A comprehensive approach to scenario-based risk management for Arctic waters

While society benefits from Arctic shipping, it is necessary to recognize that ship operations in Arctic waters pose significant risks to people, the environment, and property. To support the management of those risks, this article presents a comprehensive approach addressing both short-term operational risks, as well as risks related to long-term extreme ice loads. For the management of short-term operational risks, an extended version of the Polar Operational Limit Assessment Risk Indexing System (POLARIS) considering the magnitude of the consequences of potential adverse events is proposed. For the management of risks related to long-term extreme ice loads, guidelines are provided for using existing analytical, numerical, and semi-empirical methods. In addition, to support the design of ice class ship structures, the article proposes a novel approach that can be used in the conceptual design phase for the determination of preliminary scantlings for primary hull structural members.Peer reviewe

3D-Strömungsfeldmessungen an bewegten Tragflächen

Die instationären dreidimensionalen Strömungsvorgänge auf einem periodisch bewegten, rechteckigen Tragflügel wurden unter Verwendung der tomographischen PIV vermessen. Hierfür wurde ein flexibel einstellbarer und traversierbarer Messaufbau entworfen. Durch die Verwendung von sensitiven sCMOS Kameras und einem Leistungsstarken Laser konnte eine hohe Volumendicke und eine hohe räumliche Auflösung erzielt werden. Anhand von drei gemessenen Phasenpositionen werden die Wirbelsysteme einer definierten Bewegung, bei einer Reynoldszahl von Re = 18.000, quantifiziert und dargestellt

Experimental Flow Field Investigations for ‚MICRO AIR VEHICLES‘ in Flapping Motion

Accompanying the growing interest in Micro Air Vehicles (MAV) over recent decades investigations for flapping flight of birds and insects have been increased. Although up until the present many basic phenomena have been explored and are understood, there are nevertheless still many unanswered questions. The present paper discusses first results of a measurement campaign for investigating flapping flight in more detail. The results presented refer to flow field measurements using Particle Image Velocimetry (PIV) applied in span-wise distributed planes on the upper side and wake of specially designed MAV models. The spatial flow topology and the interaction of vortex structures are shown. Special attention is paid to the differences between two types of motion: pure plunge and a combination of plunge and pitch motion. For the second type a strong reduction of the vortex structures is visible which is related to a reduction of the effective angle of attack

Experimentelle Strömungsfeldanalysen an bewegten Tragflügeln bei kleinen Reynolds-Zahlen

Der Schlagflug tritt in der Natur in vielfältiger Form auf und zeichnet sich dadurch aus, dass Auf- und Vortrieb mit diesem Mechanismus gekoppelt generiert werden können. Die technisch meistgenutzte Methode zur Auftriebserzeugung, die stationäre Profilumströmung, zeigt für Reynolds-Zahlen unter Re = 100 000 erhebliche Effizienzeinbußen. Diese Arbeit greift die Faszination des Schlagfluges auf und setzt sich zum Ziel, die vorherrschenden instationären Strömungsvorgänge weiter zu entschlüsseln. Hierfür werden drei optische Messaufbauten entwickelt und in einem Windkanal der TU-Braunschweig angewendet. Dieser verfügt über einen Modellbewegungsapparat und ist für niedrige Reynolds-Zahlen ausgelegt. Weiterhin werden Verfahren zur Beschreibung der zeitlichen und räumlichen Entwicklung von Wirbeln entwickelt und auf die gemessenen Strömungsfelder angewendet. Die stereoskopische „Particle Image Velocimetry“, oder kurz PIV-Messmethode, wird verwendet, um mit einer großen Messmatrix einen breiten Einblick in die Phänomene am harmonisch schlagenden Flügel zu bekommen. Detailuntersuchungen werden mit einem speziell entwickelten tomographischen PIV-Messaufbau durchgeführt. Die räumlich hoch aufgelösten 3D-Strömungsfelder werden direkt auf der Oberseite der schlagenden Tragflächen gemessen. Die Einflüsse unterschiedlicher Flügelgeometrien und Schlagmuster werden untersucht. Es zeigt sich während des Abschlages stets eine im Vergleich zur Umströmung am stationären Modell kompaktere Vorderkantenablösung bei äquivalenten Anstellwinkeln. Weiterhin sind abgelöste Bereiche beim Abschlag stärker beeinflusst durch die Randwirbel, wodurch eine ausgeprägte laterale Einschnürung der Strömung vorliegt. Die Strömung bildet sich am bewegten Modell verzögert aus, zeigt aber insbesondere im unteren Bereich der Bewegung sehr hohe Zirkulationswerte der bewegungsabhängig generierten Vorderkantenwirbel. Diese prägen je nach Bewegungsform das Strömungsfeld auf der Modelloberseite bis zum unteren Totpunkt oder sogar darüber hinaus. Je größer die effektiven Anstellwinkel werden, desto stärker entwickeln sich die Wirbel an der Vorderkante. Es wird gezeigt, dass bei größerer Strouhal-Zahl und reduzierter Frequenz kohärentere Wirbel mit höherer Zirkulation generiert werden. Auch ist das Aufbrechen der Randwirbel in unterschiedlicher Ausprägung dargestellt. Ein weiterer stereoskopischer PIV-Messaufbau wird konzipiert, um die zeitliche Entwicklung der Wirbel zu quantifizieren. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass Teile des Systems mit der Bewegung geführt werden, um eine hohe Aufnahmerate zu ermöglichen. Anhand von Parametern wie dem Radius, der Zirkulation und der Konvektionsgeschwindigkeit wird gezeigt, wie die Vorderkantenwirbel entstehen und abschwimmen. Ein Vergleich zweier Nick- und eines Hubmanövers mit demselben Verlauf des effektiven Anstellwinkels zeigt deutlich, dass die Strömung sich bei zurückliegender Nickachse verzögert entwickelt, da an der Vorderkante eine überlagerte Relativgeschwindigkeit vorliegt. Die Seitenkantenumströmung weist Unterschiede auf, wodurch laterale Differenzen in der Ausbreitung der Vorderkantenwirbel auftreten. Das reine Hubmanöver zeigt verringerte Bewegungsabhängigkeit und eine niedrigere Frequenz der Vorderkantenwirbelgenerierung. Es werden jedoch höhere Zirkulationswerte erreicht und die Wirbel werden etwas größer. Das Hubmanöver verdeutlicht weiterhin große Unterschiede in der Randwirbelentwicklung. Dieser bildet sich hier verzögert aus, zeigt aber größeren Einfluss auf die Strömungsstrukturen auf dem Innenflügel. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mit Hilfe der entwickelten Messsysteme und Analyseverfahren ein tiefer gehender Einblick in instationäre aerodynamische Effekte am bewegten Tragflügel, und hier insbesondere in die Wirbelentwicklung, gegeben wird

Weiterentwicklung eines optischen Messsystems zur Bestimmung der Massenkräfte von periodisch bewegten „Micro Air Vehicle“ Tragflügelmodellen im Windkanal

Im Rahmen des DFG-Projektes „Instationäre Aerodynamik von Tragflügeln bei kleinen Reynolds-Zahlen“ sollen Messungen der aerodynamischen Kräfte von im Windkanal periodisch bewegten Tragflächen verschiedener Geometrien und Bewegungsparameter durchgeführt werden. Hintergrund ist eine Bewertung der aerodynamischen Effizienz hinsichtlich des erzeugten Auf- und Vortriebes (wobei der Vortrieb im Vordergrund steht) durch kombinierte Nick- und Hub-Bewegungen für eine Anwendung auf „Mirco Air Vehicle“ (MAV). Da die Massenkräfte hierbei deutlich größer sind als die aerodynamischen Kräfte der kleinen Tragflügel, ist eine Kompensation der mittels Windkanalwaage gemessenen Kräfte erfahrungsgemäß mit größeren Unsicherheiten behaftet. In dieser Arbeit soll ein neuer Ansatz verfolgt werden. Die lokalen Beschleunigungen der Tragflügel sollen mit Hilfe der optischen Oberflächenmesstechnik „Image Pattern Correlation Technique“ (IPCT) sowie Positionserfassungsmethoden ermittelt werden. Hierzu müssen die Tragflügel mit einem Muster versehen werden. Die Oberfläche wird dann mittels zweier High-Speed-Kameras aufgezeichnet und über optische Triangulation rekonstruiert. Umfang der Masterarbeit ist es zunächst das Tragflügelkonzept festzulegen und die Fertigung der CFK-Modelle zu begleiten. Der optische Aufbau zur Beschleunigungsmessung soll zunächst an einem MockUp hinsichtlich der Messgenauigkeit optimiert werden. Hierzu dient ein einfacher Testfall mit einem steifen Testobjekt, welches auf einem definierten Weg verfahren werden kann. Anschließend sollen auf Grundlage des ermittelten Messaufbaus Beschleunigungsmessungen an den Tragflächenmodellen am Institut für Strömungsmechanik (ISM) der TU Braunschweig durchgeführt werden. Die Ergebnisse sollen ausgewertet und analysiert werden

Combined time-resolved PIV and structure deformation measurements for aero-elastic investigations

The interaction of structural (elastic and inertial) as well as aerodynamic forces causes com-plex dynamic aeroelasticity problems. Part of this is the flutter phenomena which is potential-ly destructive and needs to be avoided in most cases. Great effort is made experimentally and numerically for the safety of light weight structures in aeronautics. But experimental in-vestigations of aeroelastic phenomena still represent great challenges

Raw data of strain measurements on the ship structure of RV Polarstern during the MOSAiC expedition

The strain measurement system on bord of the R.V. Polarstern is an autonomous system to record the structural response caused by ice pressure on the ship's structure. For this purpose, 36 strain gauge full bridge circuits are installed on six frames and one deck 2 (F-Deck) in the void spaces 92 and 100 at starboard side between frame 78 and frame 81. The strain signals are measured time synchronously with a Gantner measuring amplifier with an internal sampling rate of 1000 Hz. To ensure a long run time with limited memory, only one data set per second and statistic variables (actual value, minimum and maximum value, mean value and standard deviation) over ten minutes measuring time each are stored on two redundant storage medias. Furthermore, the system is connected with the on-board power supply and the time synchronization server

Raw data of the temperature measurements on the ship structure of RV Polarstern during the MOSAiC expedition

Raw data of the temperature measurements on the ship structure of RV Polarstern during the MOSAiC expeditio

Three-Dimensional Flow Field Investigations of Flapping Wing Aerodynamics

Three-dimensional unsteady flow fields of a flapping, low-aspect-ratio wing have been investigated by means of highly resolved tomographic particle image velocimetry (Tomo-PIV) measurements and computational fluid dynamics (CFD). Furthermore, force measurements have been carried out. Tomo-PIV was applied to the flow above a flat plate wing during the downstroke. High spatial resolution and large volume thickness could be achieved by using sensitive sCMOS cameras and a traversing setup. The CFD calculations covered the complete period of motion. The analysis of the vortex-dominated flow fields provides a deeper understanding of vortex interaction and three-dimensionality of low Reynolds number (Re = 18;000 and Re = 36;000) flows. Two different Strouhal numbers (St = 0.06 and St = 0.13) are considered and their effects on the development of a leading edge and tip vortex are discussed. The PIV results show instantaneous flow fields after a leading edge separation that are dominated by small-scale turbulent vortex structures. The presented CFD approach is able to predict these vortices by using highly resolved meshes. Coarser grids compare well with the phase-averaged experimental flow fields, which feature multiple large-scale leading edge vortices developing during the downstroke. Turbulent effects decrease for the lower Reynolds number. Force and moment hystereses as well as large-scale leading edge vortice circulation, calculated from the PIV results, increase with increasing Strouhal number. Vortex breakdown of the wing tip vortex can be observed during the downstroke in the experimental data

Experimental and numerical investigations of pitch-plunging wing aerodynamics at low Reynolds number

In the present paper, the first results of a broad study of static and moving flat plate wings for Micro Areal Vehicles (MAVs) are presented. Wind tunnel experiments with force measurements and Particle Image Velocimetry (PIV) were performed in a specially designed wind tunnel environment for low Reynolds number investigations. Corresponding numerical flow simulations were also carried out. Effects of the wing shape (elliptical and rectangular), the Reynolds number (18000, 36000 and 108000) and the kinematics using different motion forms of pure plunge and combined pitch/plunge with a reduced frequency of k=0.2 are discussed