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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.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Justagevorgang von Luftströmungssensoren im Windkanal. Da bei der Produktion von hochgenauen Messinstrumenten bereits kleinste Produktionsstreuungen in Abmessung und Bauteilwerten zu Abweichungen des Messwertes führen, benötigt jeder Sensor vor Auslieferung eine Justage. Diese Genauigkeit wird für festgelegten Umgebungsbedingen angegeben. Bedingungen der Umgebung wie Luftdruck, Temperatur sowie Luftfeuchtigkeit werden als Norm- bzw. Standardwerte bezeichnet. Voraussetzung für die Genauigkeit des Strömungssensors selbst ist auch die Genauigkeit des Referenzgebers im Strömungskanal zum Zeitpunkt der Justage sowie die Richtigkeit der mathematischen Rückrechnung von Zustandsgrößen der Luft. Als besonders relevant stellt sich dabei die Temperatur heraus. Andere Umgebungsbedingungen hingegen spielen nur eine untergeordnete Rolle. Die Dichte der Luft - in Abhängigkeit ihrer drei wesentlichsten Umgebungsbedingungen - wird mit Hilfe einer Formel berechnet. Somit wird gezeigt, dass die Anlagenkalibrierung mittels eines Offsets die Anlage im gesamten Messbereich aller Umgebungsbedingungen ausreichend korrigiert. Danach wird eine Systemidentifikation durchgeführt, um einen ersten Eindruck der Messung zu gewinnen. Es wird schnell klar, dass keine Nichtlinearitäten auftreten, obwohl diese erwartet wurden. Stattdessen offenbart sich, dass Zeitverzögerungen und Datenqualität des Referenzsensors zum kritischen Teil der Justage gehören. Die Arbeit konzentriert sich aufgrund der vorliegenden Informationen nun auf den Referenzsensor und versucht die wahre Strömungsgeschwindigkeit durch Messwerte des Referenzsensors zu berechnen. Es wird gezeigt, dass schon relativ einfache Modelle eine sehr hohe Genauigkeit erreichen. Komplexere Modelle mit Basis function expanding, polynomiale Modelle oder durch iterative Regressorauswahl ermittelte Modelle verbessern das Ergebnis nicht. Um den Justageablauf im Windkanal zu verbessern, wird im letzten Teil der Arbeit über mögliche Anlageänderungen nachgedacht. Dabei wird beispielsweise auf die instationäre Sensorjustage durch nichtlineare Systemidentifikation eingegangen. Diese weiteren Möglichkeiten zur Verbesserung des Windkanals bedürfen jedoch noch einer weiteren wissenschaftlichen Auseinandersetzung und werden in dieser Arbeit nur kurz beschrieben. This paper deals with the adjustment process of air flow sensors in the wind tunnel. Since in the production of high-precision measuring instruments even the smallest production variations in dimensions and component values lead to deviations in the measured value, each sensor requires adjustment before delivery. This accuracy is specified for defined environmental conditions. Ambient conditions such as air pressure, temperature and humidity are referred to as standard values. A prerequisite for the accuracy of the flow sensor itself is also the accuracy of the reference sensor in the flow channel at the time of adjustment as well as the correctness of the mathematical back-calculation of state variables of the air. The temperature turns out to be particularly relevant. Other environmental conditions, on the other hand, play only a subordinate role. The density of the air - depending on its three most important environmental conditions - is calculated with the help of a formula. Thus it is shown that the system calibration by means of an offset sufficiently corrects the system in the entire measuring range of all ambient conditions. A system identification is then carried out to gain a first impression of the measurement. It quickly becomes clear that no non-linearities occur, although these were expected. Instead, it is revealed that time delays and data quality of the reference sensor are part of the critical part of the adjustment. Based on the available information, the paper now focuses on the reference sensor and attempts to calculate the true flow velocity using measured values from the reference sensor. It is shown that even relatively simple models achieve a very high accuracy. More complex models with base function expanding, polynomial models or models determined by iterative regressor selection do not improve the result. In order to improve the adjustment procedure in the wind tunnel, possible system modifications are considered in the last part of the paper. For example, transient sensor adjustment by nonlinear system identification is discussed. However, these further possibilities for improving the wind tunnel require further scientific discussion and are only briefly described in this paper. eingereicht von Martin Rogner, BSc Masterarbeit Universität Linz 2023 Arbeit auf den öffentlichen PCs in den Bibliotheken der JKU+Medizin abrufbar

Fragestellung: Ziel der Studie war die Untersuchung der spezifischen Verletzungen der oberen Extremität bei erfahrenen ‚Indoor-SkydiverInnen‘. Im Rahmen der zunehmenden Anzahl von Sport- Windkanälen in Berlin, Deutschland- und weltweit, ist die Anzahl der PatientInnen mit [zum vollständigen Text gelangen Sie über die oben angegebene URL]

Ob auf der Straße, der Schiene oder in der Luft, am Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau faszinieren uns Fahrzeuge, Flugzeuge und die in diesen integrierten mechatronischen Systeme. Das Ziel der Ausbildung am Department ist die Befähigung zur selbstständigen Anwendung von wissenschaftlichen und praxisnahen Methoden aus dem Bereich der Entwicklung und Konstruktion von Straßen-, Schienen- und Luftfahrzeugen aller Art.

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.

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.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Konstruktion eines Windkanals im Maßstab 1:5 ausgeführt. Dazu wird sich Blechbiegeteilen und generativ gefertigten Bauteilen bedient, die mit den Möglichkeiten des Os.Car Racing Teams, sowie der FH Campus Wien, fertigbar sind. Weiters werden einzelne Bauteile mittels CFD- Analyse auf Ihre Eignung hin untersucht. Diese Arbeit kann somit zur Grundlage der Fertigung eines solchen Windkanals dienen. In this thesis, the construction of a wind tunnel in the scale 1:5 is carried out. For this purpose, bent sheet-metal parts and additive manufactured components are used, which comply with the capabilities of the Os.Car Racing Team as well as the FH Campus Wien. Furthermore, individual components are examined for their suitability by means of CFDanalysis. This work can thus serve as the basis for the installation of such a wind tunnel

Windkanäle sind wichtige Werkzeuge der Stadtklimaforschung. Die technischen Umgebungen, die sie hervorbringen, verbinden Fragen von Medienwissenschaft, Meteorologie und Ingenieurswissenschaften. Der Aufsatz untersucht erste Stadtklimastudien in Windkanälen in den 1960er und 1970er Jahren, in denen mit einer Wissenspraktik operiert wird, die sich als analoge Simulation bezeichnen lässt. Mit anderen Formen der Simulation teilt diese eine konstitutive Ungenauigkeit: Ihre Ergebnisse figurieren eine veränderte Form von Faktizität jenseits binärer Unterscheidungen von wahr und falsch. Als Medientechniken der Verarbeitung und -erzeugung von Stadtklimadaten und als Medientechniken der Planung urbaner Gestaltung implementieren Windkanäle den epistemischen Status analoger Simulationen in eine zunehmend institutionalisierte Stadtklimaforschung und prägen deren Wissen über das Verhältnis von Stadt und Klima eminent mit., Wind Tunnels are important tools in urban climate research. Their production of technological environments combines questions of media studies, meteorology, and engineering. In the 1960s and 1970s, the first systematic urban climate studies of wind tunnels operated with a way of producing knowledge that can be called analogue simulation. It shares a constitutive imprecision with other forms of simulation: its results figure an altered form of facticity beyond binary distinctions of true and false. Wind Tunnels are media technologies of processing and producing climate data as well as of planning urban areas. As such, they implement the epistemic status of analogue simulations in an increasingly institutionalised research on urban climate and hence shape knowledge about the relationship between climates and cities.

Eine Zusammenstellung im DLR durchgeführter Normungsprojekte von 2006 bis 2015.

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.

Windkanäle sind wichtige Werkzeuge der Stadtklimaforschung. Die technischen Umgebungen, die sie hervorbringen, verbinden Fragen von Medienwissenschaft, Meteorologie und Ingenieurswissenschaften. Der Aufsatz untersucht erste Stadtklimastudien in Windkanälen in den 1960er und 1970er Jahren, in denen mit einer Wissenspraktik operiert wird, die sich als analoge Simulation bezeichnen lässt. Mit anderen Formen der Simulation teilt diese eine konstitutive Ungenauigkeit: Ihre Ergebnisse figurieren eine veränderte Form von Faktizität jenseits binärer Unterscheidungen von wahr und falsch. Als Medientechniken der Verarbeitung und -erzeugung von Stadtklimadaten und als Medientechniken der Planung urbaner Gestaltung implementieren Windkanäle den epistemischen Status analoger Simulationen in eine zunehmend institutionalisierte Stadtklimaforschung und prägen deren Wissen über das Verhältnis von Stadt und Klima eminent mit. Wind Tunnels are important tools in urban climate research. Their production of technological environments combines questions of media studies, meteorology, and engineering. In the 1960s and 1970s, the first systematic urban climate studies of wind tunnels operated with a way of producing knowledge that can be called analogue simulation. It shares a constitutive imprecision with other forms of simulation: its results figure an altered form of facticity beyond binary distinctions of true and false. Wind Tunnels are media technologies of processing and producing climate data as well as of planning urban areas. As such, they implement the epistemic status of analogue simulations in an increasingly institutionalised research on urban climate and hence shape knowledge about the relationship between climates and cities.

Der vorliegende Bericht entstand im Rahmen des internen Projekts Mephisto des DLR, das von April 2014 bis März 2018 unter Leitung des Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik, Braunschweig, durchgeführt wurde. Eine Aktivität in Mephisto widmete sich der Untersuchung des aerodynamischen Einflusses von statischen und dynamischen Spoilerausschlägen auf einen 2D-Flügel. Die Messungen mit dem DLR-F15DS (dynamischer Spoiler) Modell wurden im DNW-NWB Windkanal in Braunschweig durchgeführt. Das Ziel bestand einerseits darin, die auftretenden strömungsphysikalischen Effekte infolge der Dynamik einer solchen Steuerfläche zu erfassen und zu verstehen. Darüber hinaus wurden die experimentellen Rohdaten entsprechend aufbereitet, um sie für die Validierung von Strömungssimulationen heranziehen zu können. Der vorliegende Bericht fasst die erste (TN 2634, 27.07.2016 bis 09.08.2016) von zwei Messkampagnen zusammen.

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.

Gegenstand der Dissertation ist die experimentelle und numerische Untersuchung eines skalierten Abgasdiffusors einer stationären Gasturbine. Der Modelldiffusor besteht aus einem annularen Diffusor mit zwei Strebenreihen und einem Carnot-Diffusor. Das Ziel der Arbeit ist es, den Druckrückgewinn dieses Modelldiffusors für zwei Zuströmbedingungen gleichsam zu verbessern. Zur Umsetzung dieses Ziels wurden unterschiedliche Geometrien am Nabenende in Windkanalversuchen untersucht, durch welche der Druckrückgewinn im Carnot-Diffusor verbessert wurde. Darüber hinaus wurde mit einem validierten numerischen Modell der annulare Diffusor geometrisch optimiert. Um diese numerischen Ergebnisse abzusichern, wurde eine vom Optimum abgeleitete Diffusorgeometrie im Windkanal untersucht. Diese zeigt für beide Zuströmbedingungen eine Verbesserung des Druckrückgewinns bzw. den gleichen Druckrückgewinn wie die Ausgangsgeometrie und bestätigt den positiven Trend der numerischen Optimierung.

In der Arbeit werden Optimierungsstrategien hergeleitet, welche auf mehreren Betrachtungsebenen angelegt sind. Die Optimierung ist an die restriktiven Randbedingungen von Parabolschalen aus Hochleistungsbeton angepasst. Dabei besteht der Anspruch sowohl an eine massenminierte Struktur zur Reduzierung des materialbedingten monetären Aufwands als auch hoher Steifigkeit zur Sicherstellung der optischen Wirksamkeit. Zur Bestimmung der Verformungen werden Modellansätze für die spezifischen Beanspruchungen und materiell- sowie herstellungsbedingte Formabweichungen hergeleitet. Die Optimierungsstrategie auf konzeptioneller Ebene ist von der Adaption ingenieurtechnisch sinnvoller Tragmechanismen geprägt. Auf Tragwerksebene wird ein direktes Optimierungsverfahren, um eine Voroptimierung mithilfe von sensitivitätsbasierten Metamodellen erweitert. Verschiedene Modelle mit kraftflussaffinen Aussteifungssystemen werden so analysiert und hinsichtlich der gegenläufigen Zielfunktionen bewertet.

In konvektiven Wettersystemen können vertikale Abwinde entstehen. Sehr intensive Abwinde werden als Fallböe oder Downburst bezeichnet. Trifft die Fallböe auf die Erdoberfläche auf, breitet sich die Luft radial aus und verursacht hohe Geschwindigkeiten in Bodennähe, was zu erheblichen Schäden an gebauten Strukturen führen kann. In den Richtlinien zur Auslegung von Windlasten auf Gebäuden wird meist von einer atmosphärischen Grenzschichtströmung ausgegangen. Dies vernachlässigt drei wichtige Eigenschaften von Fallböen: das Vorhanden sein einer Vertikalgeschwindigkeit, maximale Horizontalgeschwindigkeiten in Bodennähe und ein stark instationäres Verhalten. Die Auswirkungen von Fallböen innerhalb städtischer Bebauungsstrukturen und die Unterschiede zu den Annahmen in den einschlägigen DIN-Normen wurden bisher nicht untersucht. Um diese Wissenslücke zu schließen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit verschiedene experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Zunächst wurde eine Böe mithilfe eines Luftstrahls simuliert, die in die Hintergrundströmung eines Windkanals eingebettet war. Die Böe traf auf eine Modellstraßenschlucht. Zu Beginn der Böe hatte sich ein Ringwirbel ausgebildet, der sich oberhalb der Bebauungsstrukturen ausbreitete. Ein Vergleich von stationären und instationären Experimenten zeigte, dass das plötzliche Auftreten der Böe, zusammen mit dem Ringwirbel, zu einer zusätzlichen Erhöhung der Geschwindigkeiten in der Straßenschlucht führt. Im nächsten Schritt wurde der Einfluss einzelner Randbedingungen unter Vernachlässigung der Hintergrundströmung systematisch untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Vertikalgeschwindigkeit auf Dachhöhe und der Volumenstrom in die Straßenschlucht linear vom Verhältnis der Gebäudehöhe H zum Durchmesser der Fallböe D abhängen – je größer H/D desto größer die Vertikalkomponente und entsprechend der Volumenstrom. Die maximal auftretende Horizontalgeschwindigkeit in der Straßenschlucht entspricht der Fallgeschwindigkeit der Böe und ist unabhängig von der Geometrie der Straßenschlucht. Diese hohen Geschwindigkeiten werden umso länger innerhalb des Straßenzugs konserviert, je größer das Verhältnis H/D ist. In einer Straßenschlucht, die von Kreuzungen unterbrochen wird, hängt die Konservierung hoher Geschwindigkeiten zusätzlich von der Bebauungsdichte ab – je lockerer die Bebauung, desto schneller nehmen die Geschwindigkeiten ab. Die innerhalb einer städtischen Bebauung während einer Fallböe auftretenden Windlasten unterscheiden sich von denen in einer atmosphärischen Strömung. Insbesondere die Last auf den Dächern im Auftreffzentrum der Böe wird dabei von den Annahmen in den DIN-Normen unterschätzt.

Passagiere sind während eines Fluges zahlreichen Störschall-Einflüssen ausgesetzt. Eine der dominanten Quellen im Reiseflug ist der Schalleintrag der turbulenten Grenzschicht (TBL, engl.: Turbulent Boundary Layer), die sich zwischen der freien Strömung und der Außenhaut des Flugzeugs ausbildet. Neue Werkstoffe für den Flugzeugrumpf wie kohle- oder glasfaserverstärkte Kunststoffe weisen im Vergleich zu Aluminium ein schlechteres Schalldämmmaß auf. Um den Passagierkomfort auch in zukünftigen Flugzeugen zu gewährleisten oder sogar zu verbessern, werden neben den üblichen passiven Dämmungen auch Systeme zur aktiven Reduktion der Schalltransmission untersucht. In diesem Artikel werden Ergebnisse aus experimentellen Untersuchungen eines aktiven Systems im Aeroakustischen Windkanal Braunschweig (AWB) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) vorgestellt. Das aktive System ist auf einem mit Stringern versteiften Paneel (500x800 mm^2) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) angebracht. Durch die applizierten Beschleunigungssensoren und Inertial-Erreger ist das System im Windkanal in der Lage die durch die TBL-induzierten Schwingungen zu messen und im Sinne einer reduzierten Schallabstrahlung zu beeinflussen. Das aktive System ist in seiner Funktion als Unterstützung der bestehenden Dämmsysteme zu verstehen, die insbesondere im unteren Frequenzbereich (

Aufgrund ihrer geringen Strahlungsverluste sind Cavity-Receiver eine vielversprechende Option für Hochtemperaturanwendungen in solaren Turmkraftwerken. In bisherigen Untersuchungen zu konvektiven Verlusten dieser Receiverart ist der Einfluss von Wind nur unzureichend berücksichtigt worden, insbesondere bei geneigten Receivern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss von Wind auf die konvektiven Verluste von Cavity-Receivern für solare Turmkraftwerke unterschiedlicher Neigungen systematisch untersucht. Ein verkleinertes Modell wurde in einem kryogenen Windkanal bei einer Umgebungstemperatur von -173 °�C untersucht. Die Ergebnisse können durch die Ähnlichkeitstheorie auf Cavity-Receiver für solare Turmkraftwerke mit einer Grashof-Zahl von Gr = 3,9 x 10/ /10 und Reynolds-Zahlen bis Re = 5,2 �x 10 /5 übertragen werden. Die Untersuchung zeigte, dass die durch Neigen erzielte Reduktion der konvektiven Verluste mit steigender Windgeschwindigkeit verkleinert bzw. vollständig egalisiert wird. Bei bestimmten Anströmbedingungen übersteigen die konvektiven Verluste von stärker geneigten sogar die Verluste von weniger geneigten Receivern. In Fällen, in denen der Wind eine Strömung parallel zur Apertur-Öffnung verursacht, können die Verluste sogar im Vergleich zu den Verlusten bei natürlicher Konvektion reduziert werden. Dieser Effekt konnte einem sich bildenden natürlichen Luftvorhang zugeordnet werden. Der gleiche Aufbau wurde ebenfalls mit Hilfe von CFD-Simulationen untersucht. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass sich die Veränderungen der Verluste durch Wind mit Hilfe der Simulationen gut vorhersagen lassen. Allerdings sind die durch die Simulationen berechneten absoluten Verluste niedriger als die experimentell bestimmten Werte. Mit Hilfe der Simulationen wurden zwei Maßnahmen untersucht, mit denen sich die konvektiven Verluste deutlich reduzieren lassen: Zum einen der Einsatz eines Luftvorhangs und zum anderen die Nutzung eines Teilfenster. Die durch das Teilfenster erzielte Reduktion wurde ebenfalls experimentell überprüft. Auch hier wurde eine gute Übereinstimmung festgestellt. Zusätzlich wurde das in der Literatur beschriebene Modell von Clausing erweitert, so dass sich mit dem erweiterten Modell der Anstieg der Verluste bei Wind für den vorgestellten Fall gut bestimmen lässt.

Aktive Systeme ermöglichen leichte Faserverbundstrukturen mit hohem Schalldämmmaß durch eine Halbierung der Schalltransmission im Frequenzbereich bis 400 Hz. Passagiere sind während eines Fluges zahlreichen Störschall-Einflüssen ausgesetzt. Eine der dominanten Quellen im Reiseflug ist der Schalleintrag der turbulenten Grenzschicht, die sich zwischen der freien Strömung und der Außenhaut des Flugzeugs ausbildet. Der Störschall breitet sich von dort durch die Flugzeughaut bis in die Kabine aus. Moderne Werkstoffe für den Flugzeugbau wie kohle- oder glasfaserverstärkte Kunststoffe lassen im Vergleich zum klassischen Aluminium mehr Lärm in die Flugzeugkabine. Um den Passagierkomfort auch in zukünftigen Flugzeugen zu gewährleisten oder sogar zu verbessern, werden neben den üblichen passiven Dämmungen Systeme zur aktiven Reduktion der Schalltransmission untersucht. In Windkanal-Experimenten konnte die Schalltransmission einer Flugzeughaut durch ein derartiges aktives System halbiert werden.

vorgelegt von: Michael Sippl Zusammenfassung in englischer Sprache Masterarbeit FH Campus Wien 2016

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.

Bei einem Flug durch eine mit unterkühltem Wasser angereicherte Atmosphäre kommt es an der Flugzeugoberfläche zu Eisanlagerungen, welche die Flugeigenschaften negativ beeinflussen und Flugzeugkomponenten beschädigen oder ausfallen lassen können. Um dies zu verhindern und so die Flugsicherheit zu gewährleisten, werden Enteisungsmaßnahmen ergriffen, welche auf eine zuverlässige Eiserkennung angewiesen sind. Im Rahmen der Erforschung und Erprobung alternativer Detektorsysteme wird ein Verfahren zur Bestimmung des thermischen Widerstandes einer Eisanlagerung an einer Grenzfläche vorgestellt. Dazu wird ein Heizelement zusammen mit einem Temperatursensor in eine Flügelvorderkante eingelassen. Über eine Regelung wird die Sensortemperatur konstant gehalten. Bei einer auftretenden Eisanlagerung wird so eine Heizleistungsveränderung gemessen und im Vergleich mit Referenzwerten kann die Anwesenheit des Eises bestimmt werden. Die Vorteile dieses Detektors sind die bündige Integration in die Flügelvorderkante ohne eine Störung der Umströmung, der geringe Wartungs- und Energiebedarf, die geringe Baugröße und die lokale sowie direkte Messmethode.

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.

Mit dem steigenden LNG-Anteil am Energiemarkt ist eine Erweiterung der entsprechenden Infrastruktur erforderlich geworden. Bei der Planung verfahrenstechnischer Anlagen sind diese einer sicherheitstechnischen Bewertung zu unterziehen. Dies kann z. B. mittels einer quantitativen Risikoanalyse erfolgen, wobei unter anderem das Ausmaß eines Schadensereignisses zu berechnen ist. Die größte Gefahr im Umgang mit LNG ergibt sich aus der Zündfähigkeit des Erdgases. In der vorliegenden Arbeit wurden Gaswolkenexplosionen in einem Tanklager untersucht. Gaswolkenexplosionen treten auf, wenn die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemischs in einiger Entfernung vom Ort der Freisetzung erfolgt. Die Flamme breitet sich dann durch das zündfähige Gasgemisch in Richtung der Brennstoffquelle aus, wobei es zu einer zerstörerischen Druck- und Wärmeentwicklung kommen kann. Die CFD bietet die Möglichkeit detaillierte Erkenntnisse über das Ausmaß eines Schadensereignisses zu gewinnen. Dabei müssen vergleichsweise wenige Modellannahmen getroffen werden und auch komplexe Brandszenarien können mit einer Vielzahl von Einflussgrößen berechnet werden. Es besteht jedoch das Problem der Validierung der Rechenergebnisse. Brandversuche im Realmaßstab sind kaum zu realisieren, da sie mit enormen Kosten sowie Gefahren für Mensch und Umwelt verbunden sind. Auch eine Übertragung von labormaßstäblichen Versuchen auf eine realmaßstäbliche Anordnung ist speziell für Industrieanlagen ausgeschlossen, da eine vollständige Ähnlichkeit nicht zu erreichen ist. Deshalb wurde in dieser Arbeit eine neue Herangehensweise verfolgt. Um die Zuverlässigkeit von Vorhersagen von CFD-Simulationen zu steigern, wurde entsprechend der Fragestellung ein experimenteller Aufbau im Labormaßstab konstruiert, der die entscheidenden Phänomene, wie die Brennstoff- und Flammenausbreitung unter dem Einfluss des Tanklagers abbildete. Die Ergebnisse aus den modellmaßstäblichen Versuchen wurden dann zur Validierung von ebenfalls im Modellmaßstab berechneten CFD-Lösungen herangezogen. Damit konnte ein Satz an Modellen bestimmt werden, der zur Simulation des zu untersuchenden Brandszenarios geeignet war. Durch Wiederholungsversuche konnte zudem die Unsicherheit der Messergebnisse in einer Validierungsmetrik berücksichtigt werden. Unter der Voraussetzung skalenübergreifend gültiger Berechnungsmodelle, liefern diese in ihrer Anwendung auf die Großausführung, ohne weitere Validierungsexperimente im Realmaßstab, vertrauenswürdige Ergebnisse. Mit den definierten Modellgleichungen wurde ein Brandszenario in einem realmaßstäblichen Tanklager berechnet und das Schadensausmaß abgeschätzt. Diese Methode stellt eine Erweiterung der bisherigen Praxis dar und kann einen wichtigen Beitrag zur Überprüfung der Anwendbarkeit und Güte von CFD-Modellen leisten., An increased demand in LNG made it necessary to extend the corresponding infrastructure. The risks associated with the operation of such process plants have to be assessed. This can be done by means of a quantitative risk analysis. As part of a quantitative risk analysis the consequences of potential hazardous events have to be evaluated. The major hazard associated with LNG is the flammability of its main component natural gas. Vapor cloud explosions in a storage tank farm were studied in the present work. Vapor cloud explosions occur if the fuel air mixture ignites at some distance away from the gas release. Following ignition, the flame front propagates through the flammable gas cloud towards the source of the release potentially causing destructive overpressures and heat releases. Detailed consequence assessments of hazardous events can be carried out using CFD. When using CFD a comparatively small number of assumptions has to be made and even complex fire scenarios can be simulated taking into account various influencing factors. The validation of CFD fire simulations is, however, problematic. Full scale fire tests are not feasible due to the high costs and the risks to humans and the environment. Small scale test may be performed. However, the results from small scale tests cannot be transferred to full scale scenarios since complete similarity cannot be achieved specifically in the case of complex fire scenarios in process plants. For this reason a novel approach was proposed in the current work. First of all, a small scale experimental setup was designed which allowed an investigation of the governing phenomena such as the influence of the built-up environment on the gas dispersion and the flame propagation. The experimental results were subsequently used to validate results from CFD analyses which were performed to simulate the lab scale fire tests. Based on this, it was possible to identify a set of models suitable for simulating the given fire scenarios. Repeated small scale fire tests made it possible to include the measurement uncertainties by means of a validation metric. Provided that the validated computational models are scale independent, they can be applied to simulate the specific full scale fire scenario with increased reliability without the requirement to perform any further full scale tests. This approach is an extension to current practice and can make an important contribution to the assessment of the quality and applicability of CFD models.

In this work the concept of a new time step control is developed for an adaptive flow solver to solve (a)synchronously (pseudo)transient problems of the fluid-structure interaction numerically robust while coupling the flow solver with a structure solver algebraically (partitioned coupling). By the analytically determined APRIORI time steps it facilitates the convergence of the applied Newton method and it is emperically observable, that the numerical method generates only physically correct iteration states. The APRIORI time steps are not chosen maximum possible. Thus it seems rational to increase the local time steps gradually until some certain upper limit is exceeded, above which divergence or a physical illegitimate iteration state appears. In this case the time integration step has to be repeated a posteriori with adequately decreased time step size. This principle of trial and error is improved by the Kalman filter and other smoothing methods to estimate the limiting factor more accurately and therefore to smooth the (erratic) convergence history. Furthermore the optimal updating Newton step is iteratively determined, which reduces the number of time step repetitions and consequently the simulation time. As a special case of asynchronous time integration the synchronous integration uses the smallest APRIORI time step and increases it, as long as the convergence criterium is fulfilled and only physically admissible iteration states are generated. Otherwise the actual time integration step is repeated with adequately decreased time step size. The upper limit for this time step control is prescribed by the user in form of a physically relevant maximum time step. Within the scope of aeroelastic applications the flows around a 2D panel and 2D profiles with NLR-7301 and BAC-3-11 shapes are investigated. Stability regions are determined by numerical simulation of these aeroelastic problems varying fluid and structure relevant parameters. The correct and stable numerical simulation of fluid-structure problems requires conservative transfers of load, torsional moment and energy in space and time. The spatially conservative interpolation of loads for section by section linear or curved grid elements is derived and combined with a (fast) octree based neighborhood search. It is used for the simulation of the transonic panel problem. These interpolation methods make a transfer of discrete or linear load distributions between fluid and structure boundary mesh feasible. The partitioned fluid-structure coupling in this work consists of staggered calls of the fluid and structure solvers. Three different coupling schemes have been investigated: the loose, the extrapolation and the fixed-point iteration coupling scheme. Only the fixed-point scheme can diminish the accumulating time lag of the other two coupling schemes completely. Banachs fixed-point theorem implies the existence of an upper limit in the choice of time steps for a convergent fixedpoint iteration coupling. The surveillance of a prescribed convergence criterium forces the fixed-point scheme to converge successfully. Although the fixed-point coupling scheme is numerically the most expensive of all considered coupling schemes, it is the most accurate one and also indispensable for an exact energy transfer between fluid and structure in time. Several other improvements have been implemented in the flow solver QUADFLOW, for example the Kalman filter and some smoothing and damping methods. Also new differentiable limiters with iterative monotony correction have been introduced, which can not be described in detail here due to space restrictions.

To achieve identification of the flight mechanical parameters of aircraft experimental techniques like free flight or wind tunnel tests are still essential, even if the numerical methods are getting better. But the mentioned techniques have both their disadvantages: On the one hand because the mounting of the model during wind tunnel measurements causes interference to the flow. On the other hand coupling effects caused by the movement of the aircraft in the flow can only determined with high costs – in some cases it is even not possible. The disadvantages of the free flight techniques consist of no reproducible conditions (atmospheric disturbances), high costs and the risk of manned test flights. The goal of this work which was conducted at the Chair of Flight Dynamics at the RWTH Aachen University was the creation of a reproducible free flight environment for the cost effective Identification of main flight mechanical parameters even in an early design stage. Therefore the advantages of the free flight techniques will be combined with the advantages of the Wind Tunnel techniques by bringing the free flight into the wind tunnel under laboratory conditions. The position and attitude of the aircraft is affiliated by a 3D Camera System with high frequency and accuracy. Hence, the aircraft must only be equipped with sensor for the control surface positions and the revolution of the engine. The aircraft and the whole process are controlled by a real time system, which is implemented in Matlab/Simulink before. An adaptive identification algorithm, based on a regression in the frequency domain, generates the required excitation manoeuvre and analyses them in real time. Because the algorithm is adaptable, it needs only little a priori knowledge of the aircraft characteristics. The manoeuvre will be adapted until they fit most exactly to the eigenfrequency of the aircraft. The control algorithm has the function to reposition the aircraft after an identification manoeuvre and to trim. Additional, the algorithm takes control of the aircraft if it reaches the border of the free stream and tries to reposition it in the center of the wind tunnel. Because of the high non linearity and the agility of the aircraft the dynamic inversion is used. This is enhanced by a pseudo control hedging to avoid non linear rate- and deflection limits and to avoid the inversion of the dynamic of the actuator. As this combination is not very robust against uncertainties in the parameters, as they appear especially in this case, additionally adaptive terms in form of neural networks where included. After the free flight experiment an identification based on offline algorithms is conducted. Because of the higher resources even nonlinear models and better filter algorithms can be used. Because of the sensor concept, drift and bias in the signals do not exist. Therefore an equation error method is adequate. The Validation exemplary takes place with an aircraft in the wind tunnel of the Chair of Flight Dynamics.

Die Wechselwirkung zwischen kugelförmigen Körpern und der sie umgebenden Strömung ist bei Ballsportarten von großer Bedeutung. Im Fußballsport werden Torschüsse und Freistöße häufig ohne oder mit wenig Rotation ausgeführt, um eine flatternde Flugbahn zu erhalten. In vielen Spielsituationen wird zudem der so genannte Magnuseffekt zur Erzeugung einer gekrümmten Flugkurve ausgenutzt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mit Hilfe einer Literaturstudie zunächst ein grundlegendes Verständnis der auftretenden Strömungsphänomene zu erhalten und aufzuzeigen, wo Forschungsbedarf besteht. Gleichzeitig wird herausgestellt, dass die verwendete Modellhalterung bei ein und demselben Experiment zur Kugelumströmung großen Einfluss auf die Ergebnisse ausübt. Bei der Konzeption der Windkanalversuchsstände dieser Arbeit lag das Hauptaugenmerk deshalb darauf, eine größtmögliche Reduktion der Interferenz zwischen der Umströmung der Modellhalterung und der Kugel- bzw. Ballumströmung mittels geeigneter konstruktiver Maßnahmen zu erreichen. Untersuchungen ohne Rotation zeigen, dass bei Fußbällen der kritische Reynolds-Zahl-Bereich verglichen mit glatten Kugeln zu deutlich niedrigeren Reynolds-Zahlen verschoben ist. Gleichzeitig treten in diesem kritischen Reynolds-Zahl-Bereich sehr hohe Auftriebs- und Seitenkräfte auf. Bei glatten Kugeln liegen im überkritischen Re- Bereich zeitlich gemittelte Auftriebs- und Seitenkräfte ungleich null vor, da der Nachlauf zu der strömungsparallelen Achse geneigt ist. Bei Fußbällen hängen im kritischen und überkritischen Re-Bereich Größe und Richtung der Kräfte quer zur Strömungsrichtung von der Ballausrichtung zur Anströmung ab. Die Untersuchungen mit Rotation zeigen: Die Messergebnisse der an den Polen angetriebenen glatten Kugeln und Modellfußbälle sind sehr stark durch den Einfluss der Aufhängung beeinflusst. Ergebnisse mit einer Aufhängung, welche die rotierenden Versuchskörper rückwärtig hält, weisen eine deutlich geringere Beeinflussung auf. Aerosol-Visualisierungen und Windkanalwaage-Messungen an der rotierenden Kugel zeigen, dass für Reynolds-Zahlen 125.000 < Re < 450.000 und Spinparameter basierend auf Drehfrequenzen f < 10 Hz überwiegend ein negativer Magnuseffekt vorliegt. Die gleichzeitig auftretenden hohen Seitenkräfte und Seitenkraft-Fluktuationen zeigen, dass der Magnuseffekt bei einer glatten Kugel im kritischen Re-Zahl-Bereich dreidimensional ausgeprägt ist. Bei einem Modellfußball zeigt sich eine generelle Verschiebung der Reynolds-Zahl-Bereiche zu geringeren Reynolds-Zahlen. Ein negativer Magnuseffekt tritt im Bereich 96.000 < Re < 248.000 auf, wobei die Seitenkräfte gering sind. Fußball-Flugkurvensimulationen ohne Rotation zeigen, dass Seiten- und Auftriebskräfte zwar zu kaum abweichenden Flugzeiten führen, jedoch eine große Streuung der Koordinatenpaare {y,z} in der Torebene verursachen. Der negative Magnuseffekt führt bei glatten Kugeln dazu, dass seitliche Abweichungen von einer geraden Flugbahn auftreten, die entgegengesetzt zu denjenigen bei Fußbällen sind. The interaction of spherical bodies with the flow surrounding them plays a very important role in ball aerodynamics. In soccer shots on goal and free kicks are often performed without or with little spin in order to generate a swerve from the expected trajectory, the so-called knuckling effect. A second strategy involves applying spin to the ball around an axis perpendicular to the flight direction, which generates a curved trajectory due to the Magnus force. In the present study a basic understanding of the flow phenomena observed is established. Furthermore it is pointed out where more research on sphere and ball aerodynamics is needed. Additionally it is made clear, that experimental results often vary to a great extent even if the boundary conditions are the same due to the experimental set-up. Thus, the conceptual design of the wind tunnel set-ups of the present work was to reduce the flow interference of the supporting device with the sphere or soccer ball. Investigations in the non-rotating state show that for soccer balls the critical Reynolds number range is shifted to considerably lower Reynolds numbers than for a smooth sphere. Simultaneously very high lateral forces are observed in this critical Reynolds number range. For a smooth sphere in the supercritical Reynolds number range, lateral forces are non-zero when averaged over an appropriate time interval. The reason is that the wake is inclined with respect to the flow axis. In the supercritical Reynolds number regime of a soccer ball the magnitude and direction of the lateral forces depend on the ball orientation relative to the approaching flow. The investigations in the rotating state show the following: The results obtained on a sphere driven by a shaft passed through the sphere center are influenced to a great extent by the flow interaction with the supporting device. When a rear mounted supporting device is used, the results are less affected. Aerosol visualizations and wind tunnel balance measurements show that for a rotating sphere mainly reverse Magnus effect occurs when the Reynolds number is in a range of 125.000 to 450.000 and the spin parameter is based on rotational frequencies lower than 10 [Hz]. Considerable lateral forces and lateral force fluctuations occurring simultaneously prove that the Magnus effect for a sphere in the critical Reynolds number range is three-dimensional. For a model of a soccer ball a general shift of the Reynolds number range to lower Reynolds numbers is observed. Reverse Magnus effect occurs in a Reynolds number range of 96.000 to 248.000 whereas lateral forces are low. Soccer ball trajectory simulations without spin show that lateral forces do not significantly change the flight time, but cause a scattering of the coordinates in the goal plane. The reverse Magnus effect obtained on smooth spheres leads to lateral deviations from a straight trajectory opposite to those observed for soccer balls.

Die Auswirkungen von Baumpflanzungen auf die Durchlüftung von innerstädtischen Straßenzügen wurden in Windkanalexperimenten und in numerischen Simulationen untersucht. Die Baumpflanzungen führten zu geringeren Windgeschwindigkeiten und höheren verkehrsbedingten Schadstoffbelastungen aufgrund eines verminderten Luftaustausches mit der Umgebung. Ein Modell zur Bestimmung der Auswirkungen von Baumpflanzungen auf die verkehrsbedingte Schadstoffbelastung in Straßenschluchten wurde entwickelt.

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.

Neben direkten Messungen der metabolischen Leistung mittels Respirometrie oder anderer Verfahren stellen aerodynamische Modelle die Grundlage der Diskussion zur Flugenergetik dar. In der Arbeit wird die Untersuchung von aerodynamischen und kinematischen Parametern, die als Grundlage für aerodynamische Modellrechnungen dienen, und die Beschreibung des Einflusses des Tragens einer respiratorischen Atemmaske mit Schlauch beim Windkanalflug eines Stars (Sturnus vulgaris) auf diese Parameter untersucht. Ein Star wurde für den Streckenflug im Windkanal bei verschiedenen Geschwindigkeiten mit und ohne respiratorische Maske trainiert. Ausgewählte Flüge bei vier Geschwindigkeiten (6m/s, 8m/s, 10m/s, 13m/s) mit und ohne respiratorische Maske wurden mittels zweier synchronisierter Hochgeschwindigkeitskameras mit 255 Bildern/s gefilmt. Die stereophotogrammetrische Filmauswertung und die Ermittlung von Raumkoordinaten aus digitalisierten Bildpunkten von 5 aufeinanderfolgenden Flügelschlägen wird beschrieben. Die Auswertemethoden, die Rechenwege sowie die Vorgehensweise werden erläutert, dabei auftretende Fehler werden abgeschätzt und auf ihre Auswirkungen auf die Ergebnisse diskutiert. Die Auswahl der für die kinematische Analyse benutzten Größen wird erläutert und der Einfluss der Geschwindigkeit und des Tragens der Maske auf Rumpf-, Flügel- und Schwanzkinematik werden dargestellt. Der Star ändert seine Kinematik in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit und dem Tragen der Maske. Beim Tragen der Maske treten zusätzliche Kräfte auf (erhöhter Widerstand, zusätzliches Nickmoment), welche diese Flüge unruhiger erscheinen lassen, was sich z. B. durch stärker aus dem Gefieder herausragende Beine, Öffnen des Schnabels und häufigere Positionswechsel zeigt. Die Ergebnisse der kinematischen Analyse und die durch Windkanalmessungen von GESSER (1998) an einem Starenmodell gewonnenen Resultate dienen der Berechnung des von den Flügeln erzeugten Hubs und Schubs anhand eines einfachen aerodynamischen Modells unter der Annahme stationärer Strömungsverhältnisse. Der Einfluss von Anstellwinkel, Fläche und Anblasgeschwindigkeit des Arm- und Handfittichs auf die von den Flügeln erzeugten Kraftkomponenten (Auftrieb, Widerstand, Hub, Schub) wird erläutert. Die Ergebnisse der Berechnungen bei 13m/s werden dargestellt. Der Handfittich erzeugt während des Abschlags 40% mehr Auftrieb und 55% mehr Hub als der Armfittich. Beim Flug mit Maske sind Auftrieb und Widerstand größer als ohne Maske (40% Armfittich, 50% Handfittich für den Auftrieb und 50% bis 130% für den Widerstand). Die Huberzeugung oszilliert flügelschlaggebunden. Der im Flug mit Maske während des Abschlags erzeugte Hub ist um etwa 30% größer als beim Flug ohne Maske. Die Schuberzeugung geht vor allem auf den Handfittich zurück, dieser erzeugt während des gesamten Abschlags positiven Schub. Beim Flug mit Maske ist das Schubmaximum des Handfittichs um 45% bis 145% gegenüber dem Flug ohne Maske erhöht und steigt damit stärker an als der Hub. Der mittlere Hub für die 5 untersuchten Flügelschläge übersteigt den anhand von Windkanalmessungen an einem Starenmodell in Gleitflughaltung abgeschätzten erforderlichen Hub für die Überwindung des Vogelgewichts sowie die Aufwärtsbeschleunigung im Windkanal sowohl für den Flug mit als auch ohne Maske um 74% (mit Maske) bzw. 45% (ohne Maske). Der mittlere Schub ist für den Flug ohne Maske um 23% und für den Flug mit Maske um 4% geringer als der erforderliche Schub für die Überwindung des parasitären Widerstands von Rumpf, Schwanz, Beinen und Maske plus dem für eine Vorwärtsbeschleunigung notwendigen Schub. Anhand von 3 mathematisch-aerodynamischen Modellansätzen nach der Impulsstrahltheorie bzw. der Ringwirbeltheorie werden die parasitäre und induzierte Leistung sowie die Profilleistung berechnet, die mechanische Flugleistung als deren Summe für die untersuchten Flüge bestimmt, wobei der Einfluss der aus dem Gefieder herausragenden Beine sowie der Einfluss von Maske und Schlauch auf die par. Leistung berücksichtigt wird. Mit steigender Geschwindigkeit nimmt die mechanische Leistung zu, mit Maske sind die Flüge energetisch ungünstiger, der Unterschied ist im mittleren Geschwindigkeitsbereich geringer. Die mechanische Leistung nimmt nach der Ringwirbeltheorie beim Ansatz nach GESSER/RAYNER von 1.025W bei 6 m/s auf 1.720W bei 13m/s beim Flug ohne Maske zu, mit Maske steigt die Leistung von 1.474W bei 6m/s auf 3.033W bei 13 m/s. Das Tragen einer respiratorischen Maske mit Schlauch zeigt einen deutlichen Einfluss auf die ausgewählten Größen. Die Flüge mit Maske sind unruhiger, die Schwankungen größer als beim Flug ohne Maske und der Vogel produziert verstärkt Hub und Schub. Der Einfluss von Maske und Schlauch überlagert zudem den Einfluss der Windgeschwindigkeit. In der Summe nimmt die mechanische Flugleistung beim Tragen der Atemmaske um minimal 3% (8m/s) bis maximal 65% (13m/s) zu, wenn man sie auf gleiche Vogelmasse skaliert. In addition to direct measurements of metabolic power using respirometry or other methods, aerodynamic modelling provides the basics for discussion of flight energetics. The main subject of the presented work is the analysis of aerodynamical and kinematical parameters which are necessary for aerodynamic modelling. The influence on these parameters by wearing a respirometry mask with tube during flight of starling (Sturnus vulgaris) in a windtunnel is described. A starling was trained for long distance flight in a windtunnel using different velocities with and without wearing a respirometry mask. Chosen flights at four different velocities (6m/s, 8m/s, 10m/s und 13m/s) with and without wearing a respirometry mask were filmed using two synchronised highspeed-cine-cameras at 255 frames/sec and the experimental setup is described. Stereophotogrammetric analysis and determination of space-coordinates from digitalised marker points of five consecutive wingflaps is described. Analysis methods and computation are specified and possible errors are appreciated and their impact on the results are discussed. Choice of kinematic parameters is discussed and the impact of flight velocity and wearing of the respirometry mask on the kinematics of the body, the wings and the tail is illustrated. The starling changes his kinematics depending on the flight velocity and the wearing of the mask. Wearing of the respirometry mask induces additional forces (higher drag, turning moment) which makes the flights with repsirometry mask appear more unsteady which gives his expression in projection of feet, opening of bill and frequent changes of flight position (see also MÖLLER 1998). Using the results of the kinematical analysis and the measurements made by GESSER (1998) on a model starling in a windtunnel, a simple aerodynamical model (under assumption of steady flow) was used to calculate the resulting forces acting on the wings. The principal impact of angle of attack, velocity and area of the two portions of the wing on the forces lift, drag and thrust is explained. The results of computation for flight velocity 13 ms-1 with and without mask is illustrated. Handwing produces 40% greater lift and 55% greater vertical force then armwing during downstroke. Flying with respirometry mask gives rise to lift and drag, +40% for the liftinbg force produced by armwing , +50% for handwing and 50-130% for calculated thrust. The production of vertical forces oscillates according to flapping. Vertical force produced by arm- and handwing during masked flight is 30% higher than in unmasked flight. Generation of thrust was mainly induced by handwing which generates positive thrust throughout the whole downstroke. Flying with respirometry mask gives a 45% - 145% higher maximum of thrust than flying without mask and rises therefore stronger than vertical force. Average vertical force for the five consecutive wingbeats is greater than the required vertical force (mass of bird plus force used to rise in the windtunnel) which was calculated using a starling model in gliding flight. Average vertical force was +74% (with mask) and +45% (without mask). Average horizontal force (thrust) is 23% (with mask) and 4% (without mask) smaller than required horizontal force (force required to overcome parasite drag of body, tail, feet and mask plus force for acceleration in the windtunnel). Three different approaches for aerodynamical modelling according to lifting-line-theory and vortex-ring-theory were used to estimate parasite, induced an profile power. Mechanical power was calculated as a sum of these three powers and the influence of respirometry mask and tube and the projection of the feet to parasite power was considered. Accelerating flight velocity leads to a higher mechanical power. Masked flight raises the mechanical power, with highest difference at 6m/s und 13m/s. Mechanical power rises according to vortex-ring-theory using the model of RAYNER/GESSER from 1.025W at 6m/s to 1.720W at 13m/s in the unmasked flight, flying with mask gives a rise from 1.474W at 6m/s to 3.033W at 13m/s. In total, flights with respirometry mask shows a significant influence on the chosen kinematical parameters. Flights with masks are more anxious, undulations of the chosen parameters are higher then in unmasked flights and higher lift and thrust are produced. The influence of mask and tube superposes the influence of flight velocity, resulting in a mechanical power which is at least +3% (8 m/s) up to a maximum of +65% (13 m/s) when scaled to same body mass in all flights.

Enhanced methods for the determination of flightdynamic parameters are presented in this study. Because of their simple setup this study concentrates on two methods that have to be modified to study the unstable spaceplane configuration PHOENIX. In the wind tunnel method of free oscillation the wind tunnel model is equipped with electrically driven control surfaces and a feedback control system to operate the model in the test section. For the second method a radio controlled model of the spaceplane is dropped from another unmanned aerial vehicle to collect data during its flight. The application of feed forward- and feed back control systems enhances this method to make it applicable to unstable configurations with a high wing loading. In a first step an equation error method is used to identify the parameters of quasi-stationary aerodynamic models. It is shown, that the parameters of the equations for lift, pitch moment and rolling moment show a significant dependency on the frequency of motion. Therefore unsteady aerodynamic models are introduced that integrate these frequency effects with the help of transfer functions. The identified parameters of these unsteady models are shown to be independent from the frequency of motion. A comparison of wind tunnel data with data from the flight tests makes clear, that it is possible to identify precise parameters of quasi-stationary models with this kind of flight tests. The discrepancies between results from the two methods are in the same order than in much more ambitious flight test campaigns.

Diese Arbeit umfaßt theoretische und experimentelle Untersuchungen zu turbulenten Strömungs- und Ausbreitungsvorgängen in verschieden rauhen, natürlich gewachsenen Windkanalgrenzschichten (von hydraulisch glatt bis aerodynamisch vollrauh). Dabei werden ausgewählte turbulente Strömungs- und Ausbreitungsgrößen als Funktion der Rauhigkeit und der Höhe vorgestellt. Ferner wird mit den aus der Literatur bekannten kohärenten Strukturen eine bildhafte Vorstellung der physikalischen Vorgänge gegeben. Aus den umfangreichen Untersuchungen zum Strömungsfeld werden die Höhenprofile der mittleren Geschwindigkeit, der Turbulenzintensitäten, der turbulenten Schubspannung und der turbulenten Wirbelzähigkeit präsentiert. Genannt seien zwei wesentliche Ergebnisse: Erstens, es existiert eine einfache, theoretische Beziehung zwischen den Reynolds?schen Normalspannungen und der turbulenten Schubspannung. Beide sind durch den sogenannten Neigungswinkel miteinander gekoppelt. Dieser höhen- und rauhigkeitsabhängige Winkel, der durch eine Hitzdrahtmessung mit nur einer X-Sonde bestimmbar ist, charakterisiert die Ebene, auf der sich kohärente Strukturen stromabwärts bewegen. Zweitens, es besteht eine starke Diskrepanz zwischen integralen Längenmaßstäben der Turbulenz, die einerseits aus Autokorrelations- und andererseits aus 2-Punkt-Korrelationsmessungen ermittelt werden. Der Unterschied wird durch die Verletzung der Taylor-Hypothese in der turbulenten Scherschicht verursacht. Als Ergebnis folgt, daß statt der mittleren Strömungsgeschwindigkeit die sogenannte Wirbeltransportgeschwindigkeit zur Umrechnung von Längen- und Zeitmaßstäben verwendet werden muß. Weiterhin wird die Ausbreitung eines passiven Tracergases im Nachlauf einer horizontal ausblasenden Punktquelle untersucht. Die turbulenten Massenflüsse werden direkt gemessen. Damit wird einerseits das Problem der Vernachlässigung des in Ausbreitungsrichtung liegenden turbulenten Massenflusses gegenüber dem konvektiven Transport untersucht, und andererseits werden mittels der Boussinesq-Approximation die turbulenten Diffusionsparameter als Funktion der Höhe berechnet. Ferner werden theoretische Beziehungen, die das Nah- und Fernfeld berücksichtigen, sowohl für die turbulenten Diffusionsparameter als auch für die räumlichen Ausbreitungsparameter hergeleitet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Schließlich wird aus dem Verhältnis der turbulenten Diffusionsparameter für den Impuls- und Stoffaustausch die turbulente Schmidt-Zahl berechnet, die keine, wie in der Literatur oft angenommene, Konstante ist, sondern stark über der Höhe variiert.

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.

Schiffsform und Windlast – Korrelations- und Regressionsanalyse von Windkanalmessungen am Modell Die Luftströmung an Schiffen ist mit den klassischen Methoden der Hydrodynamik nicht zu berechnen. Damit entziehen sich die Windkräfte und Windmomente der mathematischen Erfassung. Auch für numerische Berechnungsverfahren sind die Schiffe über Wasser im allgemeinen zu kompliziert. Erschwerend kommt hinzu die Vielfalt der Formen sowie möglicher Decksladung und Containerstapelung. Die Luftströmung wird von Einzelheiten des Schiffs beeinflußt, aber nicht beherrscht. All das sind Eigenschaften, wie sie für Ereignisse typisch sind, die vom Zufall abhängen. Die Windlast an Schiffen kann als statistische Größe auf gefaßt werden. Als Analyseverfahren dafür eignen sich Regression und Korrelation. Es zeigt sich, daß die Windlast an Schiffen sich mit wenigen Parametern erfassen läßt. Wenn es auf Feinheiten nicht ankommt, reichen vier leicht zu schätzende Werte: die Beiwerte von Längs- und Querwiderstand und je ein Parameter der Querkraft und des Rollmoments. Zahlenwerte für verschiedene Schiffstypen sind angegeben. Halbempirische Lastfunktionen liefern dann die Kräfte und Momente abhängig vom Anströmwinkel. Sie gelten ohne Einschränkung auch für Sonderfälle wie das Schiff im Windschutz und das Schiff mit Schlagseite. Ausgeprägte Eigenheiten kennzeichnen vor allem die empfindliche Windlängskraft. Deren Wiedergabe läßt sich durch Erweiterung der Lastfunktionen erreichen.