Search

Wind energy is a growing concern over the present awareness of lethal impact of green house gas emission. This energy source has been proven a promising alternative to fossil fuel based energy. Increased onshore wind capacity and decreased amount of low roughness wind sites has inspired the wind energy researchers to explore the possibilities of wind energy from high roughness sites such as urban area. Moreover, exhausted grid capacity between the wind energy producer from remote area and the consumer at city is also a major constrain for wind energy expansion. Driven by such motivation, this thesis has explored possibilities of wind energy conversion from buildings where energy is needed the most. Urban topography is known to be highly turbulent region considering its roughness characteristics. Wind energy yield from urban aerodynamics is a vast arena of experimental research. Within the time frame of the thesis period and available opportunities, a brief description about the wind energy assessment modelling approach from urban flow was outlined. There are several possibilities of wind energy yield from the built structure, but only building integrated duct was focused in this thesis. Time-averaged and global wind speed on the building integrated ducts, flow around the buildings was measured from wind tunnel and numerical analysis. Available wind energy yield and turbulence present in the locations measured from the flow was calculated based on the wind tunnel data and summarized with the pros and cons of the particular geometry. Elliptical duct configuration was found to achieve maximum energy yield from the omnidirectional free stream flow. However, simple rectangular duct configuration was determined as most efficient and optimized considering its simplicity, financial feasibility and relative energy yield with other duct configuration. The thesis also showed that on roof configuration is also very promising for wind energy exploration from the omnidirectional free stream flow. Necessary recommendations were made based on available result for future development of the research approach. Scope and opportunities was mentioned. This investigation has proved that it is possible to extract limited amount of wind energy from building augmented ducts using concentrator effect of the building exterior. Thus, the thesis concluded that the wind energy yield from building augmented ducts using the concentrator effect of the building exterior is a promising renewable energy source., Windenergie gibt angesichts des gegenwärtigen Bewusstseins für die tödlichen Auswirkungen von Treibhausgasemissionen zunehmend Anlass zur Sorge. Die erhöhte Onshore-Windkapazität und die verringerte Anzahl von Windstandorten mit geringer Rauheit haben die Windenergieforscher dazu inspiriert, die Möglichkeiten der Windenergie von Standorten mit hoher Rauheit, wie z. B. städtischen Gebieten, zu untersuchen. Darüber hinaus ist auch die erschöpfte Netzkapazität zwischen dem Windenergieerzeuger in abgelegenen Gebieten und dem Verbraucher in der Stadt ein großes Hindernis für den Ausbau der Windenergie. Angetrieben von einer solchen Motivation hat diese Arbeit Möglichkeiten der Windenergieumwandlung von Gebäuden untersucht, in denen die Energie am meisten benötigt wird. Die städtische Topographie ist aufgrund ihrer Rauheitseigenschaften als hochturbulente Region bekannt. Darüber hinaus erfordert die Komplexität des städtischen Gebiets aufgrund seiner unterschiedlichen Topographie und Form ein besseres Verständnis in Bezug auf die Aerodynamik. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Möglichkeit der Windenergieausbeute von Gebäuden und die geeignete Designlösung zu untersuchen. Im zeitlichen Rahmen der Arbeit und der verfügbaren Möglichkeiten wurde eine kurze Beschreibung des Modellierungsansatzes für die Windenergiebewertung aus dem urbanen Fluss skizziert. Es existieren mehrere Möglichkeiten der Windenergieausbeute aus der gebauten Struktur, aber in dieser Arbeit wurde nur der gebäudeintegrierte Kanal fokussiert. Die zeitlich gemittelte und globale Windgeschwindigkeit auf den gebäudeintegrierten Kanälen, die Strömung um die Gebäude herum wurde aus dem Windkanal und der numerischen Analyse gemessen. Verfügbare Windenergieerträge und vorhandene Turbulenzen an den aus der Strömung gemessenen Stellen wurden auf Basis der Windkanaldaten berechnet und mit den Vor- und Nachteilen der jeweiligen Geometrie zusammengefasst. Es wurde festgestellt, dass eine elliptische Kanalkonfiguration eine maximale Energieausbeute aus dem omnidirektionalen freien Stromfluss erzielt. Jedoch wurde eine einfache rechteckige Kanalkonfiguration als die effizienteste und optimierte unter Berücksichtigung ihrer Einfachheit, finanziellen Machbarkeit und relativen Energieausbeute mit anderen Kanalkonfigurationen bestimmt. Die Diplomarbeit zeigte auch, dass die Auf-Dach-Konfiguration auch für die Windenergieerkundung aus der omnidirektionalen freien Strömung sehr vielversprechend ist. Notwendige Empfehlungen wurden basierend auf verfügbaren Ergebnissen für die zukünftige Entwicklung des Forschungsansatzes gegeben. Umfang und Möglichkeiten wurden genannt. Diese Untersuchung hat bewiesen, dass es möglich ist, eine begrenzte Menge an Windenergie aus gebäudegestützten Kanälen zu extrahieren, indem der Konzentrator-Effekt der Gebäudehülle genutzt wird.

Received wisdom is that in this age of digital engineering, wind tunnels are in decline. The imminent demise of the wind tunnel has been eagerly anticipated for over 50 years now ... and yet they have stubbornly refused to die. Indeed, the last 10 years have seen high-speed wind tunnels stage a remarkable comeback; new tunnels are being built, existing tunnels are being upgraded, and mothballed tunnels are being reactivated. This presentation has a focus on industrial-scale transonic wind tunnels, reviews the historical development of these facilities and then looks at their current and near-future status., Hamburg Aerospace Lecture Series --- Collection of Presentations --- http://www.AeroLectures.de

Die Ber��cksichtigung von Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI) zwischen Ingenieurbauwerken und dem Wind ist eine fundamentale Herausforderung des Windingenieurwesens. Ein noch nicht vollst��ndig verstandenes FSI-bedingtes Ph��nomen stellen hierbei wirbelinduzierte Schwingungen dar. Um das Verst��ndnis dieser Schwingung bei unter- und ��berkritischen Reynoldszahlen zu verbessern, verwendet diese Arbeit eine hybride Strategie, die auf der Durchf��hrung von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) und dem Heranziehen experimentellen Ergebnissen beruht. Die Bewertung der Simulationsergebnisse durch Validierung mit experimentellen Daten erlaubt in einem zweiten Schritt das Erlangen neuer Erkenntnisse ��ber die Natur von wirbelinduzierten Schwingungen, die ��ber die experimentellen Daten hinaus gehen. Die Simulationen umfassen Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes Simulationen und Large-Eddy-Simulationen an station��ren, gef��hrt bewegten und frei schwingenden Kreiszylinderabschnittsmodellen.

The demand in renewable energy is boosted by the shift of our society towards sustainability and the goal to decarbonize the power sector. Wind industry becomes more important these days and begins to enter urban environment. Smaller vertical axis wind turbines (VAWTs) are advantageous in this flow field of unsteady wind conditions and high turbulence. Literature often only covers incidence ranges up to stall angle. However, VAWTs experience angles far beyond stall, especially during start-up. The thesis describes the aerodynamic performance of a NACA 0021 airfoil section at Reynolds numbers relevant to small wind turbines. Typical wind tunnel blockage effects are reduced using an open test section. Surface pressure measurements and numerical simulations are performed to statically and dynamically gather lift, drag, and pitching moment data of the NACA 0021. The work consists of four publications. Firstly, static experiments are carried out to investigate the lift, drag, and moment performance of the NACA 0021 airfoil at three Reynolds numbers (Re = 100 k, 140 k, 200 k) through 180 degree of incidence. The hysteresis investigations reveal a second hysteresis loop in the deep post stall region, which is strongly characterized by large standard deviations of the pressure signals. These variations are several orders of magnitude larger than those in the classical stall region. The second study concentrates on dynamic sinusoidal pitching movements and compares them to the static lift curves of the first publication. The dynamic experiments vary in reduced frequency k and focus on three ranges of incidence: near stall, post stall, and deep stall. Various bi-stable flow states are discovered and discussed. Bi-stable data sets are separated by a manual binning procedure, allowing for an individual discussion of the various occurring flow phenomena. Further insights are provided by a detailed analysis of the airfoil’s surface pressure distribution. The measurements reveal large lift fluctuations in both the post and deep stall regime. The amplitudes exceed the order of maximum lift in the static lift curves and are not captured by averaged measurements. The third investigation assesses the systematic influences the setup has on the experiments. Numerical studies are used to gain additional insights of the flow field, whilst also simulating the experimental setup as well as a fully undisturbed flow situation. The comparison leads to correction factors that are used to eliminate the systematic influences in the experimental data. Simulations focus on recreating the static lift polars as well as chosen dynamic sinusoidal lift cycles, that were previously tested during the experiments. Numeric data is evaluated in order to discuss the numerical limits in dynamic cycle calculation. The fourth paper is another combined investigation of experimental and numerical data. The focus lies on drag and moment coefficients that have not been included in the previous publications, and a detailed literature comparison is used to validate the experimental results. The simulation setups of the open field and wind tunnel are used to reproduce the experiments, achieving good agreement for static polars, barring some limitations concerning the moment coefficients. The correction factors introduced in the third work are extended to cover also the drag data, and a discussion on the differences in static stall angle and the extent of the hysteresis cycle is presented. Finally, the thesis is completed by introducing an automated binning method. The application of such a method was proposed in the second publication to evade the manual selection of bins, but was not included. The k-means++ clustering method is applied using the available experimental data. A detailed analysis of two selected test cases is able to provide further insights into the bi-stable behavior revealed in the second paper, as well as into the regime of the second hysteresis loop found in the first paper., Die Transformation unserer Gesellschaft hin zu mehr Nachhaltigkeit und kohlenstoffneutraler Energieversorgung verstärkt die Nachfrage nach erneuerbaren Energien. Die Windkraftindustrie gewinnt aktuell weiter an Bedeutung und ist auch immer öfter im urbanen Umfeld anzutreffen. In den dort vorherrschenden Umgebungsbedingungen mit erhöhter Turbulenz und stark schwankenden Winden haben vertikalachsige Windkraftanlagen Vorteile. Die aerodynamischen Daten der hierfür relevanten Profile werden jedoch von der Literatur vorrangig nur in den Winkelbereichen bis kurz nach dem Strömungsabriss betrachtet. Die Flügel von vertikalachsigen Windkraftanlagen durchlaufen jedoch Anströmwinkel weit jenseits und dies insbesondere während des Anlaufvorgangs. Die vorliegende Arbeit beschreibt die aerodynamischen Eigenschaften eines NACA 0021 Profils bei Reynoldszahlen, die typisch für Kleinwindkraftanlagen sind. Oberflächendruckmessungen und numerische Simulationen ermöglichen neue Einsichten in das statische und dynamische Verhalten des NACA 0021 Profils. Die bei Windkanalversuchen typischerweise auftretenden Verblockungseffekte werden reduziert, da die Experimente in einer offenen Teststrecke durchgeführt werden. Das Kernstück dieser Arbeit wird durch vier Publikationen gebildet. Die erste untersucht Auftriebs-, Widerstands- und Momentenverläufe bei drei verschiedenen Reynoldszahlen (Re = 100 k, 140 k, 200 k) über einen 180 Grad Anstellwinkelbereich. Zusätzliche Hystereseuntersuchungen zeigen einen zweiten Hysteresebereich weit jenseits des klassischen Strömungsabrisses. Dieser wird durch stark erhöhte Standardabweichungen charakterisiert, welche mehrere Größenordnungen über denen des klassischen Hysteresebereiches liegen. Die zweite Studie konzentriert sich auf das dynamische Verhalten und untersucht dynamische sinusförmige änderungen des Anstellwinkels und deren Auswirkungen auf den Auftrieb. Die gemessenen dynamischen Polaren werden mit den statischen Messungen der ersten Messkampagne verglichen. Die Versuche fokussieren sich auf drei Winkelbereiche: bis an den Strömungsabriss; im und jenseits des Strömungsabrisses. In jedem dieser Bereiche werden Versuche mit unterschiedlichen reduzierten Frequenzen k durchgeführt. Die Experimente zeigten mehrere bistabile Strömungsphanomäne, die im Rahmen der Arbeit weiter analysiert werden. Hierbei werden die Auftriebspolaren manuell gruppiert, um die Zustände einzeln zu diskutieren. Detaillierte Oberflächendruckverläufe bieten hierbei weitere Einsicht. Die dynamischen Experimente zeigen zusätzlich starke Auftriebsschwankungen jenseits des klassischen Strömungsabriss. Die Amplituden der Schwankungen haben eine Größenordnung, die dem Maximalauftrieb entspricht, und diese werden durch gemittelte Messungen nicht erfasst. Der dritte Artikel konzentriert sich unter anderem auf den Einfluss des Versuchsaufbaus. Numerische Simulationen ermöglichen hierbei den Vergleich zwischen einer ungestörten 2D-Strömung und der simulierten offenen Teststrecke. Die Untersuchungen ermöglichen die Bereinigung der Messdaten durch das Einführen von Korrekturfaktoren. Die statischen und ausgewählte dynamische Experimente wurden zusätzlich numerisch simuliert. Die erhaltenen Daten bilden die Grundlage für eine Bewertung inwieweit die gewählte Simulation die dynamischen Effekte nachbilden kann. Die vierte Publikation kombiniert erneut experimentelle und numerische Untersuchungen. Hierbei liegt der Fokus jedoch auf den Widerstands- und Momentenbeiwerten, die im vorhergehenden Artikel nicht betrachtet wurden. Ein weiterer Vergleich mit Literaturdaten bestätigt die experimentellen Messwerte. Die Wiederverwendung der simulierten Teststrecke und der ungestörten 2D-Strömung erzielt gute übereinstimmungen bei den Widerstandswerten, beinhaltete jedoch Abweichungen bei den Momenten. Die in der dritten Veröffentlichung eingeführten Korrekturfaktoren werden für die Widerstandsbeiwerte angepasst und entsprechend erweitert. Die Unterschiede zwischen Simulation und Experiment, insbesondere die Abweichungen bei der Hysterese und dem Strömungsabriss, werden detailliert analysiert. Im Anschluss an die Publikationen wird eine automatisierte Gruppierung von Messdaten eingeführt. Die Verwendung einer solchen Methode wurde schon in der zweiten Veröffentlichung angeregt, um die manuelle Zuordnung zu ersetzen. Es wird hierzu die Clusterbildung mit Hilfe des k-means++ Algorithmus getestet. Aus den bestehenden Messdaten der Veröffentlichungen werden zwei Testfälle ausgewählt: Zum einen das dynamische Experiment aus der zweiten Veröffentlichung, dass die Grundlage für die Untersuchungen der bistabilen Polaren bildete und zum anderen ein Fall, der den zweiten Hysteresebereich abdeckt, der im ersten Artikel analysiert wurde.

The characterization of the flow around a rotor blade is one of the major topics of research in the wind energy field. In particular, the incident flow determines the performance of the blade. Furthermore, the flow downstream of the rotor is important to assess the turbine performance and wake development. This Thesis examines the flow of a wind turbine model in a wind tunnel by characterizing one specific section and the tip of its rotor blade. Experiments are conducted in order to assess different methodologies and parameters of the study. The wind tunnel facility of the Hermann Föttinger Institut at the Technische Universität Berlin is used. The research turbine model is a three-bladed upwind horizontal axis wind turbine model with a rotor diameter of 3 m. Additionally, analytical and numerical simulations complement the information from the experiments. On the one side, the flow on the blade is assessed by determining the local angle of attack at one specific chordwise blade section. Experimental approaches, i.e. three-hole probes and surface pressure taps, are compared to the results of an analytical method. The pressure-based approach includes an application of a two-dimensional methodology extended into a three-dimensional framework. Results show that the pressure tap method is suitable and provides accurate angle of attack estimations, comparable to the external probe measurements as well as the analytical calculations in terms of several operational conditions. This is a significant step for the experimental determination of the local angle of attack due to fewer requirements and potential applications. On the other side, the flow at the blade tip is evaluated by means of the tip vortices shedding. Phase-locked stereo particle image velocimetry measurements are carried out. Blade tip vortex locations as well as their convection velocity, core radius, and strength are investigated. The results are compared with similar wind tunnels investigations, and simulations in the absence of the walls. The focus then is on getting insights into the wind tunnel constraints. Moreover, data are used to perform an in-depth investigation of vortex identification methods and related schemes. In this way, it is shown that both the wind tunnel confinement and the applied identification methodology are pivotal to ensuring robust results., Die Charakterisierung der Umströmung eines Rotorblattes ist eines der großen Forschungsthemen im Bereich der Windenergie. Insbesondere die Anströmung bestimmt die Leistungsfähigkeit der Schaufel. Darüber hinaus ist die Strömung hinter dem Rotor wichtig, um die Turbinenleistung und die Nachlaufentwicklung zu beurteilen. In dieser Arbeit wird die Strömung eines Windturbinenmodells in einem Windkanal untersucht, indem ein bestimmter Abschnitt und die Spitze des Rotorblatts charakterisiert werden. Es werden Experimente durchgeführt, um verschiedene Methoden und Parameter der Studie zu bewerten. Es wird die Windkanalanlage des Hermann-Föttinger-Instituts an der Technischen Universität Berlin genutzt. Das Modell der Forschungsturbine ist eine dreiflügelige Aufwind-Horizontalachsen-Windkraftanlage mit einem Rotordurchmesser von 3 m. Zusätzlich ergänzen analytische und numerische Simulationen die Informationen aus den Experimenten. Einerseits wird die Strömung am Blatt durch die Bestimmung des lokalen Anstellwinkels an einem bestimmten sehnenförmigen Blattabschnitt ermittelt. Experimentelle Ansätze, d.h. Dreilochsonden und Oberflächendruckabgriffe, werden mit den Ergebnissen einer analytischen Methode verglichen. Der druckbasierte Ansatz beinhaltet die Anwendung einer zweidimensionalenMethodik, die auf einen dreidimensionalen Rahmen erweitert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die Druckabgriffsmethode geeignet ist und genaue Anstellwinkelabschätzungen liefert, die mit den Messungen der externen Sonden und den analytischen Berechnungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen vergleichbar sind. Dies ist ein bedeutender Schritt für die experimentelle Bestimmung des lokalen Anstellwinkels aufgrund geringerer Anforderungen und möglicher Anwendungen. Auf der anderen Seite wird die Strömung an der Schaufelspitze mit Hilfe der Spitzenwirbelablösung ausgewertet. Dazu werden phasenstarre Stereo-Partikel-Bild-Velocimetrie-Messungen durchgeführt. Untersucht werden die Lage der Wirbel an der Blattspitze sowie deren Konvektionsgeschwindigkeit, Kernradius und Stärke. Die Ergebnisse werden mit ähnlichen Untersuchungen in Windkanälen und mit Simulationen ohne Wände verglichen. Der Schwerpunkt liegt dann darauf, Einblicke in die Windkanaleinschränkungen zu erhalten. Darüber hinaus werden die Daten genutzt, um eine eingehende Untersuchung der Wirbelidenti kationsmethoden und der zugehörigen Schemata vorzunehmen. Auf diese Weise wird gezeigt, dass sowohl die Begrenzung des Windkanals als auch die angewandte Identi zierungsmethodik von zentraler Bedeutung sind, um zuverlässige Ergebnisse zu gewährleisten.

Die Bestimmung von Luftwechselraten und Emissionen aus frei gelüfteten Tierhaltungssystemen ist mit großen Unsicherheiten behaftet. Das Ziel dieser Dissertation war die Untersuchung des Einfusses von Probenahmepositionen auf die Bestimmung von Luftwechselraten und Emissionen sowie die Optimierung und Weiterentwicklung derzeit angewandter Methoden. Dazu wurden drei methodische Ansätze in Form eines Drei-Säulen-Modells angewendet: (1) Langzeitmessungen im Experimentalstall - Aufnahme von Gaskonzentrationen zur Ermittlung von Luftwechselraten und Ammoniakemissionen mittels indirekter Massenbilanzmethoden, (2) Versuche im atmosphärischen Grenzschichtwindkanal - Messsungen von Geschwindigkeiten und Gaskonzentrationen an einem Modell des Experimentalstalles zur Ermittlung von Luftwechselraten und Emissionen und (3) numerische Untersuchungen des Modells mit zwei quelloffenen transienten Strömungslösern. Die Ergebnisse zu (1) wiesen, abhängig von der Gasprobenahmestrategie, maximale systematische Unterschiede zwischen den Methoden von bis zu 26 % für die Ammoniakemissionen und 94 % für die Luftwechselraten auf. Basierend auf den Ergebnissen konnten Empfehlungen für Gasprobenahmestrategien in Abhängig der vorherrschenden Strömungsszenarien bei der Anwendung indirekter Massenbilanzmethoden abgeleitet werden. Die Ergebnisse zu (2) zeigten systematische Fehler bei der Ermittlung der Emissionen von bis zu +97 %, wenn Konzentrationsund Geschwindigkeitsmessungen auf einer konstanten Höhe durchgeführt wurden. Dieser Fehler konnte unter 5 % gesenkt werden, wenn die Gaskonzentrationen als vertikale Mischprobe gemessen wurden. Die Ergebnisse zu (3) zeigten eine gute Eignung quellofener, transienter Strömungslöser für den Anwendungsfall eines durchströmten frei gelüfteten Stalles. Die Luftwechselraten konnten mit einem relativen Fehler, The determination of air exchange rates and emissions from naturally ventilated livestock systems is subject to great uncertainty. The aim of this thesis was to investigate the infuence of the number and positions of gas and velocity samplings on the determination of AER and emissions as well as to optimize and further develop currently applied methods. For this purpose, three diferent methods were applied in a three-column approach: (1) on-farm, long-term measurements of gas concentrations in a naturally ventilated dairy barn for the determination of air exchange rates and ammonia emissions by indirect mass balance methods, (2) boundary layer wind tunnel measurements of velocities and gas concentrations on a scaled down model of same the dairy barn for the determination of air exchange rates and emissions by direct measurement and (3) numerical investigations of the scaled down model with two open source transient fow solvers. The results of (1) showed, depending on the gas sampling strategy, maximum systematic differences between the used strategies of up to 26 % for ammonia emissions and 94 % for air exchange rates. Based on the results, recommendations for gas sampling strategies could bederived depending on the prevailing fow scenarios when using indirect mass balance methods. The results of (2) showed systematic errors in the determination of emissions of up to +97 % when concentration and velocity measurements were performed at a constant height. This error could be reduced below 5 % when gas concentrations were measured as vertical composite sample. The results of (3) showed a good feasibility of open source, transient fow solvers for the application of a cross fow through a naturally ventilated barn. The air exchange rates could be simulated with a relative error < 4 %. The fow solvers thus ofer a great potential for detailed further simulations of the air exchange rates and emissions of naturally ventilated animal housing systems. For each of the three methods their respective advantages and limitations could be shown, as well as the synergy efects between the methods. The three-column approach has therefore proven to be a promising approach for the investigation of the complex emission system of naturally ventilated animal housing systems.

Wind: something invisible in motion. This bulletin is dedicated to a movement of visibility and invisibility in the wider environment of our wind tunnel: a movement between people who are inventing a PhD in the arts. A doctorate that focuses for four years on reciprocal exchange between artists from different disciplines, currently between the visual arts, literature, and music. Sharing and challenging are the two guidelines of the PhD programme, as well as contributing to developing the arts through one's work. This contribution as well as sharing and challenging require formats for sharing, which we keep trying out. One of these formats is this bulletin: ideas or materials from the storehouses of our work. Which exist for other artists to continue developing., + ID: 585155 + PeerReviewed

Vortex-induced vibrations represent a potentially critical phenomenon for bridges in a multitude of cases. The increasing optimization of modern bridge structures is giving rise to long spans and slender decks particularly sensitive to vortex shedding, which may generate deck oscillations unacceptable for the comfort of the users even for relatively low wind velocities. At the same time, the variety of geometric details characterizing bridge deck cross sections and the marked influence of an even limited variation of the flow angle of incidence add further difficulties to the prediction of bridge deck VIV response without an accurate and extended experimental campaign. In this context, VIV mathematical modeling represents a challenging but also an attractive issue for bridge decks, not only from a scientific point of view, but hopefully with the practical purpose of developing a mathematical approach able to support or at least partially reduce the amount of wind tunnel tests needed during the design phase. The present dissertation deals with the critical effect of significant cross-section geometric details and flow angle of attack on bridge deck VIV response and these factors are included in an extended study about two mathematical approaches for VIV response prediction applied to different configurations of a realistic bridge section. An overview of representative and meaningful studies provided by scientific literature about the influence of geometric details and angle of attack is firstly proposed, along with a description of mathematical modeling attempts developed over the years for VIV modeling of elongated cylinders with a constant cross section. The variability given by geometric features combined with angle of attack variation over a realistic range of values can be remarkable. This should be preferably taken into account by VIV mathematical modeling, usually developed, on the other hand, for simplified section geometries at zero angle of attack. In this work, a wake-oscillator model, derived from Tamura and Matsui’s one, and a modified version of harmonic model are deeply discussed and employed for a realistic cross-section geometry. For the purpose of exploring the influence of geometric details at different wind angles of incidence, calibrating both models and assessing their performances, wind tunnel tests were performed on a bridge deck sectional model. The modification of bridge section lower corners, the addition of two lateral barrier typologies and the investigation of different angles of attack gave rise to a large amount of tested section layouts. Aerodynamic force measurements were firstly performed on the stationary body and results were employed for mathematical model calibration and to formulate qualitative suppositions about the expected dynamic behavior of different cross-section layouts. Then, aeroelastic tests were carried out, with the model elastically suspended and free to vibrate. Response curves for different values of wind velocity were determined for each geometric layout. They were employed to complete wake-oscillator model calibration and compared to the predictions of both mathematical approaches. A critical effect of lateral barriers installed on the deck was observed, along with marked effects, even unexpected in some cases, produced by limited angle of attack variations. In addition, an estimation of the aerodynamic damping was conducted through free-decay tests. In the last part of the dissertation, VIV response mathematical modeling is addressed specifically. According to what previously stated, a Tamura-type wake-oscillator model and a modified harmonic model were investigated. The first one is a physically based two-degree-of-freedom approach, while the second one is a one-degree-of-freedom simplified model aiming to a quick and relatively easy prediction of the peak response at lock-in. A mathematical connection between the models was explored and both approaches were studied and applied preliminarily for a 4:1 rectangular cylinder and then for the bridge deck geometric configurations experimentally tested at different angles of attack. The modified harmonic model was calibrated only through results of static force measurements, while for the wake oscillator model, in absence of further static tests like flow visualizations, the response curves obtained at low Scruton number were employed to calibrate a part of model parameters. Virtues and limitations of both models are discussed. In particular, the necessity of adapting the wake oscillator design of the Tamura-type model for elongated cross sections, like a 4:1 rectangle or a bridge deck, was observed. Speculations about wake lamina geometry modification were formulated, with the purpose of achieving, for elongated sections, the appropriate values of model parameters without losing their physical origin. On the other hand, wake-oscillator model equations of motion were found able to reproduce a large variety of experimental response curve shapes, while limitations in peak response amplitude prediction were frequently observed, as well as for the modified harmonic model, especially where a considerable oscillation amplitude was found. Such limitations were attributed to the spanwise correlation increase of the vortex-shedding force with the oscillation amplitude; full correlation at lock-in was proposed as upper bound condition for the fluctuating force acting on the body. Pressure measurements for correlation effect quantification and further study about the wake oscillator structure for elongated sections, including the addition of a degree of freedom, are finally proposed as main possible advancements to improve the present work., Wirbelinduzierte Schwingungen stellen für Brücken in einer Vielzahl von Fällen ein potenziell kritisches Phänomen dar. Die zunehmende Optimierung moderner Brückenkonstruktionen führt zu langen Spannweiten und schlanken Überbauten, die besonders empfindlich auf Wirbelablösungen reagieren, woraus schon bei relativ geringen Windgeschwindigkeiten für die Nutzer unzumutbare Schwingungen resultieren können. Gleichzeitig erschweren die Vielzahl geometrischer Details, die den Querschnitt des Brückenüberbaus ausmachen, und der selbst bei begrenzter Variation starke Einfluss des Strömungseinfallswinkels die Vorhersage des VIV-Verhaltens von Brückenüberbauten ohne eine zusätzliche, genaue und umfangreiche Versuchskampagne. In diesem Zusammenhang stellt die mathematische Modellierung des VIV-Verhaltens von Brückenüberbauten eine herausfordernde, aber auch interessante Thematik dar, nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht, sondern auch mit dem praktischen Ziel, einen mathematischen Ansatz zu entwickeln, der die in der Entwurfsphase erforderlichen Windkanalversuche unterstützt oder zumindest dessen Umfang reduziert. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem kritischen Einfluss signifikanter geometrischer Querschnittsdetails und des Anströmwinkels auf das VIV-Verhalten von Brückenüberbauten. Diese Faktoren werden in einer ausführlichen Studie über zwei mathematische Ansätze zur Vorhersage des VIV-Verhaltens berücksichtigt, welche für verschiedene Konfigurationen eines realistischen Brückenabschnitts angewendet werden. Zunächst wird ein Überblick über repräsentative und aussagekräftige Studien aus der wissenschaftlichen Literatur über den Einfluss geometrischer Details und des Anströmwinkels gegeben, zusammen mit einer Beschreibung der mathematischen Modellierungsversuche, die im Laufe der Jahre für die VIV-Modellierung von langgestreckten Zylindern mit konstantem Querschnitt entwickelt wurden. Die Variabilität, die sich aus der Kombination der geometrischen Merkmale und der Variation des Anströmwinkels über einen realistischen Bereich ergibt, kann erheblich sein. Dies ist insbesondere bei der mathematischen VIV-Modellierung zu berücksichtigen, da die Modelle üblicherweise für vereinfachte Querschnitte und einen Null-Grad-Winkel der Anströmung entwickelt wurden. In dieser Arbeit werden ein von Tamura und Matsui abgeleitetes Nachlaufoszillatormodell und eine modifizierte Version des harmonischen Modells eingehend diskutiert und auf eine realistische Querschnittsgeometrie angewendet. Um den Einfluss geometrischer Details bei verschiedenen Windangriffswinkeln zu untersuchen, die beide Modelle zu kalibrieren und ihre Leistungsfähigkeit zu bewerten, wurden Windkanalversuche an einem Sektionsmodell eines Brückenüberbauquerschnitts durchgeführt. Die Veränderung der unteren Ecken des Querschnitts, das Hinzufügen von zwei unterschiedlichen Arten seitlicher Barrieren und die Untersuchung verschiedener Anströmwinkel führten zu einer großen Anzahl getesteter Konfigurationen. Zunächst wurden aerodynamische Kraftmessungen am stationären Körper durchgeführt und die Ergebnisse für die Kalibrierung des mathematischen Modells und der Formulierung qualitativer Vorhersagen über das zu erwartende dynamische Verhalten verschiedener Querschnittsausführungen verwendet. Anschließend wurden aeroelastische Tests durchgeführt, bei denen das Modell elastisch aufgehängt wurde und frei schwingen konnte. Für jede geometrische Ausführung wurden die Antwortkurven bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten ermittelt. Diese wurden mit den Vorhersagen der beiden mathematischen Ansätze verglichen und verwendet, um das Nachlaufoszillatormodell vollständig zu kalibrieren. Es wurde ein kritischer Effekt der auf der Brücke installierten seitlichen Barrieren beobachtet, zusammen mit deutlichen Effekten, die in einigen Fällen sogar unerwartet waren, die durch begrenzte Variationen des Anstellwinkels erzeugt wurden. Darüber hinaus wurde eine Abschätzung der aerodynamischen Dämpfung anhand von Ausschwingversuchen durchgeführt. Im letzten Teil der Dissertation geht es speziell um die mathematische Modellierung der VIV-Reaktion. Wie bereits erwähnt, wurden ein Nachlaufoszillatormodell nach Tamura und ein modifiziertes harmonisches Modell untersucht. Das erste ist ein physikalisch basierter Ansatz mit zwei Freiheitsgraden, wohingegen das zweite ein vereinfachtes Modell mit nur einem Freiheitsgrad ist, welches auf eine schnelle und vergleichsweise einfache Vorhersage der Spitzenantwort beim Lock-in abzielt. Es wurde eine mathematische Verbindung zwischen den Modellen hergestellt. Beide Ansätze wurden zunächst für einen Reckteckzylinder mit einem Seitenverhältnis von 4:1 und anschließend für die geometrischen Ausführungsvarianten des Brückenüberbauquerschnitts bei unterschiedlichen Anströmwinkeln untersucht und angewendet. Das modifizierte harmonische Modell wurde anhand der Ergebnisse aus den statischen Kraftmessungen kalibriert. Für das Nachlaufoszillatormodell hingegen wurden die bei niedrigen Scrutonzahlen ermittelten Antwortkurven aufgrund des Nichtvorhandenseins weiterer statischer Tests, wie Strömungsvisualisierungen, zur Kalibrierung eines Teils der Modellparameter verwendet. Die Vorzüge und Anwendungsgrenzen beider Modelle werden diskutiert. Insbesondere wurde die Notwendigkeit der Anpassung des Nachlaufoszillatormodells nach Tamura für langgestreckte Querschnitte, wie einen 4:1-Rechteckzylinder oder einen Brückenüberbau, festgestellt. Es wurden Vorschläge zur Modifizierung der Nachlauflamellengeometrie formuliert, um für langgestreckte Querschnitte die geeigneten Werte der Modellparameter zu erhalten, ohne ihren physikalischen Ursprung zu verlieren. Andererseits wurde festgestellt, dass die Bewegungsgleichungen des Nachlaufoszillatormodells in der Lage sind, eine Vielzahl von experimentellen Antwortkurvenformen zu reproduzieren, während bei der Vorhersage der Spitzenantwortamplitude häufig Einschränkungen beobachtet wurden, ebenso wie beim modifizierten harmonischen Modell, insbesondere wenn eine große Schwingungsamplitude vorlag. Diese Einschränkungen wurden auf die über die Spannweite verlaufende Korrelationszunahme der Wirbelablösekraft mit der Schwingungsamplitude zurückgeführt; eine vollständige Korrelation beim Lock-in wurde als obere Grenzbedingung für die auf den Körper wirkende fluktuierende Kraft vorgeschlagen. Druckmessungen zur Quantifizierung des Korrelationseffekts und weitere Studien über die Struktur des Nachlaufoszillators für langgestreckte Querschnitte, einschließlich des Hinzufügens eines Freiheitsgrads, werden schließlich als wichtigste mögliche Schritte zur Weiterentwicklung der vorliegenden Arbeit vorgeschlagen.

An experimental investigation has been carried out at an oscillating compressor cascade at the chair for Aero Engines of the Technische Universit at Berlin in Germany. The investigation focuses on the effect of aerodynamic mistuning on aeroelastic stability in a compressor cascade. Aerodynamic mistuning can occur due to manufacturing errors, blade mounting or repair and alters geometrical parameters of the flow passage. It influences the blade surface pressure distribution and can degrade the aeroelastic response of the system. In order to investigate the flutter behavior in the case of aerodynamic mistuning, the aerodynamic response of a mistuned oscillating compressor cascade has been studied. In the measurement section of the test facility, the blades are forced to oscillate sinusoidally in a pitching mode for a wide range of interblade phase angles at different reduced frequencies. The aerodynamic mistuning is introduced by a blade stagger-to-stagger angle variation. Four different mistuning patterns are investigated: one-blade mis-staggering, alternating mis-staggering, random mis-staggering and cases in which all blades in the cascade feature a constant stagger angle alteration. The test facility is equipped with steady and unsteady measurement devices. Firstly, the base flow characteristic is presented for different Mach and Reynolds numbers. The aerodynamic response is acquired by means of unsteady blade surface pressure and strain gauge measurements. The results suggest that aerodynamic mistuning stabilizes or destabilizes the system depending on the nature of the mistuning pattern. For a positive change in stagger angle for the one-blade and alternating pattern, the damping characteristic is maintained for the system. That is, the same unstable interblade phase angle remains unstable compared to the baseline case. For the negative stagger angle variations, the aerodynamic damping turns negative for one interblade phase angle, indicating instability compared to the baseline case. For large negative stagger angle variations of all blades of the cascade, the amplitude of the damping curve is especially affected and dictates the severity of these stability regions. In the past, most of the mistuning research was dedicated to structural blade-to-blade alteration e.g. changes in mass, stiffness and damping, influencing the eigenfrequencies. Thus, the present work contributes to extent the physical understanding of aerodynamic mistuning in a traveling wave test setup and characterizes the underlying mechanisms., In der vorliegenden Arbeit wurde die Auswirkung von aerodynamischer Verstimmung auf die aeroelastische Stabilit��t eines Verdichtergitters untersucht. Die experimentellen Untersuchungen wurden an einem schwingenden Gitter am Fachgebiet Luftfahrtantriebe der Technischen Universit��t Berlin in Deutschland durchgef��hrt. Um die Ver��nderung der aeroelastischen Stabilit��t aufgrund der Verstimmung zu untersuchen, wurde die aerodynamische Antwort des schwingenden Gitters gemessen. Die Schaufeln k��nnen in der Messstrecke zwangsbewegt werden, verschiedene Phasendifferenzwinkel und reduzierte Frequenzen k��nnen untersucht werden. Die Verstimmung wurde mit einer ��nderung des Staffelungswinkels realisiert. Vier verschiedene Verstimmungsmuster wurden untersucht, das erste ist eine Verstimmung der mittleren Schaufel der Kaskade, das zweite ein alternierendes Muster, das dritte ein zuf��lliges und das letzte Muster untersucht verschiedene Testf��lle, in denen der Staffelungswinkel von allen Schaufeln manipuliert wurde. Zuerst wurde die Basisstr��mung f��r verschiedene Mach- und Reynoldszahlen untersucht. Die aerodynamische Antwort des schwingenden Gitters wurde mit instation��ren Drucksensoren und Dehnmessstreifen gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verstimmung stabilisierend oder destabilisierend auf das System wirken kann, abh��ngig vom Verstimmungsmuster. F��r das erste und zweite Muster in Kombination mit einer positiven ��nderung des Staffelungswinkels zeigt das System eine ��hnliche D��mpfungscharakteristik im Vergleich zum Referenzfall d.h. das Vorzeichen der D��mpfung bleibt f��r die untersuchten Phasendifferenzwinkel erhalten. Eine negative ��nderung des Staffelungswinkels f��r die gleichen Testf��lle zeigt, dass das Vorzeichen der D��mpfung f��r einen untersuchten Phasendifferenzwinkel von einem stabilen zu einem instabilen Zustand wechselt. Der dritte Testfall zeigt kaum eine Auswirkung auf die aeroelastische Stabilit��t des Systems. F��r gro��e negative ��nderungen des Staffelungswinkels von allen Schaufeln im Gitter, ��ndert sich die Amplitude der D��mpfungskurve und bestimmt die Schwere dieser Stabilit��tsbereiche. In der Vergangenheit konzentrierten sich die Forschungsvorhaben im Bereich Verstimmung auf die Manipulation von Masse, Steifigkeit und D��mpfung; Parameter, die die Eigenfrequenzen der Schaufeln ��ndern. Die vorliegende Arbeit soll zu einer Erweiterung des physikalischen Verst��ndnisses einer aerodynamisch verstimmten Kaskade beitragen, charakterisiert die zugrundeliegenden Mechanismen und gibt einen Ausblick, wie die Ergebnisse in Verdichterentw��rfen ber��cksichtigt werden k��nnen.

Induced cross-draft and natural ambient winds affect cooling fan performance in air-cooled condensers, which is a considerable detrimental factor to power plants in arid regions. Against this background, this work tries to comprehensively examine the various effects of uniform ambient flow fields on single axial fans. Deviating from the common approach in pertinent research to study multiple fans operating in an array, this work's research examines a single fan inside a uniform flow field under varying conditions. Investigated fan parameters include operating point, blade shape, installation conditions, and orientation in flow field. A specific fan test rig was designed and used to assess ambient flow field influence on integral fan performance in a wind tunnel environment. Detailed information on the resultant flow field is investigated using Laser Doppler Anemometry and numerical methods. Fan blade vibration is captured with Tracking Laser Scanning Vibrometry. Finally, this work presents experimental and numerical investigations of the cross-flow influence on fan noise.

Dynamic stall is experimentally and numerically investigated on a pitching double-swept helicopter rotor blade tip. The aerodynamic and structural design of the instrumented wind tunnel model is presented. The influence of many aerodynamic parameters on the dynamic stall is shown. The crossflow velocities lead to a delayed stall and a decreased lift at the kink. Time shifted flow separation occurs inboard and outboard of the kink. A sharp gradient in the global pitching moment is avoided.

Investigations of high Reynolds number pipe flow is up to now a great challenge due to the complex mechanisms which appear in pipe flow turbulence. Hence, suitable experimental facilities are necessary to resolve turbulent dynamics and therewith to provide the knowledge for the understanding of such a simple shear flow. For this reason the recent thesis deals with conceptual design and setup of a new high Reynolds number pipe test facility further on named CoLaPipe - Cottbus Large Pipe. It also comprises first investigations on pipe flow obtained from the new CoLaPipe, which can be classified into 1.)calibration measurements to put the facility into service and 2.)continuative measurements to provide experimental results helping to understand pipe flow. The first results within the CoLaPipe show that this new experimental facility is suitable to investigate turbulence at high Reynolds numbers, where this conclusion can be drawn from intensive investigations on the development length of the flow either for natural and artificial transition. From further experiments on the evaluation of the wall friction velocity using different estimation methods great difficulties and variations in the calculated values are obtained. These deviations are directly related to the scaling behavior of the mean and fluctuating velocity, which is also shown within this thesis and intensively discussed. Among the discussion of the setup of the new CoLaPipe and the first experimental results this thesis contains a broad literature review with the focus on high and very high Reynolds numbers. Nevertheless, pipe flow at low and moderate Reynolds numbers is described as well. Untersuchungen an Rohrströmungen bei hohen Reynoldszahlen sind bis heute eine große Herausforderung aufgrund der komplexen Mechanismen die innerhalb turbulenter Rohrströmung auftreten. Daher ist es notwendig geeignete Experimente zu etablieren, um turbulente dynamische Prozesse aufzulösen und somit das Wissen zur Verfügung zu stellen diese vollständig zu verstehen. Aufgrund dessen beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit der Konzeptionierung und dem Aufbau eines neuen Rohrwindkanals mit dem Fokus auf hohen Reynoldszahlen. Diese neue Anlage wird als CoLaPipe bezeichnet, was sich von Cottbus Large Pipe ableitet. Außerdem umfasst diese Arbeit erste experimentelle Untersuchungen und Ergebnisse, die sich unterteilen lassen in 1.) Kalibrationsmessungen zur Inbetriebnahme sowie 2.) weiterführende Messungen. Die ersten Ergebnisse der CoLaPipe zeigen, dass die neu konzipierte und aufgebaute Anlage geeignet ist um Untersuchungen zur Turbulenz bei großen Reynoldszahlen durchzuführen. Diese Aussage kann anhand intensiver Studien zum Verhalten der Einlauflänge in Rohrströmungen bei verschiedenen Randbedingungen, hier natürliche und erzwungene Transition, bestätigt werden. Weiterführende Experimente zur Bestimmung der Wandschubspannung unter Einbeziehung verschiedener Methoden haben gezeigt, dass an dieser Stelle große Schwierigkeiten und damit Abweichungen der Ergebnisse auftreten. Das wiederum spiegelt sich direkt im Skalierungsverhalten der Hauptströmungs- und Schwankungsgeschwindigkeit wieder, was detailiert in dieser Arbeit diskutiert wird. Neben der Einführung der neuen CoLaPipe und der Diskussion der ersten Ergebnisse beinhaltet diese Dissertation eine umfassende Literaturrecherche mit dem Fokus auf hohen und sehr hohen Reynoldszahlen. Doch zum Verständnis von Rohrströmungen sind die Mechanismen und Dynamiken der kleinen und mittleren Reynoldszahlen ebenso wichtig und finden daher zusätzlich große Beachtung.

This thesis focuses on the isolator of a Scramjet engine. The influence of wall and total temperature on the flow field is investigated with the help of different wind tunnel models. The wall temperature is varied from 300 K to 1000 K and the total temperature between 1150 K and 2200 K. The free stream Mach number is Ma∞ = 7.5. The experiments are supported by numerical flow simulations. In a typical Scramjet isolator with inlet the shock train as well as a shock boundary layer interaction are investigated. The experiments show that the relation between wall and total temperature is a good similarity parameter here. At constant back pressure the shock train grows upstream into the isolator with increasing wall to total temperature ratio. The flow field that enters the isolator is influenced by the inlet e.g. by the wall temperature. Also the investigated inlet produces an asymmetric profile entering the isolator. A model with rectangular cross section and homogenous inflow is investigated. The entering flow profile is also not influenced by any wall temperature. The isolator inlet Mach number is varied between 2 and 3.5. Here for constant back pressure the shock train length is decreasing with increasing wall temperature. This effect is most prominent when the wall temperature is getting close to the recovery temperature. Therefore the wall to total temperature ratio is not a similarity parameter here. The existing correlation by Waltrup and Billig cannot describe the observed effect quantitatively. It is modified based on the results and does now include the influence of the wall heat transfer. The influence of the flow channel width on the flow field is investigated with an additional model. In that model the isolator width can be varied. At a constant overall pressure rise the additional compression by the leading edge shocks of the side walls leads to a decrease of the shock train length. With increasing ratio between wall area and cross section (closing in on a quadratic cross section) the losses caused by the boundary layer increase and the shock train length is increasing.

Airframe noise testing in open jet wind tunnels is and will be an indispensable means to (i) identify airframe noise sources and develop noise reduction technologies and (ii) to provide validation data in order to support the development of numerical acoustic methods like e.g. CAA codes. Usually such wind tunnel experiments were conducted in small research facilities like DLR's AWB (nozzle size 1.2 m x 0.8 m) using 2-dimensional wind tunnel models featuring a retracted chord length of about 300 to 400 mm. In very rare cases full aircraft models of 1:7.5 to 1:11 scale were tested in the Large Low-Speed Facility of DNW (DNW-LLF), which provides a nozzle size of 8 x 6 m2 and a maximum flow speed of 78 m/s. Even though these full aircraft models provide almost realistic 3-dimensional flow conditions the mean retracted chord length is pretty similar to the 2D test cases. Therefore most airframe noise tests are restricted to a Reynolds number regime between Re=1.0*106 and Re=2.0*106. This finally means that the aerodynamic conditions during most airframe noise wind tunnel experiments do not comply with realistic operating conditions. In order to overcome these deficiencies DLR, Airbus and EADS-IW decided to design a new large scale test bed for airframe noise testing. This plan could be realized in the mainframe of the German national founded research project FTEG (Flight Physics Technologies for Green Aircraft).The finally designed high lift system features a retracted chord length of 1200 mm and a wing span of 7200 mm. It was tested for representative approach conditions and Reynolds numbers up to 5.0*106. By means of this wind tunnel model high Reynolds number slat noise data were acquired that later serve for the validation of the DLR CAA code PIANO. It reveals the slat noise spectra did not contain any relevant tonal slat noise components that are well known from small scale experiments. Dedicated Reynolds number variations gave evidence that (i) low Reynolds number tests on high lift airfoils do not completely represent the broadband sound radiation typical for respective full scale components and that (ii) the tonal components are related to more than one generation mechanism. The new large scale F15LS high lift system successfully proved its ability to enable the assessment of noise reduction technology and the acquisition of validation data for numerical methods under almost realistic flow conditions.

The Chair of Flight Dynamics at the RWTH Aachen University is conducting research on a method for identification of flight mechanical characteristics on free flying models in a wind tunnel. The main goal is to create a eproducible free flight environment for cost effective identification of important values even in an early design stage. The method will combine the advantages of free flight with wind tunnel techniques as it takes the free flight into a reproducible environment under laboratory conditions. The paper gives an overview of the project and provides insight into the work done so far.

Flow investigations on the Hamburg Testcase Model in the wind tunnel Das Untersuchungsobjekt ist der "Hamburg Test Case", das Windkanalmodell einer realen Schiffsform (Containerschiff "Ville de Mercure"). Das Strömungsfeld in einem Quadranten des Modells wurde im Windkanal mit einem Dreikomponenten Laser-Doppler-Velocimeter bestimmt. Die Messungen erfolgten in mehreren Spantebenen. Eine Messebene liegt am Hauptspant, fünf im Heckbereich und eine weitere im fernen Nachstrom. Die Ausdehnung der Messpunktraster überdeckt etwa die Abmessungen des Hauptspants mit Ausnahme am Ort des Hauptspants selbst. Die Begrenzung nach innen wird durch die jeweilige Spantkontur vorgegeben bzw. durch die Symmetrieebene der Strömung. Die Auswertung der Messungen erlaubt die Darstellung des Vektorfeldes der mittleren Geschwindigkeit und einer Komponente des Reynoldstensors.