Energiebasierte Korrelation von strukturdynamischen Messungen mit numerischen Modellen für Strukturen mit hoher modaler Dichte

Aufgrund der stark wachsenden Weltbevölkerung und zunehmenden Globalisierung in Verbindung mit einem meist hohen Lebensstandard ist auch ein Anstieg des Luftverkehrsaufkommens über die letzten Jahrzehnte zu beobachten. Der Luftverkehr ist die schnellste und bequemste Art und Weise, um Güter und Personen über große Distanzen zu befördern. Eine Stagnation dieses Trends ist auch in Zukunft nicht zu erwarten. Die mit dem Luftverkehr steigenden Schadstoffemissionen haben einen zunehmend negativen Einfluss auf Umwelt und Atmosphäre. Durch das wachsende Umweltbewusstsein der heutigen Gesellschaft hat sowohl der Schutz der Umwelt als auch des Klimas einen hohen Stellenwert. Fehlende alternative Energiequellen zwingen die Luftfahrtforschung und -industrie neue und revolutionäre Technologien zu erforschen, um eine nachhaltige Energieversorgung auch in Zukunft zu sichern und die heutigen fossilen Brennstoffe zu ersetzen. Ein gesetztes Ziel der Luftfahrtforschung und -industrie ist eine Reduktion der Kohlenstoffdioxid- und Stickstoffemissionen um 75% und 90% pro Passagier und Kilometer bis zum Jahr 2050. Nicht nur die Schadstoffemissionen haben einen negativen Einfluss auf die Umwelt, sondern auch der von den Flugzeugtriebwerken erzeugte Lärm. Aus diesem Grund ist ein weiteres und nicht weniger wichtiges Ziel bis zum Jahr 2050 die Reduktion des wahrnehmbaren Schalllärms um 65%. Diese Ziele sind Bestandteil der Luftfahrtstrategie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) auf Basis der Strategic Research and Innovation Agenda der Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe (ACARE). Zudem fordert die Luftfahrtindustrie, aufgrund gestiegener Energiekosten, neue energieeffiziente Alternativen zu herkömmlichen Strahlentriebwerken. Bezüglich des Treibstoffverbrauchs und der Schadstoffemission sind moderne Turbopropturbinen eine solche energieeffiziente Alternative im Bereich der Kurzstreckenflugzeuge. Jedoch wird die Reduktion der Schadstoffemission durch erhöhte Lärmabstrahlung an den Triebwerken teuer eingekauft. Deshalb besteht ein Handlungsbedarf der Forschung, um das Ziel der Lärmminderung bis zum Jahr 2050 bei dieser alternativen Antriebstechnik zu gewährleisten. Eine weitere und unabdingbare Herausforderung, welche mit dem erhöhten Lärmpegel einhergeht, betrifft den Komfort der Flugzeugpassagiere. Durch die starke akustische Anregung auf der Außenhaut der Flugzeugkabine ist auch ein erhöhter Lärmpegel innerhalb der Flugzeugkabine unausweichlich. Dieser Zustand kann, ohne weitere Gegenmaßnahmen, auch gesundheitliche Folgen für die Passagiere haben. Ein besseres Verständnis des dynamischen und akustischen Verhaltens einer Flugzeugstruktur ermöglicht es, neue und kommerziell erfolgreiche Lärmminderungsmaßnahmen zu entwickeln. Zu diesem Zweck werden schon frühzeitig in der Entwicklungsphase numerische Modelle eingesetzt. Der für die Akustik relevante Frequenzbereich bei tonaler Anregung durch die Turbopropturbinen ist der sogenannte mittlere Frequenzbereich. Numerische strukturdynamische Modelle, welche für vibroakustische Vorhersagen und Analysen eingesetzt werden, zeigen in dem mittleren Frequenzbereich oft signifikante Abweichungen zu experimentell ermittelten Daten. Die übliche Modellkorrelation, basierend auf experimentell ermittelten modalen Parametern, ist aufgrund der hohen modalen Dichte, die eine solche Flugzeugrumpfstruktur in diesem Frequenzbereich aufweist, fast unmöglich. Diese Arbeit stellt eine Methode vor, welche eine aussagekräftige Korrelation zwischen den Ergebnissen eines Vibrationstests einer Flugzeugrumpfstruktur und deren numerischen Vorhersagen sowohl im tiefen als auch im mittleren bis hohen Frequenzbereich liefert. Die in dieser Arbeit angewendete und neue Methode zur Modellkorrelation wurde von der Statistical Energy Analysis (SEA) inspiriert. Die SEA ist eine auf kinetischen Energien basierende Methode für die Vorhersage von Lärm- und Schwingungspegeln im hohen Frequenzbereich. Bei der SEA wird die Struktur in leicht gekoppelte Substrukturen unterteilt und der kinetische Energiegehalt der Substrukturen in zuvor definierten Frequenzbändern ermittelt. Bei der Vorhersage des kinetischen Energiegehalts einer Substruktur wird eine Analogie zum Wärmeaustausch zweier Strukturen genutzt. Denn auch die kinetische Energie der leicht gekoppelten Substrukturen folgt dem Energieerhaltungssatz. Grundsätzlich wird ein Ausgleich der Energieniveaus der einzelnen Substrukturen angestrebt. Der kinetische Energietransfer zwischen den Substrukturen lässt sich mit Hilfe von Kopplungsverlustfaktoren bestimmen. Diese Kopplungsverlustfaktoren lassen sich nicht nur modellieren, sondern auch experimentell aus der Anregungsenergie und den kinetischen Gesamtenergien der Substrukturen einer invarianten Gesamtstruktur ermitteln. Um die kinetische Gesamtenergie einer Substruktur experimentell zu analysieren, wird die diskrete kinetische Energie räumlich über Substrukturen und spektral über Frequenzbänder aufintegriert. Bei der in dieser Arbeit vorgestellten Methode zur Korrelation von experimentellen und simulierten Daten wird analog vorgegangen. Die räumlich und spektral integrierten kinetischen Energien dienen dem Korrelationskriterium als Korrelationsgröße. Das neue Korrelationskriterium gibt dem Anwender die Möglichkeit, weniger gut korrelierende Frequenzbänder zu identifizieren. In diesen Frequenzbändern muss das numerische strukturdynamische Modell angepasst werden, um die Korrelation zu den Testergebnissen im mittleren und hohen Frequenzbereich zu erhöhen. Auch zeigt die Methode, in welchen Bereichen der Struktur eine solche Anpassung notwendig ist. Mit den räumlich und spektral integrierten Energieverteilungen ist es zudem möglich, stark lokales Schwingungsverhalten einfacher zu interpretieren. Energietransferpfade und kinetisch energiereiche Bereiche einer Struktur sind aufgrund des unregelmäßigen Charakters des lokalen Schwingungsverhaltens oft schwierig zu identifizieren. Die integrierten Energieverteilungen liefern eine gemittelte bzw. globale Betrachtung des lokalen Schwingungsverhaltens. Große Abweichungen in einzelnen Bereichen der integrierten kinetischen Energieverteilung zwischen numerischen Modellen und Testmodellen deuten auf nicht berücksichtigte Transferpfade hin. Diese sowohl räumlich als auch spektral globalisierende und mittelnde Eigenschaft der integrierten kinetischen Energieverteilungen ermöglicht eine gezielte Anpassung, der für die Vorhersage struktureller und akustischer Eigenschaften bzw. Schwingungsbarkeit des neuen Korrelationskriteriums mit realen Testdaten. Die Ergebnisse zeigen, dass das neue Korrelationskriterium zu einer robusten und aussagekräftigen Korrelation führt, auch in Gegenwart von Unsicherheiten in Modellparametern oder aufgrund von Fertigungstoleranzen der verwendeten Bauteile. Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist die Einteilung des gemessenen Frequenzbereichs in tiefen, mittleren und hohen Frequenzbereich. Eine solche Einteilung ist wichtig, um den Gültigkeitsbereich einzelner Verfahren und Vorhersagemethoden, bezüglich vibroakustischer Problemstellungen, aus den gemessenen Übertragungsfunktionen einer realen Strukturen zu identifizieren. Der tiefe Frequenzbereich ist geprägt von einzelnen, eindeutig trennbaren Resonanzstellen und einem globalen Schwingungsverhalten der Struktur. Den hohen Frequenzbereich wiederum kennzeichnet meist eine hohe modale Dichte, starke modale Überlappung und zudem ein stark lokales Schwingungsverhalten. Der Übergangsbereich zwischen tiefem und hohem Frequenzbereich definiert den mittleren Frequenzbereich. Die in dieser Arbeit neu vorgestellte Methode zur Einteilung des gemessenen Frequenzbereichs in einen tiefen, mittleren und hohen Frequenzbereich basiert auf einer Strukturwellenzahlanalyse. Die Strukturwellen einzeln gemessener Betriebsschwingungsformen lassen sich mit Hilfe einer 2D-Fourier-Transformation identifizieren. Eine Analyse dieser Strukturwellen gibt Rückschlüsse auf das Schwingungsverhalten einzelner Strukturkomponenten und ermöglicht sowohl eine Charakterisierung des Schwingungsverhaltens der Gesamtstruktur als auch die Einteilung des gemessenen Frequenzbereichs. Mit Hilfe der Wellenzahlanalyse lassen sich die Frequenzbereiche globalen und lokalen Schwingungsverhaltens voneinander trennen. Diese Arbeit erörtert, anhand der gemessenen Schwingungsantworten einer Flugzeugrumpf-ähnlichen Laborstruktur, das Prinzip der Wellenzahlanalyse und nimmt eine Einteilung des gemessenen Frequenzbereichs vor

Quantitative investigations of in-cylinder flow fields, gas-phase temperatures, and early flame propagation via spatially resolved measurement techniques

Optische in-situ Messtechniken ermöglichen eine berührungsfreie räumliche und zeitliche Analyse der hoch instationären Vorgänge in Verbrennungsmotoren. Abbildende innermotorische Messungen von Strömungsgeschwindigkeiten, Gasphasentemperaturfluktuationen und Flammenausbreitung sind Schwerpunkt dieser Arbeit. In einem optisch zugänglichen Einzylinder-Ottomotor wurden die für den Wandwärmeübergang und die Selbstzündkinetik wichtigen vektoriellen und wandnahen skalaren Grö-ßen hochaufgelöst und quantitativ abgebildet. Zusätzlich wurde in Experimenten der Einfluss zykli-scher Schwankungen auf die frühe Flammenausbreitung untersucht, sowie die Interaktion der Flam-menfront mit dem Feuerstegvolumen analysiert. Als ortsaufgelöste quantitative Messtechniken wurden Particle Image Velocimetry (PIV) und laserinduzierte Tracerfluoreszenz (Tracer-LIF) eingesetzt. Für die Visualisierung der Zündung und der frühen und späten Flammenausbreitung wurde das Eigen-leuchten der Verbrennung bei kHz-Raten detektiert. Der Großteil der experimentell gewonnenen Da-tensätze floss in die Validierung von Grobstruktursimulationen (LES) bei verschiedenen Projektpart-nern ein, deren Ergebnisse hier zusammenfassend dargestellt sind. Neben den Untersuchungen am optisch zugänglichen Verbrennungsmotor wurden weitere Strömungs-messungen an einem stationär durchströmten Zylinderkopf mit gleicher Geometrie durchgeführt. Der Fokus dieser Experimente lag dabei auf einer systematischen Analyse der Einlassströmung. Die lokale Strömungsablösung am Einlassventil und Ventilspalt sowie die nachfolgende Ausbildung (teil)kohärenter Strömungsstrukturen im Zylinder wurden dabei mithilfe räumlich hochauflösender PIV bei unterschiedlichen Einlassrandbedingungen untersucht.Non-intrusive optical in-situ diagnostics enable detailed analysis of the unsteady processes in internal combustion engines. The focus of this work were two-dimensional measurements of flow velocities, gas-temperature fluctuations, and flame propagation in an IC engine. The quantities relevant for wall-heat transfer and auto ignition were imaged with high resolution in an optically accessible single-cylinder spark-ignited engine. Also, the impact of cyclic variability on early flame propagation was studied, as well as the interaction of the flame front with the top-land crevice volume. Particle image velocimetry (PIV) and laser-induced tracer fluorescence (tracer-LIF) were applied for quantitative two-dimensional measurements. For the visualization of ignition and early and late flame propagation, chemiluminescence was imaged at kHz rates. The majority of the recorded datasets was used to validate large-eddy simulations (LES) of collaborators, whose results are briefly summarized for reference. In addition to the investigations in the optically accessible IC engine, further flow measurements were carried out in a cylinder head with the same geometry on a flow bench. The focus of these experiments was on a systematic analysis of intake flow. The local flow separation at the intake valve and the valve gap as well as the subsequent formation of semi-coherent flow structures in the cylinder were studied for a range of intake conditions using high-resolution two-component PIV

Einfluss komplexer Oberflächenstrukturen auf das aerodynamische Verlustverhalten von Turbinenbeschaufelungen

Der Einsatz von Gasturbinen für den Antrieb von Flugzeugen wird aufgrund der hohen Leistungsdichte und Wirkungsgrade auch in den kommenden Jahrzehnten ohne Alternative sein. Dabei nimmt die Bedeutung von ökonomischen und ökologischen Aspekten stark zu. Um die Betriebskosten von Gasturbinen zu reduzieren, ist ein Weg bereits während der Produktion und Reparatur die Wechselwirkung von Fertigungsprozessen und funktionalen Eigenschaften zu berücksichtigen. Ein großes Potential die Reparaturkosten zu senken liegt in der Wartung von Hochdruckturbinenschaufeln, die aufgrund hoher thermischer und mechanischer Belastung einem hohen Verschleiß unterliegen. Durch eine geschickte, lokale Reparatur von Turbinenschaufeln, kann die Reparaturzeit gesenkt werden. Besondere Bedeutung kommt bei der Reparatur der Oberflächenbeschaffenheit der Turbinenschaufeln zu, da durch Oberflächenrauheiten der Wirkungsgrad signifikant gesenkt wird. Für eine geschickte und effiziente Reparatur ist daher die Kenntnis über die Wechselwirkung von Oberflächenrauheiten mit den lokalen Strömungsbedingungen entlang der Schaufeloberfläche notwendig. Ein Merkmal betriebsbeanspruchter Turbinenschaufeln ist eine lokale Inhomogenität in der Höhe, der Dichte und Anordnung von Rauheitselementen auf Turbinenschaufeln. Aus Messungen von Oberflächenstrukturen betriebsbeanspruchter Turbinenschaufeln ergibt sich eine charakteristische Rauheitsverteilung, die besonders große Rauheitshöhen an der Vorderkante aufweist. Die Parametrisierung erfolgt mit Hilfe der äquivalenten Sandkornrauheit, um eine dreidimensionale Topographie in einen skalaren Kennwert zu überführen. Zur quantitativen Beschreibung der Isotropie bzw. Anisotropie der Oberflächenrauheiten wird ein Anisotropie-Parameter ΛA eingeführt. In dieser Arbeit werden experimentelle Untersuchungen zum Einfluss lokaler und komplexer Oberflächenstrukturen auf das aerodynamische Verlustverhalten von Turbinenbeschaufelungen durchgeführt. Dafür wird eine Schaufel ausgelegt, die eine ähnliche aerodynamische Belastung aufweist wie der Mittenschnitt einer Hochdruckturbinenschaufel eines modernen Flugtriebwerks. Aus den Rauheitsmessungen werden Oberflächenmodelle abgeleitet und auf der Turbinenschaufel appliziert. Aus Grenzschicht- und Nachlaufmessungen sowie Messungen der Profildruckverteilung folgt, dass Rauheiten im Wesentlichen den Reibungswiderstand beeinflussen. Abhängig von der Rauheitsposition auf der Schaufel ergeben sich stark unterschiedliche Verluständerung bis zu einer Erhöhung der Profilverluste von 11%. Mit Hilfe Direkter Numerischer Simulationen (DNS) erfolgt eine Klärung der Ursachen der Verlustentstehung von Rauheiten in der turbulenten Grenzschicht. Dabei zeigt sich, dass durch Oberflächenrauheiten lokale Druckgradienten in die Grenzschicht induziert werden, welche die Stabilität kohärenter Wirbelstrukturen beeinflussen. Zusätzlich wird eine empirische Rauheitsfunktion anhand von Messwerten aus der Literatur hergeleitet. Dies ist notwendig, da viele technische Rauheiten Höhen von k8+ ≤ 20 aufweisen, die vorhandenen Rauheitsfunktionen für diesen Bereich jedoch keine allgemeingültigen Ergebnisse liefern. Eine Verifikation der allgemeinen Gültigkeit der neuen Rauheitsfunktion erfolgt mittels der DNS verschiedener Oberflächen. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit folgt, dass unter Berücksichtigung der Wechselwirkung der lokalen Strömungsbedingungen mit Oberflächenstrukturen eine lokale Schaufelreparatur möglich ist. In Bereichen stark beschleunigter Strömungen kann die Oberflächenrauheit aus aerodynamischer Sichte vernachlässigt werden. Dadurch ist eine Senkung der direkten Betriebskosten von Gasturbinen über eine Reduzierung der Reparaturzeit möglich

Analysis of Fluid Flow and Heat Transfer in Complex Geometries

In der vorliegenden Arbeit wird detailliert das Zusammenwirken von Sekundärströmungsphänomenen mit dem lokalen Wärmeübergang in Kompaktwärmeübertrager-Geometrien untersucht. Exemplarisch wird ein Rohrbündel-Wärmeübertrager mit ebenen Lamellen und ein neuartiger Flachrohr-Wärmeübertrager mit verkippten Flachrohren betrachtet. Die Analyse ist auf die Identifizierung von lokalen wärmeübergangsintensivierenden Strukturen in einem Reynolds-Zahl-Bereich zwischen Re_dh=3000 und Re_dh=6000 fokussiert. Um auch in den turbulenten Geschwindigkeitsfluktuationen Aussagen über wärmeübergangserhöhende Strukturen treffen zu können, wird die "Proper Orthogonal Decomposition" implementiert. Sie zerlegt die Geschwindigkeitsfluktuationen in räumliche Basisfunktionen, in denen sich für den Wärmeübergang relevante Strukturen zeigen. Mit einem Derivat dieser Methode, der Gappy-POD, wird gezeigt, dass sie sich dazu eignet, Abschattungen durch Geometrieeinbauten in den instantanen Geschwindigkeitsfeldern zu rekonstruieren. In der Strömungsuntersuchung wird die abgeleitete Strömungsgröße dW/dz, das Residuum der Kontinuitätsgleichung, als Kriterium etabliert, mit dem auch aus wandparallelen Messungen Aussagen über das Strömungsverhalten in Wandnormalenrichtung getroffen werden können. Über den Vergleich mit einem Wirbelmodell kann der Zusammenhang zwischen der oben genannten, in Wandnähe bestimmten Strömungsgröße und einer lokalen Wärmeübergangserhöhung bzw. -erniedrigung gezeigt werden. Die Aussagen decken sich mit den von der POD aufgedeckten Strömungsstrukturen in den turbulenten Fluktuationen. Die Arbeit trägt zu einem tieferen Verständnis des komplexen Zusammenspiels von Sekundärströmungseffekten und dem lokalen Wärmetransport in technisch relevanten Wärmeübertrager-Geometrien bei. Dies ist für eine substanzielle Verbesserung derartiger Geräte unabdingbar und führt letztlich zu einem effizienteren Einsatz und einer ressourcenschonenden Verteilung thermischer Energie.This Ph.D. thesis presents a detailed analysis of the relation and interaction of secondary flow features and the local heat transfer in compact heat exchangers. The studied geometries are a fin-and-tube heat exchanger with plain fins and a novel flat-tube heat exchanger with inclined tubes. The main goal of this work is to identify structures that are beneficial to a local heat transfer enhancement. It focuses on the analysis of flows with Reynolds numbers between Re_dh=3000 and Re_dh=6000. Flow structures that effect the local heat transfer are also sought in the turbulent velocity fluctuations. This is done by means of the proper orthogonal decomposition (POD). It allows an optimal linear decomposition of the fluctuating velocity fields in terms of spatial basis functions. Some of the basis functions reveal spatial structures that are relevant to heat transfer. The so-called Gappy-POD is a modified scheme of the standard POD. It is implemented and applied to reconstruct shadowed regions in the velocity fields. The out-of-plane movement of fluid close to the fin is most important to the heat transfer. It cannot be measured directly by the here applied two-dimensional PIV. Therefore, the flow quantity dW/dz, i.e. the residue of the equation of continuity, is calculated and proven to provide reliable information of the wall-normal flow. In conjunction with a vortex model it can be shown that the near-wall distribution of dW/dz is closely related to locally enhanced or reduced heat transfer. Results drawn from this comparison are confirmed by flow structures that are found by the POD analysis. The here presented work fosters a detailed and deep understanding of the interaction of secondary flow phenomena and local heat transfer in complex heat exchangers. The results are necessary for a substantial improvement of the named devices and, consequently, an efficient use and distribution of thermal energy

Vermischung in 3D sphärischen Konvektionsmodellen des Erdmantels

The existence of geochemically distinct reservoirs in the Earth's mantle is inferred from the observation of worldwide rather homogeneous mid-ocean ridge basalts (MORB) on the one side and heterogeneous ocean island basalts (OIB) on the other side. How can these observations be reconciled with geophysically favoured large-scale convection? ... is an unresolved problem of global geodynamics. In this thesis stirring properties of 3-D spherical models of convection in the Earth's mantle are investigated numerically. Attempts to make the models more earthlike are described. It is proposed as a working assumption for future, more detailed investigations that there may have been a change from small-scale to large-scale convection during the evolution of the mantle

Simultaneous Solution to Wind-Structure-Interaction

Ein simultanes Lösungsverfahren für Fluid-Struktur-Wechselwirkungen aus dem Bereich der Bauwerksaeroelastik wird vorgestellt. Die Modellierung der Tragwerksdynamik erfolgt mit der geometrisch nichtlinearen Elastizitätstheorie in total Lagrangescher Formulierung. Die Strömung wird mit den inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben, und wenn Turbulenzeffekte massgeblich sind, kommen die Reynolds-Gleichungen in Verbindung mit dem k-omega-Turbulenzmodell von Wilcox zum Einsatz. Die einheitliche Diskretisierung beider Felder mit der Raum-Zeit-Finite-Element-Methode führt zu einem konsistenten Berechnungsmodell für das gekoppelte System. Da die isoparametrischen Raum-Zeit-Elemente ihre Geometrie in Zeitrichtung ändern können, erlaubt die Methode eine natürliche Beschreibung des infolge Strukturbewegungen zeitveränderlichen Strömungsgebiets. Die gewichtete Integralformulierung der Kopplungsbedingungen mit globalen Freiwerten für die Randspannungen sichert eine konservative Kopplung von Fluid und Struktur. Beispielhafte Untersuchungen aeroelastischer Instabilitäten von Brückenquerschnitten und selbsterregter Flatterschwingungen von eigengewichtsvorgespannten Membranen belegen, dass die simultane Lösung des streng gekoppelten Systems zu einem effizienten Berechnungsverfahren mit hoher Konvergenz und Genauigkeit der numerischen Lösung führt.A simultaneous solution procedure for fluid-structure interaction problems in the area of building aeroelasticity is presented. The structural motion is described by a geometrically nonlinear theory for elastic deformation behavior using a total Lagrangian approach. The flow field is modeled by the incompressible Navier-Stokes equations, which will be Reynolds averaged, if turbulence effects are essential. In this case, the k-omega turbulence model of Wilcox is used. The space-time finite element method is applied to both continua leading to a consistent discretization of fluid and structure. Since isoparametric space-time elements are adaptable in time direction, the method implies a natural description of the time dependent fluid domain, which has moving boundaries as a result of structural deformations. In order to enforce momentum conservation between both continua, a weighted residual formulation of coupling conditions is introduced using boundary tractions as additional variables. Numerical investigations of aeroelastic instabilities of bridge deck cross sections and flutter phenomena of gravity prestressed membranes demonstrate efficiency and versatility of the numerical scheme, which ensures high convergence and accuracy due to the simultaneous solution of the strongly coupled system