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Aerodynamic interactions of fragments of meteoroids and space debris during atmospheric entry influence the flight trajectories of the fragments and their strewn field on the Earth’s surface as well as the meteoroids’ airburst altitude and energy deposition rate in the atmosphere and thus the resulting ground damage. For the design of experiments in the Hypersonic Wind Tunnel H2K of DLR, German Aerospace Center in Cologne to investigate the interaction phenomena, a method is developed to estimate the forces on two interacting bodies in supersonic and hypersonic flows, which is more accurate than existing analytical and semi-analytical methods and more efficient than numerical simulations regarding the computational effort. It is based on the superposition of flowfields taken from a database of numerical simulations of a single body for a range of Mach numbers. Furthermore, three-dimensional computations of configurations of interacting bodies are carried out by NASA Ames Research Center. Results obtained with the superposition method are compared to the simulations by NASA and to results of computations that can be found in the literature. The results from the method show good agreement with the computations.

Die umweltschädlichen, durch die Menschheit produzierten, Emissionen nehmen schon über Jahre zu. Jeder möchte immer mehr, zu immer günstigeren Preisen, zu jeder Jahreszeit, weshalb nicht nur der Luftraum immer voller wird. Aufgrund dieser Tatsachen steigt der Druck, unter anderem auf die Luftfahrtindustrie, nach umweltschonenderen Antrieben zu forschen beziehungsweise die vorhandenen so zu optimieren, dass die Effizienz gesteigert und der Treibstoffverbrauch sowie schädliche Emissionen minimiert werden. Im Zuge dessen wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) eine Ringgitterwindkanalmessstrecke aufgebaut, welche einen verkürzten, aggressiveren, jedoch nicht ablösegefährdeten Übergangskanal mit S-Schlag zwischen Nieder- und Hochdruckverdichter einer Fluggasturbine simuliert. Ein verkürzter Übergangskanal führt zu einem kürzer ausführbaren Triebwerk und folglich zu einer Gewichtsreduktion und Treibstoffeinsparung. In dieser Arbeit werden einige der experimentellen und numerischen Daten dieses Übergangskanals verglichen, um so die CFD zu validieren. Bei den ersten beiden betrachteten Betriebspunkten zeigt sich, dass die Simulationen, nach geringer Variation der numerischen Randbedingungen, im Allgemeinen recht gut zu den Messergebnissen passen. Differenzen zeigen sich hier bei der Simulation der Strömungswinkel sowie bei den Totaldruckniveaus (über den Messstreckenverlauf gesehen). Beim Betriebspunkt mit erhöhter Zapfluftentnahme ergeben sich erhebliche Probleme in der CFD: Aufgrund der hohen Zapfluftentnahme bilden sich in den Rechnungen Ablösungen in der Passage zwischen den Stützstreben. Dadurch ist es nicht möglich eine konvergierte Lösung nach vorgegebenen Randbedingungen zu erhalten. Die Validierung der CFD muss im Anschluss an diese Arbeit noch durch Vergleiche weiterer Messergebnisse fortgeführt werden

Central targets for jet engine research activities comprise the evaluation of improved engine components and the assessment of novel engine concepts for enhanced overall engine performance in order to reduce the fuel consumption and emissions of future aircraft. Since CO2 emissions are directly related to engine fuel burn, a reduction in fuel consumption leads to lower CO2 emissions. Therefore improvements in engine technologies are still significant and a multi-disciplinary pre-design approach is essential in order to address all requirements and constraints associated with different engine concepts. Furthermore, an increase in effectiveness of the preliminary design process helps reduce the immense costs of the overall engine development. Within the DLR project PEGASUS (Preliminary Gas Turbine Assessment and Sizing) a multi-disciplinary pre-design and assessment competence of the DLR regarding aero engines and gas turbines was established. The application of modern preliminary design methods allows for the construction and evaluation of innovative next generation engine concepts. The purpose of this paper is to present the developed multi-disciplinary pre-design process and its application to three aero engine models. First, a state of the art twin spool mixed flow turbofan engine model is created for validation purposes. The second and third engine models investigated comprise future engine concepts: a Counter Rotating Open Rotor and an Ultra High Bypass Turbofan. The turbofan used for validation is based on publicly available reference data from manufacturing and emission certification. At first the identified interfaces and constraints of the entire pre-design process are presented. An important factor of complexity in this highly iterative procedure is the intricate data flow, as well as the extensive amount of data transferred between all involved disciplines and among the different fidelity levels applied within the smoothly connected design phases. To cope with the inherent complexity data modeling techniques have been applied to explicitly determine the required data structures of those complex systems. The resulting data model characterizing the components of a gas turbine and their relationships in the design process is presented in detail. Based on the established data model the entire engine pre-design process is presented. Starting with the definition of a flight mission scenario and the resulting top level engine requirements thermodynamic engine performance models are developed. By means of these thermodynamic models, a detailed engine component pre-design is conducted. The aerodynamic and structural design of the engine components are executed using a stepwise increase in level of detail and are continuously evaluated in the context of the overall engine system.

Im Zuge der zunehmenden Leistungsdichte von thermischen Turbomaschinen steigen die aerodynamischen Schaufelbelastungen. Diese führen zur Erhöhung der strukturmechanischen Belastung, wodurch der Spielraum für dynamische Lasten sinkt. Diese werden primär durch selbst- (Flattern) und zwangserregte Schaufelschwingungen (Forced-Response) verursacht. Eine Überschreitung der Werkstoffgrenzen kann zum Schaufelversagen führen und muss bereits im Auslegungsprozess ausgeschlossen werden. Gegenstand dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung des Strömungslösers TBLOCK sowie der Aufbau von Prozessketten zur Bewertung beider Schwingungsphänomene. Die Verwendung einer sehr effizienten 1-Wege-FSI erlaubt hierbei eine schnelle und präzise Vorhersage. Der Strömungslöser wird anhand von Flattertestfällen und Untersuchungen der instationären Rotor-Stator-Interaktion validiert. Abschließend erfolgt mit den entwickelten Prozessketten die Bewertung eines Gasturbinenverdichters hinsichtlich Schaufelflattern.

The sound emission of low-pressure axial fans is substantially influenced by the fan blade geometry and the inflow conditions, induced by the fan installation system. However, the combined impact of these parameters has not yet been comprehensively investigated or understood. Hence the motivation for this thesis was to undertake a compact, systematic experimental study on the sound emission of axial fans with different blade geometry parameters under distorted inflow conditions. The impact of the fan blade design was investigated on the basis of nine fans with different blade loading distributions and different fan blade skew, but otherwise identical geometric parameters. Additionally, the effectiveness of leading edge serrations in reducing axial fan noise was examined with a parametric study of a generic flat-plate fan and eleven sets of fan blades with leading edge modifications that included single-sine (sinusoidal), double-sine and random amplitude leading edge serrations. The inflow conditions were altered to incorporate either an increased inflow turbulence intensity or an inhomogeneous inlet velocity profile. These conditions were realised by grids - three turbulence grids and two velocity gradient grids - that were mounted upstream of the fans. A large increase in the sound radiation with elevated tonal and broadband components was observed with the modified inflow conditions. Thereby, the sound emission of the forward-skewed fans showed a greater susceptibility for distorted inflow conditions than that of the backward-skewed fans. It was found that owing to the fan blade shape, the forward-skewed fans are prone to higher unsteady blade forces and increased pressure fluctuations on the fan blade leading edges. These factors determine the tonal and broadband sound radiation. For the backward-skewed and unskewed fans, dominant subharmonic components, originating from flow phenomena in the tip region, occurred under both free and distorted inflow conditions. All types of leading edge serrations achieved a sound reduction compared with the reference fan with straight leading edges - for both free and distorted inflow conditions. The greatest reduction was observed for the sinusoidal leading edges, followed by the double-sine and random amplitude leading edges. The reduction was mainly dependent on the serration wavelength rather than the serration amplitude: the smaller the leading edge wavelength, the greater was the overall sound reduction. Overall, the investigations showed that the sound emission of low-pressure axial fans is highly dependent on the combined impact of the fan blade geometry and the inflow conditions. The findings contribute to a better understanding of the sound generation mechanisms in axial fans and show means for designing low-noise fans in complex cooling or ventilation systems., Die Schallabstrahlung von Niederdruck-Axialventilatoren ist maßgeblich von der Ventilatorgeometrie und den aufgeprägten Zuströmbedingungen, die durch die Einbausituation des Ventilators induziert werden, abhängig. Die Auswirkungen dieser beiden Parameter wurden jedoch bisher nicht umfassend untersucht und vollständig verstanden. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit, mit einer kompakten und systematischen experimentellen Studie den Einfluss verschiedener Ventilatorschaufelgeometrien auf die Schallabstrahlung von Axialventilatoren unter gestörten Einströmrandbedingungen zu untersuchen. Der Einfluss der Ventilatorschaufelgeometrie wurde anhand von neun Ventilatoren mit unterschiedlicher Arbeitsverteilung und Schaufelsichelung bei ansonsten identischen Geometrieparametern untersucht. Zusätzlich wurde die Wirksamkeit von Vorderkantenmodifikationen zur Reduzierung der Schallabstrahlung von Axialventilatoren mit einer Parameterstudie ermittelt. Dazu wurde ein generischer Platten-Lüfter mit elf unterschiedlichen Vorderkantenmodifikationen verwendet. Die Modifikationen beinhalteten sinusförmige und zweifach überlagert sinusförmige Vorderkantengeometrien sowie Vorderkanten mit zufälligen Vorderkanten-Amplitude. Die Zuströmbedingungen wurden so eingestellt, dass einerseits der Turbulenzgrad erhöht war und andererseits ein inhomogenes Geschwindigkeitsfeld am Ventilatoreinlass vorlag. Diese Bedingungen wurden durch Gitter erzeugt - drei Turbulenzgitter und zwei Geschwindigkeitsgradientengitter. Die Gitter wurden dabei vom Ventilator aus gesehen stromaufwärts montiert. Die veränderten Zuströmbedingungen hatten einen ausgeprägten Anstieg der Schallemission zur Folge. Dabei waren sowohl tonale als auch breitbandige Komponenten erhöht. Es zeigte sich, dass vor allem die Schallabstrahlung der vorwärtsgesichelten Ventilatoren stärker durch die gestörten Zuströmbedingungen beeinflusst wird als die der rückwärtsgesichelten Ventilatoren. Es wurde nachgewiesen, dass bei vorwärtsgesichelten Ventilatoren bedingt durch die Geometrie der Ventilatorschaufel ausgeprägtere instationäre Schaufelkräfte sowie erhöhte Druckfluktuationen an der Schaufelvorderkante auftreten. Diese Faktoren bestimmen die tonale und breitbandige Schallabstrahlung. Bei den rückwärts- und ungesichelten Ventilatoren traten bei freier und gestörter Zuströmung subharmonische Schallkomponenten auf. Diese sind auf Strömungsvorgänge im Spaltbereich zurückzuführen. Bei den Vorderkantenmodifikationen zeigte sich, dass bei allen Ventilatoren mit veränderter Vorderkantengeometrie die Schallemission geringer war als beim Referenz-Ventilator mit gerader Vorderkante - sowohl bei freier also auch bei gestörter Zuströmung. Die größte Reduktion wurde durch sinusförmigen Vorderkanten erzielt, gefolgt von zweifach überlagert sinusförmigen Vorderkanten und Vorderkanten mit zufälligen Amplituden. Dabei war vor allem die Wellenlänge der modifizierten Vorderkanten der bestimmende Faktor (im Gegensatz zur Amplitude): je kleiner die Wellenlänge war, umso höher fiel die Verminderung der Schallabstrahlung aus. Insgesamt zeigten die Untersuchungen, dass die Schallemission von Axialventilatoren maßgeblich vom kombinierten Einfluss der Geometrie der Ventilatorschaufel und der Einströmrandbedingungen bestimmt wird. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Schallentstehungsmechanismen von Axialventilatoren bei und zeigen Möglichkeiten für die Entwicklung von geräuscharmen Ventilatoren für komplexe Kühl- und Belüftungssysteme auf., FAU Forschungen, Reihe B: Medizin, Naturwissenschaft, Technik (20)

The sound emission of low-pressure axial fans is substantially influenced by the fan blade geometry and the inflow conditions, induced by the fan installation system. However, the combined impact of these parameters has not yet been comprehensively investigated or understood. Hence the motivation for this thesis was to undertake a compact, systematic experimental study on the sound emission of axial fans with different blade geometry parameters under distorted inflow conditions. The impact of the fan blade design was investigated on the basis of nine fans with different blade loading distributions and different fan blade skew, but otherwise identical geometric parameters. Additionally, the effectiveness of leading edge serrations in reducing axial fan noise was examined with a parametric study of a generic flat-plate fan and eleven sets of fan blades with leading edge modifications that included single-sine (sinusoidal), double-sine and random amplitude leading edge serrations. The inflow conditions were altered to incorporate either an increased inflow turbulence intensity or an inhomogeneous inlet velocity profile. These conditions were realised by grids - three turbulence grids and two velocity gradient grids - that were mounted upstream of the fans. A large increase in the sound radiation with elevated tonal and broadband components was observed with the modified inflow conditions. Thereby, the sound emission of the forward-skewed fans showed a greater susceptibility for distorted inflow conditions than that of the backward-skewed fans. It was found that owing to the fan blade shape, the forward-skewed fans are prone to higher unsteady blade forces and increased pressure fluctuations on the fan blade leading edges. These factors determine the tonal and broadband sound radiation. For the backward-skewed and unskewed fans, dominant subharmonic components, originating from flow phenomena in the tip region, occurred under both free and distorted inflow conditions. All types of leading edge serrations achieved a sound reduction compared with the reference fan with straight leading edges - for both free and distorted inflow conditions. The greatest reduction was observed for the sinusoidal leading edges, followed by the double-sine and random amplitude leading edges. The reduction was mainly dependent on the serration wavelength rather than the serration amplitude: the smaller the leading edge wavelength, the greater was the overall sound reduction. Overall, the investigations showed that the sound emission of low-pressure axial fans is highly dependent on the combined impact of the fan blade geometry and the inflow conditions. The findings contribute to a better understanding of the sound generation mechanisms in axial fans and show means for designing low-noise fans in complex cooling or ventilation systems. Die Schallabstrahlung von Niederdruck-Axialventilatoren ist maßgeblich von der Ventilatorgeometrie und den aufgeprägten Zuströmbedingungen, die durch die Einbausituation des Ventilators induziert werden, abhängig. Die Auswirkungen dieser beiden Parameter wurden jedoch bisher nicht umfassend untersucht und vollständig verstanden. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit, mit einer kompakten und systematischen experimentellen Studie den Einfluss verschiedener Ventilatorschaufelgeometrien auf die Schallabstrahlung von Axialventilatoren unter gestörten Einströmrandbedingungen zu untersuchen. Der Einfluss der Ventilatorschaufelgeometrie wurde anhand von neun Ventilatoren mit unterschiedlicher Arbeitsverteilung und Schaufelsichelung bei ansonsten identischen Geometrieparametern untersucht. Zusätzlich wurde die Wirksamkeit von Vorderkantenmodifikationen zur Reduzierung der Schallabstrahlung von Axialventilatoren mit einer Parameterstudie ermittelt. Dazu wurde ein generischer Platten-Lüfter mit elf unterschiedlichen Vorderkantenmodifikationen verwendet. Die Modifikationen beinhalteten sinusförmige und zweifach überlagert sinusförmige Vorderkantengeometrien sowie Vorderkanten mit zufälligen Vorderkanten-Amplitude. Die Zuströmbedingungen wurden so eingestellt, dass einerseits der Turbulenzgrad erhöht war und andererseits ein inhomogenes Geschwindigkeitsfeld am Ventilatoreinlass vorlag. Diese Bedingungen wurden durch Gitter erzeugt - drei Turbulenzgitter und zwei Geschwindigkeitsgradientengitter. Die Gitter wurden dabei vom Ventilator aus gesehen stromaufwärts montiert. Die veränderten Zuströmbedingungen hatten einen ausgeprägten Anstieg der Schallemission zur Folge. Dabei waren sowohl tonale als auch breitbandige Komponenten erhöht. Es zeigte sich, dass vor allem die Schallabstrahlung der vorwärtsgesichelten Ventilatoren stärker durch die gestörten Zuströmbedingungen beeinflusst wird als die der rückwärtsgesichelten Ventilatoren. Es wurde nachgewiesen, dass bei vorwärtsgesichelten Ventilatoren bedingt durch die Geometrie der Ventilatorschaufel ausgeprägtere instationäre Schaufelkräfte sowie erhöhte Druckfluktuationen an der Schaufelvorderkante auftreten. Diese Faktoren bestimmen die tonale und breitbandige Schallabstrahlung. Bei den rückwärts- und ungesichelten Ventilatoren traten bei freier und gestörter Zuströmung subharmonische Schallkomponenten auf. Diese sind auf Strömungsvorgänge im Spaltbereich zurückzuführen. Bei den Vorderkantenmodifikationen zeigte sich, dass bei allen Ventilatoren mit veränderter Vorderkantengeometrie die Schallemission geringer war als beim Referenz-Ventilator mit gerader Vorderkante - sowohl bei freier also auch bei gestörter Zuströmung. Die größte Reduktion wurde durch sinusförmigen Vorderkanten erzielt, gefolgt von zweifach überlagert sinusförmigen Vorderkanten und Vorderkanten mit zufälligen Amplituden. Dabei war vor allem die Wellenlänge der modifizierten Vorderkanten der bestimmende Faktor (im Gegensatz zur Amplitude): je kleiner die Wellenlänge war, umso höher fiel die Verminderung der Schallabstrahlung aus. Insgesamt zeigten die Untersuchungen, dass die Schallemission von Axialventilatoren maßgeblich vom kombinierten Einfluss der Geometrie der Ventilatorschaufel und der Einströmrandbedingungen bestimmt wird. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Schallentstehungsmechanismen von Axialventilatoren bei und zeigen Möglichkeiten für die Entwicklung von geräuscharmen Ventilatoren für komplexe Kühl- und Belüftungssysteme auf.

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.

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018; Aachen 1 Online-Ressource (IX, 165 Seiten) : Illustrationen (2019). doi:10.18154/RWTH-2018-230288 = Dissertation, RWTH Aachen University, 2018, High pressure steam turbine stages are predominantly suffering from secondary flow losses due to blades with unfavourable low aspect ratios. This adverse ratio of blade height to chord length is driven by long chord lengths, which are neccessary at high thermal and mechanical loads. The subject of this work is the efficiency increase within the early design phase by using rotor blades declined in direction of rotation, so-called negative lean. Since the centers of gravity of the blade sections are no longer stacked on the same radial line, an additional bending moment is induced, which counteracts the steam bending moment. As a result tensile stress is lowered, blades can be dimensioned with shorter chord lengths and secondary flow losses will be reduced.This efficiency potential is being quantified using a specifically developed rotor blading consisting of hub, mid and tip section profiles. The optimal mechanical lean angle is being determined based on a simplified mean-line approach, while mechanical integrity is ensured via beam theory. A design study predicts an increase in isentropic stage efficiency of 0,39%. The validation of this result is supported by detailed CFD simulations, which reveal a benefit of 0,66%. The advantage of an increased blade aspect ratio is now represented by 0,51%. Furthermore, the leakage mass flow in the shroud cavities is reduced due to negative lean, which contributes with an additional increase of 0,15% in stage efficiency. Further CFD simulations without shroud cavities indicate lower efficiencies when using negative lean. This result emphasizes the sensitivity of leakage flows on changes in radial pressure gradients within the passage of shrouded blades., Published by Aachen

This paper presents the results of force measurements on a tandem configuration (platoon) of two train models (Type: Next Generation Train) at varying distances in heading direction in the water towing tank at the German Aerospace Center Gottingen (DLR). The trains had no mechanical connection to represent the occurring situation of virtual coupling. The experiments were conducted at a Reynolds number of 240,000 at 4 m/s. A ground plate was used to account for under floor effects. The gap distance was varied between 1.2% and 59.5% of the single train length. In comparison to a single vehicle, drag reductions of up to 30.4% were observed for the trailing vehicle at all distances. For the leading train reduced resistances at distances ≤12% were found. The combined drag of two vehicles is up to 16% less than the resistance of two single trains. With Particle Image Velocimetry (PIV) a strong interaction between both trains is observed at closest distance (1.2%). An area of reduced relative velocity and thus reduced stagnation pressure in front of the second train is found to be the reason for a smaller drag. At wider gaps (35.7% and 47.6%) a beneficial development of vorticity behind the first train is found to be the cause of a reduced drag value on the trailing vehicle.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss stoßinduzierter Wirbel in der Axialverdichterauslegung diskutiert, indem zunächst geometrische Einflussfaktoren an vereinfachten Schnittsimulationen variiert werden. Ein Ergebnis ist, dass in einer transsonischen Verdichterkonfiguration weder ein großer noch ein geringer Axialabstand zu bevorzugen ist. Die stoßinduzierten Wirbel sind der dominierende instationäre Effekt in transsonischen Verdichtern. Die Wirbel reduzieren oder erhöhen lokal die Geschwindigkeit und beeinflussen so die Hauptströmung und den Rotoranströmwinkel. Eine empirische Korrelationsfunktion zur Wirbeltrajektionsprognose wird analysiert und deren Vorhersagegenauigkeit verbessert. Die Parameterstudien können genutzt werden, um den optimalen Axialabstand im Auslegungsprozess besser zu bestimmen. Im letzten Teil wird gezeigt, dass die Ergebnisse aus den vereinfachten Schnittsimulationen auf reale dreidimensionale Geometrien übertragbar sind. The present work discusses shock induced vortices in a transonic compressor design. The inlet guide vane wake is affected by the shock due to the pressure gradient that curves the wake. To quantify the influence of these vortices, simplified parameter studies have been carried out in a quasi three dimensional setting. Neither a wide nor a small axial gapping is the most favorable in these kinds of compressors due to the vortices. They affect the total pressure ratio, the performance and the surge margin. They reduce or increase the local velocities that affect the rotor boundary layer and the incidence angle. An existing function that predicts the vortex trajectory (B3 function) has been adapted to increase the accuracy. The function uses a steady state simulation to predict the unsteady vortex trajectory. The last part of this work shows three dimensional vortices in the full scale front stage.

Abschlusssachbericht zum AG Turbo Verbundforschungsprojekt COOREFLEX-turbo, Teilprojekt 1.3.6 In der industriellen Praxis beginnt die Entwicklung eines neuen Verdichters aufgrund der hohen Systemkomplexität stationärer Gasturbinen typischerweise mit einfachen, eindimensional mittelnden Modellen, mit denen bereits grundsätzliche Festlegungen getroffen werden können, und setzt sich über zweidimensionale Strömungsbetrachtungen fort bis hin zu dreidimensionalen CFD- und FE-Rechnungen. Dies erfordert den Einsatz unterschiedlicher Experten aus verschiedenen Disziplinen der Aerodynamik, Strukturdynamik und Konstruktion, und ist verbunden mit einem hohen Aufwand an manuellem Datenaustausch zwischen den einzelnen Analyseprogrammen sowie einer Abstimmung zwischen den unterschiedlichen Auslegungszielen. Ziel des Forschungsvorhabens war daher die Automatisierung des multidisziplinären und bislang manuell und sequenziell ausgeführten Entwicklungsprozesses für den Verdichter einer stationären Gasturbine beim Industriepartner Alstom. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die bereits in vorangegangenen Forschungsprojekten entwickelten Prozesse für die Auslegung von Flugtriebwerken auf die höhere Stufenanzahl von stationären Gasturbinen angepasst und entsprechend erweitert. Für die multidisziplinäre Optimierung von Verdichterschaufeln wurde zunächst ein geeignetes Geometriemodell definiert, welches aerodynamischen und strukturellen Anforderungen Rechnung trägt. Für die aerodynamische Bewertung der Verdichterschaufeln konnte die Q3D Auswertung um eine 3D-CFD Analyse ergänzt werden. Zur strukturdynamischen Analyse wurde ein Verfahren zur automatisierten Identifikation von Eigenformen entwickelt, um Eigenform-abhängige Bewertungen durchführen zu können. Durch die Implementierung von Datenbanken in der Verbindung mit Antwortflächenverfahren konnten die strukturellen und aerodynamischen Auswertungen in hohem Maße parallelisiert und ein effizienter, generischer multidisziplinärer Optimierungsprozess entworfen werden. Due to the high complexity of stationary gas turbine systems, the development of a new compressor in the industrial application typically starts with simple, one-dimensional averaging models, that can be used to determine basic properties, followed by the examination of two-dimensional flow, and finally fully three-dimensional CFD- and FE-calculations. This requires commitment of different experts from the fields of aerodynamics, structural dynamics as well as construction and requires large efforts when manually exchanging data between the different analysis codes and negotiating between the different design goals. Therefore, the goal of this research project was to automate the previously manually and sequentially executed multi-disciplinary design process for the compressor of a stationary gas turbine in cooperation with industry partner Alstom. In the course of this research project, previously developed processes for the design of aero engines could be adapted and extended for the larger number of stages in a stationary gas turbines. For the multi-disciplinary optimization of compressor blades, a suitable geometry model was defined initially, which can account for aerodynamic as well as structural requirements. For the aerodynamic assessment of the compressor blade, the Q3D evaluation could be complemented by a full 3D-CFD analysis. For the structural analysis, a method for automated identification of eigenmodes was developed, in order to carry out eigenmode-specific assessments. By implementing data bases in connection with response surface models, the structural and aerodynamic evaluations could be parallelized to a large degree and an efficient, generic multi-disciplinary optimization process could be developed.

A combined aerodynamic and structural, gradient-based optimization has been performed on the NASA/Boeing Common Research Model civil transport aircraft configuration. The computation of aerodynamic performance parameters includes a Reynolds-averaged Navier-Stokes CFD solver, coupling to a linear static structural analysis using the finite element method to take into account aero-elastic effects. Aerodynamic performance gradients are computed using the adjoint approach. Within each optimization iteration, the wing's structure is sized via a gradient-based algorithm and an updated structure model is forwarded for the performance analysis. In this pilot study wing profile shape is optimized in order to study engine installation effects. This setting was able to improve the aerodynamic performance by 4%.

This thesis explains how the classified design parameters of existing passenger jets can be determined. The classified design parameters are; the maximum lift coefficient for landing and take-off, the maximum aerodynamic efficiency and the specific fuel consumption. The entire concept is based on the preliminary sizing of jet powered civil aeroplanes. This preliminary sizing is explained in detail because it is the foundation of the final result. The preliminary sizing is combined using reverse engineering which is not a strict method. Therefore, only the basics are explained. By applying reverse engineering on the preliminary sizing and aiming for the classified design parameters as output, formulas are derived to calculate the maximum lift coefficients, the maximum aerodynamic efficiency and the specific fuel consumption. The goal is to calculate these parameters, using only aircraft specifications that are made public by the manufacturer. The calculations are complex with mutual relations, iterative processes and optimizations. Therefore, it is interesting to integrate everything in a tool. The tool is built in Microsoft Excel and explained in detail adding operating instructions. The program is executed for miscellaneous aeroplanes, supported with the necessary comments. Investigated aeroplanes are: Caravelle 10B (Sud-Aviation), Boeing 707-320C, BAe 146-200 (British Aerospance), A320-200 (Airbus), "The Rebel" (based on A320), Boeing SUGAR High, Boeing 747-400, Blended Wing Body VELA 2 (VELA) and Dassault Falcon 8X.

Detta arbete behandlar undersökningen och valideringen av kylförlustmodellen i det nyligen framtagna programmet för endimensionell turbindesign, Mean Line Tool (MLT), skapat av Siemens Industrial Turbomachinery AB (SIT). Huvudsyftet är att undersöka med vilken noggrannhet MLT kan prediktera de extra aerodynamiska förluster som uppstår vid injektion av kylluft i en turbinpassage. För att validera kylförlustmodellen i MLT, har tidigare resultat från en testrigg på KTH används, där de extra förlusterna på grund av kylinjektion har mätts för ett flertal kylpositioner på en turbinledskena. Lokala flödes- och geometriska parametrar från testriggen ansattes i MLT för att möjliggöra en korrekt jämförelse. Ytterligare validering utfördes mot en testbaserad Siemens-korrelation, som är en sammanställning av ett flertal test från olika turbinkomponenter av SIT. I denna korrelation undersöktes kylning på en ledskenas bladprofil och plattform, samt på skovelns bladprofil, där en ökning av kylmassflöde relaterades till en förändring i stegverkningsgrad. Resultaten, från jämförelsen mellan data från testriggen på KTH samt beräkningar i MLT, visade att MLT predikterar extraförlusterna på grund av kylning på bladprofilen av en ledskena med bra noggrannhet. Däremot visar jämförelsen att MLT beräknar en lägre förlust för bakkantskylning. Således har en modifierad förlustkorrelation för bakkantskylning presenterats, som ger mer överensstämmande resultat mot testriggen. Jämförelsen mellan MLT beräkningar och den testbaserade Siemens-korrelationen visar att MLT inte predikterar förändringen i stegverkningsgrad, på grund av extra kylmassflöde, med bra noggrannhet. På grund av ett flertal osäkerheter har denna jämförelse endast användas för att kvalitativt belysa brister i kylförlustmodellen av MLT. Med detta i åtanke har det fastställts att plattformskylning vid främre delen av en turbinpassage skulle kunna vara mycket överpredikterad av MLT. Den övergripande slutsatsen är att MLT predikterar förändringen i gitterverkningsgrad på grund av kylning på en ledskenas bladprofil med bra noggrannhet, förutom bakkantskylning. Ytterligare jämförelser visar att MLT inte kan prediktera förändringen i stegverkningsgrad, på grund av extra kylmassflöde, med bra noggrannhet för olika kylda komponenter från gasturbinsportfolion av SIT. Således behövs vidare validering av MLT innan programmet kan implementeras i turbindesignsystemet av SIT. This thesis concerns the investigation and validation of the cooling loss model in newly developed one-dimensional turbine design tool, Mean Line Tool (MLT), of Siemens Industrial Turbomachinery AB (SIT). The main objective is to investigate how accurately MLT can predict the additional aerodynamic losses due to cooling ejection in a turbine blade passage. To validate the cooling loss model of MLT, existing results from an annular sector cascade rig at KTH were used, where the additional losses due to cooling ejection were presented for several cooling locations on a stator vane profile. Local flow- and geometrical parameters from the cascade rig were set in MLT to enable a fair comparison. Moreover, a Siemens test based correlation was used, which is a data collection based on tests using various cooled components of SIT. Cooling ejection on a stator vane profile, stator vane platform and rotor blade profile was investigated, where an increase in coolant mass-flow was related to a change in stage efficiency. The results, when comparing data from the KTH cascade rig against calculations of MLT, show that MLT is able to accurately predict the additional loss due to cooling ejection on a stator vane profile. However, the comparison presents that the calculated loss for trailing edge cooling by MLT is lower than the results from the cascade rig. Therefore, a modified trailing edge cooling correlation is presented, which predicts the results from the cascade rig with better accuracy. Furthermore, comparisons between MLT calculations and the Siemens correlation present that MLT cannot predict the change in stage efficiency, due to added coolant mass-flow, accurately. However, due to several uncertainties, these results are qualitatively used to understand sources of prediction error in the cooling loss model of MLT. Having this in mind, it is established that hub platform cooling at the front part of a blade passage might be greatly overpredicted by MLT. The general conclusion is that MLT predicts the change in cascade efficiency due to coolant ejection with good accuracy for a stator vane profile, except for cooling at the trailing edge. However, MLT is not able to predict the change in stage efficiency, due to added coolant mass-flow, with good accuracy for various cooled components from the SIT gas turbine product portfolio. Thus, MLT needs further validation before it can be implemented into the SIT design system.

Dieser Vortrag versucht, einige gängige Vorstellungen von Strömungen an Hochauftriebsprofilen zu korrigieren

Während die meiste bisherige Forschung zum Flattereffekt, der als eine erratische aerodynamische Eigenschaft von Sportbällen bekannt ist, empirisch durchgeführt wurde, sind theoretische Untersuchungen, wie jene, die auf Grundlage von a priori Information eine bidirektionale Krümmung in der Simulation der Flugbahn eines nichtrotierenden Balles berücksichtigen, noch nicht verfügbar. Unsicherheitsquantifizierung in der numerischen Evaluation von Ballflugbahnen ist daher ein geeigneter Gegenstand für weiterführende Untersuchungen. Das verwendete Systemmodell basiert auf einer stochastischen vektoriellen Differentialgleichung (Zweites Newton‘ sches Gesetz), worin Unsicherheitsquellen durch spektrale und geschwindigkeitsspezifische Eigenschaften von Langevin-Kräften für Widerstand und Auftrieb quantifiziert sind. Eine datenbasierte Modellentwicklung erfolgte durch Verringerung der Anzahl von Unsicherheitsquellen und Dimensionsreduktion, und eine jeweilige Modellverifikation wurde erreicht unter Verwendung von mindestens einer Verifikationsmethode (ANOVA-Zerlegung der Legendre Chaos-Entwicklung). Zunächst konnte, ausgehend von einer ereignisanalytischen Klassifizierung von simulationsbasierten räumlich-zeitlichen Tracking-Daten (zeitabhängige Ortsvektordifferenz zum Vergleich von CW- und Schwankungsgrößen), die zeitliche Verteilung und die Auftrittswahrscheinlichkeit eines (Polar)winkel-spezifischen Flattereffektes berechnet werden. Als ein geeignetes Kriterium für die Identifizierung des Effektes wurde eine vergleichsweise schnelle und große zeitliche Änderung des Polarwinkels des Differenzvektors herangezogen. Ein übergeordnetes Ziel in globaler Unsicherheitsquantifizierung war eine vergleichende Untersuchung zum Einfluss von Positionsdaten in standardisierten Situationen des Sportspiels. Untersuchungsmethoden umfassten Zeitmittelung von 99% Konfidenzintervalllängen für dissipierte/erzeugte Leistung und Betrag des Ortsvektors, Gauß-Legendre-Integration zur Berechnung der Varianz des Ballauftreffortes sowie eine Analyse von Deformationsmoden basierend auf Hotelling‘s T2-Statistik einschließlich Eigenwertanalyse zur Reduzierung der Anzahl von Variablen. Um den systematischen Einfluss der Ballflugzeit zu eliminieren, wurde eine Kalibrierung der Ergebnisse mittels Neuberechnung unter der Annahme eines geschwindigkeitsunabhängigen Widerstandsbeiwertes vorgenommen, wodurch sich ein globaler Beiwert-spezifischer Flattereffekt einführen lässt. Es wurden Aufschlag-Szenarien des Sportspiels Volleyball mit positioneller hoher Skalierungsdichte gewählt. Dadurch ermöglicht sich sowohl eine differenzierte Identifizierung sportartspezifischer Anwendung in Bezug auf unmittelbare Wettkampfsteuerung (z.B. taktische Verhaltensweisen, auch hinsichtlich einer geschwindigkeitsbedingten perzeptuellen Trajektorienillusion) als auch eine simulationsgestützte Trajektorien-Evaluation in der Sportball-Technologie. Insbesondere erscheint das zugrundeliegende stochastische Modell für eine prozessbegleitende rechenzeiteffiziente Optimierung von Textur-Gestaltung und Panel-Musterung geeignet zu sein, wofür Ergebnisse aus Windkanal-Messung der zeit- und geschwindigkeitsabhängigen aerodynamischen Beiwerte erforderlich sind., While most previous research on the knuckling effect, known as an erratic aerodynamic property of sports balls, was carried out empirically, theoretical investigations, such as those allowing a priori information based for bidirectional curvature generation in the trajectory simulation of a nonspinning ball, are not yet available. Therefore, uncertainty quantification in the numerical ball flight trajectories evaluation is a suitable subject for subsequent investigations. The system model used is based on a stochastic vectorial differential equation (Newton's 2nd law) quantifying sources of uncertainty by spectral and velocity-specific properties of Langevin forces for drag and lift. A data-based model development was carried out by both reducing the number of sources of uncertainty and dimension reduction, and a respective model verification was achieved by using at least one verification method (ANOVA decomposition of the Legendre chaos expansion). First, the temporal distribution and the probability of occurrence of a (polar-)angle-specific knuckling effect could be calculated based on an event analytic classification of simulation-based spatiotemporal tracking data (time-dependent difference of position vectors to compare CW- and fluctuation quantities). As a suitable criterion for the identification of the effect, a comparatively fast and large temporal change of the polar-angle of the difference vector was used. An overarching aim in global uncertainty quantification was a comparative investigation on the influence of position data in standardised situations of the sports game. Examination methods included time-averaging 99% confidence interval lengths for dissipated/generated power and magnitude of position vector, Gauss-Legendre integration to calculate the variance of landing points as well as an analysis of deformation modes based on Hotelling’s T2 statistic, including eigenvalue analysis for reducing the number of variables. In order to eliminate the systematic impact of time-of-flight, a calibration of results by means of recalculation assuming a speed-independent drag coefficient was undertaken, whereby a global coefficient-specific knuckling effect can be introduced. Scenarios in volleyballs’ serving play were chosen by positional high density scaling. This enables a differentiated identification of different kinds of sport-specific application in relation to immediate competition control (e.g., tactical behaviors, also with regard to speed-related perceptual trajectory illusion) as well as a simulation-based trajectory evaluation in sports ball engineering. In particular, the underlying stochastic model appears to be suitable for an in-process computation time-efficient optimization of textural styling and panel patterning which will require results of wind tunnel measurement of time- and speed-dependent aerodynamic coefficients.

This project has focused on aerodynamics in hand cycling. Hand cycles are used by people with disabilities, paralysis or amputation of a lower limb. The idea for the project was initiated by a para-cyclist who suspected that his feet were causing an unnecessarily large air resistance when racing. The aim of this project was therefore to investigate this suspicion. If the excessive air resistance was confirmed, a new footrest would be developed to reduce it. The project was conducted in collaboration with the orthopedic clinic Team Olmed who had previously had contact with the user. Simulations on the feet were carried out in FloEFD to investigate the air resistance caused by the feet. Any excessive air resistance could then be confirmed and the development of a new footrest that would reduce drag could begin. Through literature studies regarding aerodynamics and analogies, brainstorming and brainwriting and with help from experts different concepts were generated. The concept of a streamlined footrest served as a basis to reduce the air resistance. Two of the concepts were modeled with a rounded shape that gently breaks the air and forms a streamline along the body. New simulations were conducted and later compared with the old footrest and the new streamline characteristics could then be confirmed. The result of the post simulations cannot be definitively quantified, but they indicate that air resistance is reduced by about 0,3 N for the two new footrests. This represents an improvement of 12-15 seconds for the cyclist on a 20 km race, which could be crucial in future competitions. The concept that provided the lowest air resistance was also developed as a prototype. The prototype was tested on the user's bicycle and feet with a satisfactory result. The project shows that it is relevant to develop more aerodynamic footrests in the sport hand- cycling. The time saved with the footrest developed in this project had meant the difference between victory and a fourth place at the Paralympics in 2008.

Nonlinear rotor dynamic is characterized by parametric excitation of both linear and nonlinear terms caused by centrifugal and Coriolis forces when formulated in a moving frame of reference. Assuming harmonically varying support point motions from the tower, the nonlinear parametric instability of a wind turbine wing has been analysed based on a two-degrees-of-freedom model with one modal coordinate representing the vibrations in the blade direction and the other vibrations in edgewise direction. The functional basis for the eigenmode expansion has been taken as the linear undamped fixed-base eigenmodes. It turns out that the system becomes unstable at certain excitation amplitudes and frequencies. If the ratio between the support point motion and the rotational frequency of the rotor is rational, the response becomes periodic, and Floquet theory may be used to determine instability. In reality the indicated frequency ratio may be irrational in which case the response is shown to be quasi-periodic, rendering the Floquet theory useless. Moreover, as the excitation frequency exceeds the eigenfrequency in the edgewise direction, the response may become chaotic. For this reason stability of the system has in all cases been evaluated based on a Lyapunov exponent approach. Stability boundaries are determined as a function of the amplitude and frequency of the support point motion, the rotational speed, damping ratios and eigenfrequencies in the blade and edgewise directions. Nonlinear rotor dynamic is characterized by parametric excitation of both linear and nonlinear terms caused by centrifugal and Coriolis forces when formulated in a moving frame of reference. Assuming harmonically varying support point motions from the tower, the nonlinear parametric instability of a wind turbine wing has been analysed based on a two-degrees-of-freedom model with one modal coordinate representing the vibrations in the blade direction and the other vibrations in edgewise direction. The functional basis for the eigenmode expansion has been taken as the linear undamped fixed-base eigenmodes. It turns out that the system becomes unstable at certain excitation amplitudes and frequencies. If the ratio between the support point motion and the rotational frequency of the rotor is rational, the response becomes periodic, and Floquet theory may be used to determine instability. In reality the indicated frequency ratio may be irrational in which case the response is shown to be quasi-periodic, rendering the Floquet theory useless. Moreover, as the excitation frequency exceeds the eigenfrequency in the edgewise direction, the response may become chaotic. For this reason stability of the system has in all cases been evaluated based on a Lyapunov exponent approach. Stability boundaries are determined as a function of the amplitude and frequency of the support point motion, the rotational speed, damping ratios and eigenfrequencies in the blade and edgewise directions.

Die Entwicklung schwerer Nutzfahrzeugmotoren unterliegt dem Zielkonflikt zwischen möglichst geringen Betriebskosten, hoher Leistung und der Einhaltung von Emissionsvorschriften. Bezüglich der Auslegung der Verdichterstufe des Abgasturboladers resultiert dies in einem Kompromiss zwischen Kennfeldbreite und den Wirkungsgraden im Nennpunkt sowie im Hauptfahrbereich. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wird untersucht, ob mit Hilfe einer geometrischen Verstellbarkeit des Verdichters eine bessere Lösung für das anspruchsvolle Anforderungsprofil gefunden werden kann. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eines 12,8l NFZ-Dieselmotors im schweren Fernverkehr, ohne dass hierbei Abstriche bezüglich weiterer Leistungsmerkmale der Verdichterstufe in Kauf genommen werden müssen. In einem ersten Schritt wird hierzu mit Hilfe der Auswertung von Lastkollektivdaten der für den Kraftstoffverbrauch relevante Betriebsbereich der Basis-Verdichterstufe identifiziert. Dieser befindet sich bei vergleichsweise geringen Massenströmen und hohen Totaldruckverhältnissen in der Nähe der Volllast-Schlucklinie im Verdichterkennfeld. Die Auswertung von ein- und dreidimensionalen Strömungssimulationen führt zur Erkenntnis, dass die hohen Tangentialgeschwindigkeiten im unbeschaufelten Diffusor ausschlagge- bend sind für die Strömungsverluste innerhalb der Verdichterstufe im Hauptfahrbereich. Eine Möglichkeit die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zu reduzieren, ist die Verwendung eines beschaufelten Diffusors. Zur Überprüfung des Potentials werden im Rahmen einer Parameterstudie 47 unterschiedliche Nachleitgitter im Diffusor der Basis-Verdichterstufe am Heißgasprüfstand untersucht. Es stellt sich heraus, dass durch den Einsatz einer Nachleitbeschaufelung der Verdichterwirkungsgrad um bis zu 8 Prozentpunkte verbessert werden kann, die Kennfeldbreite jedoch nicht ausreicht, um die motorischen Anforderungen bezüglich der Pumpstabilität oder der Bremsleistung zu erfüllen. Resultierend aus diesen Erkenntnissen werden drei variable Verdichter entwickelt, mit dem Ziel, den Wirkungsgradvorteil beschaufelter Diffusoren mittels einer geometrischen Verstellbarkeit für den schweren Nutzfahrzeugmotor nutzbar zu machen. Die Bewertung hinsichtlich der Ziele und Anforderungen erfolgt anhand von Versuchen am Heißgas- sowie Vollmotorenprüfstand. Die Variabilität mit der geringsten Komplexität ist die Kombination aus starrem Nachleitgitter und Schubumluftventil. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungsabrisse im Bereich des Nachleitgitters durch Aktivieren des Schubumluftventils und somit Öffnen eines Rezirkulationskanals im Verdichtergehäuse in pumpkritischen Situationen vermieden werden können. Der Verzicht auf bewegliche Teile im Diffusor resultiert in der höchsten Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 0,6 − 1,4% im Hauptfahrbereich. Der Doppeldiffusor besitzt zwei separate Strömungskanäle unterschiedlicher Geometrie, die im Betrieb durch eine axiale Verschiebung mit Druckluft aktiviert werden können. Dieses völlig neuartige Konzept ermöglicht es, die Auslegungsziele auf zwei Diffusoren aufzuteilen und somit für jede Kennfeldhälfte die jeweils optimale Schaufelgeometrie auszuwählen. Mit dieser Variabilität kann die Einspritzmenge im Hauptfahrbereich um 0,5 − 0,8 Prozent gesenkt werden. Das System mit der höchsten Komplexität ist der Verdichter mit rotierbarer Nachleitbeschaufelung. Über einen elektronischen Steller können die Anstellwinkel und Halsquerschnitte in jedem Betriebspunkt den Anströmbedingungen angepasst werden, um den jeweils bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Aufgrund der anspruchsvollen geometrischen Zwangsbedingungen bei der Auswahl der Schaufelgeometrie besitzt der Dreh- schaufler mit 0,3−0,6% das geringste Potential zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit, erzielt jedoch das beste Ergebnis bezüglich der Bremsleistung und der Pumpstabilität.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis Reducing the total costs of ownership, achieving the rated engine power and compliance with exhaust-emission legislation are competing goals regarding the development of heavy duty engines. This leads to demanding requirements for the aerodynamic design of the turbocharger compressor stage such as high efficiencies at various operating points and a broad map width. The aim of the present doctoral thesis is to investigate the potential of a compressor with variable geometry in order to obtain a better compromise between efficiency and compressor map width for the purpose of increasing fuel economy without sacrifices concerning the rated power, engine brake performance or surge stability. In a first step, the evaluation of load cycles yields operating points on which the fuel consumption is heavily dependent. Results of 1D- and 3D fluid flow simulations show that the high tangential velocity in the vaneless diffusor is the main cause for the reduction of compressor efficiency in the main driving range. A parameter study containing 47 different geometries is conducted at a hot gas test rig in order to examine the potential of vaned diffusers regarding the reduction of the tangential velocity component. It can be seen that by introducing diffuser vanes compressor efficiency can be increased by up to 8 percent. The narrow map width however prevents the use of a fixed geometry for heavy duty engines. Based on those results three variable geometry compressors are developed with the goal of maintaining the efficiency benefit of vaned diffusers while increasing the map width by adjustable geometric features. The evaluation of the variable compressor systems is based on hot gas and engine test bench measurements. The variable compressor system with the lowest complexity utilizes a recirculation valve in the compressor housing in combination with a fixed geometry vaned diffuser in order to improve the surge margin for a short period of time at a sudden load drop. The abandonment of functional gaps in the diffuser leads to the highest improvement of fuel economy of 0,6 − 1,4% in the main driving range. The compressor with stacked diffuser vanes has two separate flow channels in the diffuser. During engine operation only one vaned diffuser geometry is active. The axial movement is performed via pressure chambers in the compressor and bearing housing. The two diffuser geometries are either optimized for high or low mass flows. This way the fuel consumption in the main driving range can be reduced by 0,5 − 0,8%. The compressor with pivoting vanes in the diffuser has the highest complexity of all systems. With the aid of an electronic actuator the vane inlet angle and throat area can be adjusted to the impeller outlet flow conditions at each operating point. As a consequence the pivoting vanes compressor achieves the best results regarding engine brake performance and surge stability. The fuel economy in the main driving range can be improved by 0,3 − 0,6%. Higher benefits are prevented by demanding geometric constraints in order to ensure the rotatability of the vanes and to prevent vibrations of the impeller blades.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis

Beim Unfall von Germanwings 9525 waren ingenieurwissenschaftliche Aussagen auch ohne Insiderwissen möglich. Dies insbesondere basierend auf den früh verfügbaren Daten von FlightRadar24 und den öffentlich verfügbaren Daten zur A320 über Flugleistung und Flugzeugsysteme. Die vereinfachte statische Auswertung der Daten von FlightRadar24 anhand der Polare der A320 ermöglichte eine erste Einordnung und Überprüfung der Daten und förderte das Verständnis über den Sinkflug von 4U9525. Es konnte gezeigt werden, dass der Nicklagewinkel des Flugzeugs während des Sinkfluges 5°(nose down) nicht überschritten hat und die Passagiere daher wahrscheinlich zunächst wenig Anlass zur Besorgnis hatten. Die Übereinstimmung der Messwerte von FlightRadar24 und bekannten Charakteristiken einer funktionstüchtigen A320 kann aber in diesem Fall letztlich nur mit Hilfe einer dynamischen Betrachtung gezeigt werden. Eine flugwissenschaftliche Arbeitsweise konnte bei diesem Flugunfall frühzeitig weitere Erkenntnissen aus wenigen bekannten Fakten generieren. Schon vor der Pressekonferenz von Lufthansa-Chef Spohr (26.03.15, 14:56) konnte technisches Versagen des Flugzeugs bereits weitgehend ausgeschlossen werden. Ingenieure sollten sich daher mit ihrem Wissen verstärkt auch in die öffentliche Diskussion einbringen. Öffentlich zugängliche Informationen wie die von FlightRadar24 helfen dabei, die Bewertung eines Flugunfalls zu demokratisieren. Die Allgemeinheit ist damit nicht allein auf die gesteuert bereitgestellten Informationen der Luftfahrtindustrie angewiesen., https://dlrk2015.dglr.de

Der gegenläufige (CR) Fan ist ein potentielles Antriebskonzept für zukünftige Hoch-Bypass-Triebwerke. Die Erfahrung mit konkreten gegenläufigen Fan-Auslegungen dient als Basis dieser Dissertation. Das Ziel der Arbeit ist die Bestimmung der erreichbaren Wirkungsgrade mit dem CR und mit dem konventionellen (SR) Fan als Funktion des Druckverhältnisses \((\Pi_{t},_{FAN})\) und der axialen Machzahl \((M_{ax})\). Aufgrund dieser Ergebnisse können die optimalen Fandruckverhältnisse für die beide Fankonzepte und die Wirkungsgraddifferenzen zwischen den CR- und SR-Fans ermittelt werden. Dazu wurden Parameterstudien mit der Anwendung von den Low-Fidelity- bis zu High-Fidelity-Modellen durchgeführt. Im ersten Schritt erfolgt eine eindimensionale Parameterstudie für das CR-Konzept. Anschließend folgen verschiedene Throughflow-Optimierungen und zum Abschluss eine 3D-RANS-Optimierung des CR- und SR-Fans. Das Ergebnis ermöglicht die allgemeine Bewertung des CR-Fankonzeptes über den gesamten Anwendungsbereich. One possible fan concept for future high and ultra-high bypass ratio turbofan engines is the counter-rotating (CR) fan. The processes of two different CR-fan designs for test rig applications are discussed in the first part of this study. The main target of this thesis is based on this experience: to show the maximum achievable efficiency with a CR- and with a conventional single rotating (SR)-fan as a function of the fan pressure ratio and the axial Mach number. Due to the results the optimum fan pressure ratios of both fan concepts and the efficiency benefit of a CR fan compared to the SR fan can be determined. At the beginning a one-dimensional study for a CR fan was performed. Then optimizations with a Throughflow-code (ACDC) and finally 3D-RANS-optimizations were conducted for both, CR- and SR-fans using the equally distributed simulation quantities. The results allow for a generalized assessment of this particular fan concept over the entire range of relevant applications.

Over the last decade numerous experimental and numerical studies have been conducted by DLR together with partners regarding the maturation of active flow separation control technologies at low speed high-lift conditions. The DLR-F15 high-lift airfoil has been established as a common test bed for such kind of investigations within the German national framework and in the scope of European Research. The present paper highlights major results of this research regarding flow separation suppression by means of pulsed blowing.

Denna rapport ingår i ett examensarbete på avancerad nivå inom ämnet produktutveckling.Arbetet innefattar en fallstudie som genomförts vid RTGA, Scania CV AB i Södertälje.Examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng och har genomförts av undertecknad,teknologstudent från Mälardalens Högskola vårterminen 2015. Rapporten har upprättats i tvåversioner, en för Scania CV AB respektive en generell version där känslig företagsspecifikinformation har censurerats. I takt med att utvecklingen av motorprestanda fortskrider, med avseende på ökademotoreffekter samt teknikutveckling för emissionsreglering, så ökar också kravet på prestandaför kylsystem som måste klara av att kyla bort högre effekter. Fordonskombinationer medkraftfulla laddluftkylare löper dock stor risk att drabbas av utfälld kondens som fryser till is iladdluftkylaren vid låga omgivningstemperaturer. Isen medför ett tryckfall i laddluftkylarenmed prestandabortfall som följd. Scanias lösning till problematiken är en så kallad kylargardinsom syftar till att reducera kylluftflödet genom laddluftkylaren till den mån att isbildning intesker. Kylargardinen monteras manuellt av föraren framför kylarpaketet dåomgivningstemperaturen understiger 5 °C. Det finns även andra fördelar med att begränsa det yttre kylluftflödet som passerar genomkylarpaketet. Lastbilars kylsystem är i regel överdimensionerade för normala driftfall såsommotorvägskörning vilket betyder att maximal kylning inte krävs vid dessa situationer. Genomatt reducera det yttre kylluftflödet genom kylarpaketet så kan även hela fordonets totalaluftmotstånd reduceras vilket kan utnyttjas i syfte att reducera bränsleförbrukningen. För att erhålla en bra balansgång mellan aerodynamik och kylprestanda samt motverkaproblemet med isbildning i laddluftkylaren fanns därför en önskan om att en reglerbarkylartäckning skulle utvecklas för att kunna reglera kylluftflödet genom fordonets kylarpaketvid behov. Detta arbete innefattar en fallstudie där olika produktutvecklingsverktyg använts för att ta framolika konceptlösningar, anpassade för en specifik lastbil. Datorstödda flödessimuleringarutnyttjas för att utvärdera respektive verifiera konceptens funktion jämfört med olika referensmodeller. Resultatet visar bland annat att det slutgiltiga konceptets funktionsduglighet överensstämmermed den lösning som används idag samt att kylluftflödet inte påverkas nämnvärt då maximalkylkapacitet eftersträvas. Resultatet från den aerodynamiska flödessimuleringen indikerar ävenatt fordonets totala luftmotstånd kan reduceras med - Drag Counts (DC) vid hastigheten90 km/h och 0° vindriktning. Detta medför att bränsleförbrukningen i det specifika driftfallet,enligt tumregel, antas reduceras med - % för det specifika fordonet. This report is part of a Master thesis project in the subject of Product Development. The workincludes a case study which was carried out at RTGA, Scania CV AB in Södertälje. The workcomprises 30 credits and was conducted by a student from Mälardalen University during thespring semester 2015. The report has been prepared in two versions; one for Scania CV AB anda generalized version where sensitive company specific information has been censored. The development of vehicle engine performance progresses in a rapid pace. This progressinclude increased engine power and improved technical features for emission control. This alsogoes for the requirement on performance of cooling systems in heavy trucks, which has tohandle dissipation of the increased power. Vehicles with powerful charge air coolers however,runs a high risk of being affected by iced condensation in the charge air cooler at low ambienttemperatures. The ice build-up results in a pressure drop in the charge air cooler with a loss ofengine performance as a consequence. Scania's solution to the problem is a so called radiatorblind designed to reduce the cooling air flow through the charge air cooler to the extent thatice build-up does not occur. The blind is mounted manually in front of the cooler package whenthe ambient temperature is expected to be below 5 °C. There are also other advantages to limit the outer cooling air flow passing through the coolingpackage. The cooling systems in heavy trucks are usually oversized for normal operatingconditions such as highway cruising, which means that maximum cooling is not required inthese situations. By reducing the airflow through the cooler package, the vehicle's total airresistance is reduced, which can be utilized in order to reduce fuel consumption. To obtain a good balance between aerodynamics and cooling performance, and to counteractthe problem of ice build-up in the charge air cooler, there was a desire for an adjustable radiatorcoverage which would be able to regulate the airflow through the vehicle's cooling packagewhen needed. This work includes a case study in which various product development tools are used toinvestigate different concept solutions, designated for a specific truck model. Computationalfluid dynamics (CFD) are used to evaluate and validate the concept’s functionality andcomparing them to different reference models. The results reveal that the final concept functionality is consistent with the one used today, andthat the cooling air flow is not significantly affected when maximum cooling capacity is strivedfor. The results of the aerodynamic flow simulation also indicate that the vehicle's total airresistance can be reduced by - Drag Counts (DC) at the speed of 90 km/h and 0° yaw angle.This means that fuel consumption in the specific operating case, as rule of thumb, is assumedto be reduced by - % for the specific vehicle.

The objective of this project is to design and develop aerodynamically the undertray of a formula style car. This implies a whole design of a new undertray that fits well to the overall design and performance of the rest of the car. This design includes the length, size and shape of the inlets and outlets of the diffuser as well as the shape of the conducts. To Increase the downforce and decrease the drag to be the fastest is the maximum absolute of any motorsport. The objectives of this project are to: Test the ground effect influence on downforce. -Design iterations of diffusers to get the most aerodynamically efficient. -Optimize the diffuser geometry. -Design a whole undertray for the car. -CFD simulations of the whole car. To make all of this possible knowledge about CFD is needed. Therefore, 2D and 3D simulations of test cases and full car wind tunnel study will be developed.