Optimal placement of binary actuators in deformable optical systems

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2011.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 111-113).Recently, exploration has been conducted into the applicability of binary mechatronics to active figure correction in large optical systems such as space telescopes and ground-based solar-thermal concentrators. This Thesis will continue this exploration. The information-theoretic requirements of the corrective commands required in active optics will be explored to understand the dimensionality of the continuous workspace sampled by binary actuation. In both the minimal expected error and the minimal computation time sense, the optimal discrete workspace is the uniform discrete distribution. A rigorous analogy between binary mechatronics and discrete random variables will be used to show that this optimal workspace is achievable by a linear superposition of actuators with exponentially decreasing influences on the optical surface. It will be proven that elasticity can be exploited to construct mechanisms where constant magnitude actuators exhibit exponentially decaying influences on certain parts of the mechanism, allowing for designs where individual binary actuators correspond to binary bits of the required deformation. A planar truss mechanism designed with this philosophy will be presented and shown to have independent kinematic control of multiple adjacent displacements on its top side. Finally, this design will be shown extend to three dimensions in a manner applicable to optical figure correction. Due to the complexity of mechanisms that meet the optimality criteria, only theoretical analysis will be presented.by Roman Geykhman.S.M

Transition Physics and Boundary-Layer Stability: Computational Modeling in Compressible Flow

Laminar-to-turbulent transition of boundary layers remains a critical subject of study in aerodynamics. The differences in surface friction and heating between laminar and turbulent flows can be nearly an order of magnitude. Accurate prediction of the transition region between these two regimes is essential for design applications. The objective of this work is to advance simplified approaches to representing the laminar boundary layer and perturbation dynamics that usher flows to turbulence. A versatile boundary-layer solver called DEKAF including thermochemical effects has been created, and the in-house nonlinear parabolized stability equation technique called EPIC has been advanced, including an approach to reduce divergent growth associated with the inclusion of the mean-flow distortion. The simplified approaches are then applied to advance studies in improving aircraft energy efficiency. Under the auspices of a NASA University Leadership Initiative, the transformative technology of a swept, slotted, natural-laminar-flow wing is leveraged to maintain laminar flow over large extents of the wing surface, thereby increasing energy efficiency. From an aircraft performance perspective, sweep is beneficial as it reduces the experienced wave drag. From a boundary-layer transition perspective, though, sweep introduces several physical complications, spawned by the crossflow instability mechanism. As sweep is increased, the crossflow mechanism becomes increasingly unstable, and can lead to an early transition to turbulence. The overarching goal of the present analysis then is to address the question, how much sweep can be applied to this wing while maintaining the benefits of the slotted, natural-laminar-flow design? Linear and nonlinear stability analyses will be presented to assess various pathways to turbulence. In addition, companion computations are presented to accompany the risk-reduction experiment run in the Klebanoff-Saric Wind Tunnel at Texas A&M University. Linear analyses assess a wide range of various configurations to inform experimentalists where relevant unstable content resides. A comparison between simulation and experimental measurements is presented, for which there is a good agreement

The Fifth NASA/DOD Controls-Structures Interaction Technology Conference, part 2

This publication is a compilation of the papers presented at the Fifth NASA/DoD Controls-Structures Interaction (CSI) Technology Conference held in Lake Tahoe, Nevada, March 3-5, 1992. The conference, which was jointly sponsored by the NASA Office of Aeronautics and Space Technology and the Department of Defense, was organized by the NASA Langley Research Center. The purpose of this conference was to report to industry, academia, and government agencies on the current status of controls-structures interaction technology. The agenda covered ground testing, integrated design, analysis, flight experiments and concepts

Lattice Boltzmann Methods for Turbulent Flows – Application to Coriolis Mass Flowmeter

Komplexe Strömungsphänomene machen es schwierig Ingenieursanwendungen so detailliert und genau zu simulieren, dass eine Charakterisierung und Verbesserung ihres Funktionsprinzips möglich ist. Diese Arbeit zeigt, dass die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) sehr gut für diesen Zweck geeignet ist. Im Vordergrund stehen hierbei die Simulation und Modellierung von turbulenten Strömungen. Diese lassen sich auf Grund der hervorragenden Parallelisierbarkeit der LBM mit Large-eddy Simulationen an Stelle von Reynolds-gemittelten Navier--Stokes Modellen, die im industriellen Umfeld üblich sind, berechnen. Somit können komplexe transiente turbulente Strömungen simulativ untersucht werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse dienen insbesondere der Auslegung und Optimierung von Bauteilen und Prozessen. Alle beschriebenen LBM Simulationen werden mit der Open Source Software OpenLB durchgeführt. Dazu wird OpenLB erweitert, um eine Validierung von implementierten Turbulenzmodellen mittels kanonischer Strömungsformen zu ermöglichen. Des Weiteren wird ein Framework für die Simulation von Fluid-Struktur Interaktion (FSI) geschaffen. Anfangs werden die Kollisionsoperatoren Bhatnagar--Gross--Krook (BGK), Entropic Lattice Boltzmann (ELB), Two-Relaxation-Time (TRT), Regularized Lattice Boltzmann (RLB) und Multiple-Relaxation-Time (MRT) in der Taylor-Green Vortex Strömung, einem klassischen Beispiel für abklingende homogene isotrope Turbulenz (DHIT), untersucht. Hierbei liegt der Fokus auf Stabilität, Konsistenz und Genauigkeit der verwendeten Schemata. Die Studie beinhaltet den Vergleich der turbulenten kinetischen Energie, der Dissipationsrate der Energie und dem Energiespektrum zu einer Referenzlösung. Drei unterschiedliche Reynoldszahlen, $\mathrm{Re}=800$, $\mathrm{Re}=1600$ und $\mathrm{Re}=3000$, werden sowohl unter Verwendung einer akustischen als auch einer diffusiven Skalierung betrachtet, um den Einfluss der Lattice Machzahl zu charakterisieren. In stark unteraufgelösten Gitterkonfigurationen zeigt das BGK Schema ein instabiles Verhalten. Divergierende Simulationen unter der Verwendung des MRT Schemas sind auf eine starke Abhängigkeit von der Lattice Machzahl zurückzuführen. Obwohl ELB die Viskosität verändert, kann kein Verhalten, das einem Wirbelviskositätsmodell entspricht, gefunden werden. Bei geringen Lattice Machzahlen zeigt das RLB Schema sehr geringe Energielevel bei hohen Wellenzahlen. Der ,,magic parameter" des TRT Schemas wird bestimmt im Hinblick auf den Energieeintrag. Trotzdem wird keine erhöhte Stabilität im Vergleich zum BGK Schema festgestellt. Insgesamt sollte die Lattice Machzahl bezüglich des verwendeten Kollisonsschemas gewählt werden, um die Stabilität zu gewährleisten und die Genauigkeit zu verbessern. Für die Realisierung eines wandmodellierten Large-Eddy Simulation (NWM-LES) Ansatzes wird der BGK Kollisionsoperator ausgewählt. Das Smagorinsky Wirbelviskositätsmodell kommt hierbei zum Einsatz und wird in der turbulenten Grenzschicht mit der van Driest\u27schen Dämpfungsfunktion verwendet. Der Einfluss verschiedener Implementierungen von Geschwindigkeitsrandbedingungen und Wandfunktionen wird in einer biperiodischen, voll ausgebildeten turbulenten Kanalströmung für Schubspannungs-Reynoldszahlen von $\mathrm{Re}_\tau=1000$, $\mathrm{Re}_\tau=2000$ und $\mathrm{Re}_\tau=5200$ untersucht. Die Validierung erfolgt mittels Daten einer direkten numerischen Simulation (DNS) für Turbulenzstatistiken erster und zweiter Ordnung. Die Anwendung dieses Ansatzes auf einen Coriolis Massendurchflussmesser (CMF) zeigt, dass der Druckverlust bis zu einer Reynoldszahl $\mathrm{Re}=127800$ beschrieben werden kann. Des Weiteren wird der entwickelte NWM-LES LBM Ansatz mit OpenFOAM, einer Open Source Implementierung der finititen Volumen Methode (FVM) für komplexe turbulente Strömungen, die relevant für Verbrennungsmotoren sind, verglichen. Der zuvor entwickelte und validierte LBM Ansatz wird mit einer Geschwindigkeitsrandbedingung für gekrümmte Ränder erweitert. Die Ergebnisse beider Strömungslöser werden mit Daten eines Particle Image Velocimetry (PIV) Experiments verglichen. Die Validierung umfasst sowohl die zeitgemittelten als auch die quadratisch gemittelten (RMS) Geschwindigkeitsfelder. Zusätzlich wird sowohl die Laufzeit der Simulation als auch die Dauer der unterschiedlichen Gittergenerierungsprozesse bestimmt. Die Performanceanalyse der getesteten Konfiguration zeigt, dass OpenLB 32-mal schneller ist als OpenFOAM. Folglich ist der entwickelte NWM-LES LBM Ansatz dazu in der Lage, komplexe turbulente Strömungen in einer Ingenieursanwendung akkurat und mit einem verringerten Rechenaufwand zu beschreiben. Wirbel induzierte Vibrationen (VIV) sind ein weiterer wichtiger Anwendungsfall für Ingenieursapplikationen. Für die Untersuchung dieser werden verschiedene Fluid-Struktur Ansätze für LBM implementiert, verglichen und evaluiert. Die zwei untersuchten Klassen sind die Moving Boundary Methods (MBM) und die Partially Saturated Methods (PSM). Als erstes wird die Galiläische Invarianz von aerodynamischen Koeffizienten für die einzelnen Schemata untersucht. Dazu wird das BGK Schema verwendet, um einen exzentrisch positionierten Zylinder in einer Couette Strömung zu simulieren. Überdies werden verschiedene Volumenapproximationsmethoden für PSM und Auffüllmechanismen für MBM verglichen. Sowohl die Gitterkonvergenz als auch die Konvergenz der Galiläischen Invarianz werden betrachtet. Die Studie der VIV-Phänomene umfasst einen transvers oszillierenden Zylinder in einem Freistrom bei einer Reynoldszahl von $\mathrm{Re}=100$. Dabei werden freie und erzwungene Oszillation betrachtet, um bekannte Phänomene, wie Lock-in und Lock-out Zonen, zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl MBM als auch PSM eine gute Übereinstimmung zu Literaturdaten aufweisen, womit die Eignung für VIV-Simulationen bestätigt werden kann. Schließlich wird ein Fluid-Struktur Interaktionsansatz unter der Verwendung eines MBM Ansatzes für die Simulation eines CMFs realisiert. Hierbei wird OpenLB mit Elmer, einer Open Source Implementierung der Finite-Elemente-Methode, gekoppelt, um auch die Strukturdynamik zu beschreiben. Ein gestaffelter Kopplungsansatz zwischen den beiden Softwarepaketen wird präsentiert. Das Finite-Elemente-Gitter wird durch das Gittergenerierungstool Gmsh erstellt, um einen kompletten Open Source Workflow zu garantieren. Zunächst werden die Eigenmoden des CMFs berechnet und mit Messdaten verglichen. Die daraus bestimmte Anregungsfrequenz wird zur Bestimmung des Phasenshifts in einer partitionierten voll gekoppelten FSI Simulation verwendet. Der berechnete Phasenshift zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten und bestätigt, dass dieses Modell in der Lage ist, das Funktionsprinzip eines CMFs zu beschreiben. Die durchgeführten Studien zeigen das große Potential der LBM für die Simulation von Ingenieursapplikationen, insbesondere wenn turbulente Strömungen betrachtet werden

The Third Air Force/NASA Symposium on Recent Advances in Multidisciplinary Analysis and Optimization

The third Air Force/NASA Symposium on Recent Advances in Multidisciplinary Analysis and Optimization was held on 24-26 Sept. 1990. Sessions were on the following topics: dynamics and controls; multilevel optimization; sensitivity analysis; aerodynamic design software systems; optimization theory; analysis and design; shape optimization; vehicle components; structural optimization; aeroelasticity; artificial intelligence; multidisciplinary optimization; and composites

Publications of the Jet Propulsion Laboratory, July 1966 - June 1967 - A bibliography

Bibliography with abstracts of official reports in sciences and engineering as released by Jet Propulsion Laboratory, July 1966 - June 196

Novel MRI Technologies for Structural and Functional Imaging of Tissues with Ultra-short T₂ Values

Conventional MRI has several limitations such as long scan durations, motion artifacts, very loud acoustic noise, signal loss due to short relaxation times, and RF induced heating of electrically conducting objects. The goals of this work are to evaluate and improve the state-of-the-art methods for MRI of tissue with short T₂, to prove the feasibility of in vivo Concurrent Excitation and Acquisition, and to introduce simultaneous electroglottography measurement during functional lung MRI