener Brennstoffe und Flammenkonfigurationen validiert werden. Dabei beschränken sich die entsprechenden Testfälle nicht nur auf vereinfachte laminare akademische Testfälle, sondern die Rußbildung in einer turbulenten Jetflamme und in einer Ringbrennkammer im Originalmaßstab konnten ebenfalls reproduziert werden. Hierbei wurde durch das Modell auch der Einfluss des Umgebungsdrucks auf die Rußproduktion korrekt wiedergegeben. Weitere Analysen verdeutlichen, dass bei Temperaturen oberhalb von 2000K die Reversibilität von PAH-Bildungsreaktionen eine sehr wichtige Rolle spielen kann, denn bei derart hohen Temperaturen wird das chemische Gleichgewicht deutlich von großen Rußvorläufern weg und hin zu kleineren Spezies verschoben. Dass diese Reversibilität in der vorliegenden Arbeit berücksichtigt werden konnte, stellt eine wichtige Errungenschaft dar und ist für eine zuverlässige Rußvorhersage von großer Bedeutung. Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Rußmodellierung - so zeigte sich - ist die starke Temperaturempfindlichkeit von Rußoxidationsmechanismen. Da insbesondere die Wahl von Rußenthalpien als auch die Modellierung von Wärmestrahlung mit Unsicherheiten behaftet sind und einen großen Einfluss auf die berechnete Temperatur haben, kann sich dies signifikant auf die Rußoxidationsraten auswirken. Zuverlässige Rußenthalpiewerte sind in der Literatur nicht verfügbar, aber es wurde in dieser Arbeit eine viel versprechende Strategie vorgestellt, welche die Bestimmung eines Näherungswertes erlaubt. Das verwendete Wärmestrahlungsmodell wurde wegen seiner hohen Recheneffizienz gewählt. Aufgrund der starken Vereinfachungen in diesem Modell ist zu erwarten, dass detailliertere Wärmestrahlungsmodelle zwar zu einer Zunahme der Rechenkosten aber auch zu einer Verbesserung in den Vorhersagen von Rußoxidationsraten führen werden. Das in dieser Arbeit entwickelte Gesamtmodell weist eine Genauigkeit auf, welche sich mit derer aktueller sehr detaillierter Rußmodelle ohne weiteres messen kann. Da es zusätzlich nicht nur durch seine vielseitige Anwendbarkeit, sondern auch seine hohe Recheneffizienz überzeugt, stellt es einen wichtigen Fortschritt in der Rußmodellierung dar, insbesondere in Bezug auf praktische Anwendungen.
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    Numerical simulations of turbulent mixing in complex flows
    (2012) Ivanova, Elizaveta; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    For an accurate gas turbine combustion simulation the quality of the mean and fluctuating velocity, temperature, and species concentration field predictions is of critical importance. A typical flow pattern of a gas turbine combustion chamber comprises several complex jet configurations intricately interacting. Numerical representation of turbulence and mixing in such flows is a challenging task. Different aspects of modeling the turbulence and turbulent scalar mixing in complex jets are considered in this dissertation. Three complex jet test cases are selected for a systematic investigation in the present work: jet in crossflow, confined coaxial swirling jets, and confined coaxial jets without swirl. A comprehensive literature overview on the previous numerical investigations of these flows is given in chapter 1. Three main goals of the present work are formulated. The first one is the critical assessment of the widespread turbulent viscosity and turbulent scalar diffusivity Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approaches in application to the flow and mixing modeling in the selected test cases. The second aim is a thorough evaluation of the statistical data obtained in Large Eddy Simulations (LES) of three main test cases. This goal is set in order to provide a more comprehensive database for validating RANS models and to obtain variables of interest which cannot be determined easily in experiments due to measurement instrumentation limitations. The third aim of the present work is to understand the potential of the Scale-Adaptive Simulation(SAS) method and of the Unsteady RANS (URANS) approach for the mixing modeling in the considered flows. The most important question here is the clarification of the ability of different methods to correctly predict the flame propagation processes in the practically relevant case of autoignition in a jet in crossflow. Chapter 2 develops the theoretical framework of this dissertation. RANS and LES concepts are introduced and common modeling closure approaches for both methods are discussed. Chapter 3 is devoted to the study of the accuracy of RANS in three main test cases and to LES data evaluation. The results of RANS mean and fluctuating velocity and scalar field simulations are validated against experimental data and the outcome of accompanying LES calculations. The LES results, for the most part, agree better with the respective experimental data. Many of the tested RANS models show a clear trend of the underestimation of turbulence and mixing in the considered complex jet configurations. The influence of different equation terms and corrections on the RANS model accuracy is investigated. For a more thorough study, the resolved data fields from LES are used for the evaluation of the Reynolds-averaged turbulent viscosities, turbulent scalar diffusivities, and the main budget terms of the turbulent kinetic energy and the turbulent scalar variance transport equations. This data is also used to extract practically important information on the turbulent Schmidt numbers in the considered flows. The turbulent Schmidt numbers given by LES data evaluation fluctuate around 0.5 for the jet in crossflow case and 0.6 - 0.9 for both confined coaxial jet cases. Other important quantities needed for the validation of the common RANS modeling assumptions, such as production to dissipation ratios, modeling coefficients of the turbulent viscosity equation, turbulent scalar to velocity time scale ratios, are evaluated from LES data as well. This builds a comprehensive database useful for the further refinement of RANS modeling in gas turbine applications. A detailed discussion on the evaluation methods and on the obtained results is provided. In chapter 4 URANS and SAS calculations of the considered complex jet flows are presented.The accuracy of SAS is assessed on all three main test cases by comparing against the RANS and the LES data. For a comparative study of SAS and URANS, the jet in crossflow configuration is selected. The quantitative validation of the results against experimental data is supplemented by the visualization of the vortex structures resolved by both methods. Furthermore, the autoignition and the flame propagation in a jet in crossflow configuration is modeled using both URANS and SAS and qualitative differences in the flame front propagation predictions are assessed.