Die genaue Vorhersage der räumlichen Verteilung von Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit im Inneren von Gebäuden sowie in Passagierkabinen von Flugzeugen, Bahnen, Reisebussen und Personenkraftwagen ist für die Gesundheit und das Wohlbefinden von Menschen sowie für den sparsamen Einsatz von Energie zum Heizen und Klimatisieren von entscheidender Bedeutung. Obwohl die Strömungsmechanik bei der Erforschung dieser Strömungen - den sogenannten Raumluftströmungen - sowohl in experimenteller als auch in numerischer Hinsicht in den vergangenen zehn Jahren große Fortschritte erzielt hat, ist es bis heute noch nicht möglich, Strukturbildungsprozesse in diesen Strömungen auf räumlichen Skalen von mehreren Metern und auf zeitlichen Skalen von mehreren Stunden mit hinreichender Genauigkeit vorherzusagen. Die physikalische Ursache für diese Schwierigkeit liegt darin begründet, dass es sich hierbei um eine Überlagerung von erzwungener und natürlicher thermischer turbulenter Konvektion handelt, die als gemischte Konvektion oder Mischkonvektion bezeichnet wird. Dieser Strömungstyp ist im Gegensatz zu rein erzwungener oder rein thermischer Konvektion notorisch schwer vorherzusagen. Das Ziel des vorliegenden Projektes besteht darin, den Mangel an Wissen über Strukturbildungsprozesse in gemischter turbulenter Konvektion zu überwinden, wobei sich die untersuchte Geometrie an Fragestellungen der Raumluftströmung orientiert. Nachdem der Antragsteller im Rahmen des von 2007 bis 2012 laufenden DFG- Antrages Strukturbildung turbulenter Mischkonvektion in Räumen und Passagierkabinen erstmalig die Machbarkeit einer realitätsgetreuen Nachbildung von Raumluftströmungen in einem verkleinerten Modellmaßstab von 1 zu 10 durch Verwendung des Gases Schwefelhexafluorid bei 5 bar nachgewiesen hat, steht die im Paketantrag errichtete Versuchsanlage SCALEX nunmehr für umfassende experimentelle Untersuchungen zur Verfügung. Aufbauend auf den im Paketantrag geleisteten Vorarbeiten besteht das spezielle Ziel des vorliegenden Projektes in der experimentellen Analyse dreier Strukturbildungsaspekte turbulenter Mischkonvektion für eine bislang in keinem Laborexperiment erreichte Breite des Parameterbereiches von Reynolds- und Rayleighzahlen. Hierzu sollen in einem ersten Schritt räumliche Symmetriebrechungsprozesse, in einem zweiten Schritt Hystereseprozesse und in einem dritten Schritt zeitabhängige Strukturwandlungen erforscht werden. Obwohl das Projekt erkenntnisorientiert ist und nicht der Lösung konkreter Raumluftströmungsprobleme dient, ist die untersuchte Geometrie der Passagierkabine eines Verkehrsflugzeuges nachempfunden. Somit kommen die zu gewinnenden grundlegenden Erkenntnisse langfristig der Luftfahrt- sowie der Schinen- und Straßenfahrzeugforschung zugute.
Gegenueberstellung der einzelnen Laermentstehungsmechanismem; Grenzschichtlaerm/Flugtechnik/erdgebundene Schnellverkehrstechnik.
Im Rahmen des Projektes werden flugzeuggetragene Untersuchungen von Ferntransport und Austauschprozessen an der sogenannten Tropopause durchgeführt, die die Grenzfläche zwischen der turbulenten Troposphäre und der stabil geschichteten Stratosphäre bildet. Die Region spielt eine zentrale Rolle für die Strahlungsbilanz der Atmosphäre, sodass Änderungen der chemischen Zusammensetzung sich direkt auf die Oberflächentemperatur auswirken können. Die flugzeuggetragenen Messungen in der arktischen Tropopause im Winter haben zum Ziel, speziell die Rolle von gebirgsinduzierten Schwerewellen für einen Spurenstoffaustausch zu untersuchen und die Zeitskalen und Effizienz dieser Prozesse zu bestimmen. Hierzu werden mit hoher zeitlicher Auflösung geeignete Marker für den Transport (CO, N2O) gemessen. Insbesondere N2O eignet sich hervorragend zur Untersuchung dieser dynamischen Vorgänge, da es in der Troposphäre chemisch inert und fast homogen verteilt ist. Auf Grund dieser Tatsache und des stratosphärischen Vertikalgradientes eignet es sich damit hervorragend, die dynamische Prozesse und Wellenausbreitung innerhalb der Stratosphäre zu untersuchen. Jedoch ist der N2O Gradient an der Tropopause nur schwach ausgeprägt, was eine hohe Messpräzision erfordert. Das Institut für Atmosphärenphysik der Universität Mainz verfügt seit Sommer 2013 über eine flugfähige Messinstrumentierung, die die notwendige Präzision des N2O Nachweises erreicht. Mit dieser Technik sollen im Rahmen einer Messkampagne des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit dem Messflugzeug Falcon im Januar 2016 in Kiruna / Nordschweden Untersuchungen im Bereich sogenannter Schwerewellen durchgeführt werden, um:1) den Effekt der Wellen auf die Spurengasverteilungen nachzuweisen und turbulente Transportprozesse mit nie dagewesener zeitlicher und räumlicher Auflösung zu vermessen 2) die relevanten Zeitskalen und Wellenlängen für Transport und Mischung zu bestimmen3) Flüsse durch die Tropopause nachzuweisen und zu bestimmen4) die atmosphärischen Prozesse, die zur welleninduzierten Entstehung von Turbulenz und Mischung führen, zu bestimmen Ein in-situ Nachweis von Mischung und Turbulenz war in dieser Form mit N2O und CO Korrelationen bisher nicht möglich und ist mit der erreichten Zeitauflösung und Präzision momentan weltweit einzigartig. Die Kombination mit den Wind- und Turbulenzmessugen der Falcon erlauben es, Austauschflüsse zu quantifizieren und die relevanten Wellenlängen des Spurenstofftransports zu identifizieren. Vergleiche mit dem EULAG Modell erlauben es, die für die Entstehung von welleninduzierter Turbulenz und Mischung relevanten atmosphärischen Bedingungen zu identifizieren.
Fuer den Einsatz im Weltraum werden solardynamische Energieversorgungsanlagen zur Erzeugung der erforderlichen Bordenergie fuer bemannte Raumstationen (COLUMBUS) untersucht. Aufgrund ihrer Konzeption sind derartige Systeme, speziell in Verbindung mit Energiespeichern fuer die Schattenphasen, in bezug auf die erforderliche Flaeche und das damit gekoppelte Orbitkeeping vier mal effizienter als photovoltaische Systeme. Im Rahmen zweier Dissertationen werden insgesamt drei unterschiedliche Spiegelsysteme (Newton-Anordnung, Off-axis-Anordnung und Cassegrain-Anordnung), zwei Receiver-Speicher-Systeme (Cavity-Receiver mit Latentwaermespeicher bzw kapazitivem Speicher), vier Waermekraftmaschinenprozesse (Hochtemperatur-Rankine-Prozess, Joule/Brayton-Prozess, organischer Rakine-Prozess sowie Freikolben-Stirling-Prozess) und zwei Radiatorbauformen (Heat-Pipe-Radiator und Rippenrohrradiator) in bezug auf ihre Realisierbarkeit, technologische Ausfuehrung sowie ihr Zusammenwirken im System untersucht. Neben der Erstellung eines umfassenden Simulationsprogramms wurden auch experimentelle Untersuchungen, speziell zur latenten Energiespeicherung durchgefuehrt. Dieses Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Institut fuer Raumfahrttechnik der TU Muenchen, Prof Dr Harry O Ruppe, und dem DLR Institut fuer Technische Thermodynamik in Stuttgart, Prof Dr Fischer durchgefuehrt. Eine Uebertragbarkeit der Ergebnisse auf erdgebundene Anlagen ist moeglich.
Die gegenueber konventionellen Triebwerks-Tragfluegelanordnungen hoehere Schallemission von Hochauftriebssystemen ist Anlass einer detaillierten Untersuchung der wirksamen Schallerzeugungsvorgaenge mit dem Ziel, eine Reduktion der abgestrahlten Schalleistung bei Erhaltung der flugmechanischen Leistungsdaten zu erreichen. Moegliche Laermminderungsmassnahmen werden an Modellsystemen in einem stationaeren Freistrahlpruefstand untersucht und beinhalten unter anderem Formaenderungen der Tragfluegel- und Klappenhinterkantengeometrien, Aenderungen in der Oberflaechenbeschaffenheit von Tragfluegel und Klappe sowie die aerodynamische Beeinflussung der Klappengrenzschichten.