The flow and heat transfer within compressor rotor cavities of aero-engines is a conjugate problem. Depending on the operating conditions buoyancy forces, caused by radial temperature difference between the cold throughflow and the hotter shroud, can influence the amount of entrained air significantly. By this, the heat transfer depends on the radial temperature gradient of the cavity walls and in reverse the disk temperatures are dependent on the heat transfer. In this thesis, disk Nusselt numbers are calculated in reference to the air inlet temperature and in comparison to a modeled local air temperature inside the cavity. The local disk heat flux is determined from measured steady-state surface temperatures by solving the inverse heat transfer problem in an iterative procedure. The conduction equation is solved on a 2D mesh, using a validated finite element approach and the heat flux confidence intervals are calculated with a stratified Monte Carlo approach. An estimate for the amount of air entering into the cavity is calculated by a simplified heat balance. In addition to the thermal characterization of the cavity, the mass exchange of the air in the cavity with the axial flow in the annular gap and the swirl distribution of the air in the cavity are also investigated.:1 Einleitung 2 Grundlagen und Literaturübersicht 2.1 Modellsystem der rotierenden Kavitäten mit axialer Durchströmung 2.2 Ergebnisgrößen 2.3 Strömung in rotierenden Kavitäten 2.4 Wärmeübertragung in rotierenden Kavitäten 2.5 Fluidtemperatur in rotierenden Kavitäten 3 Experimenteller Aufbau 4 Messtechnik 4.1 Oberflächen- und Materialtemperaturen 4.2 Lufttemperaturen 4.3 Statischer Druck 4.4 Dreiloch-Drucksonden 5 Datenauswertung 5.1 Kernrotationsverhältnis 5.2 Wärmestromdichte und Nusseltzahl 5.2.1 Finite-Elemente Modell 5.2.2 inverses Wärmeleitungsproblem 5.2.3 Anpassungsmethode 5.2.4 Testfälle zur Validierung 5.2.5 Validierung Testfall 1 und 3 - ideale Kavitätenscheibe 5.2.6 Validierung Testfall 2 - Reproduzierbarkeit 5.2.7 Validierung Testfall 4 - lokales Ereignis 5.2.8 Bestimmung der Wärmestromdichte-Unsicherheit 5.2.9 Anwendung der Anpassungsmethode auf experimentelle Daten 5.2.10 Wahl der Randbedingungsfunktion 5.2.11 Wärmeübergangskoeffizient und Nusselt-Zahl 5.2.12 Zusammenfassung 5.3 Austauschmassenstrom 6 Experimentelle Ergebnisse 6.1 Dichteverteilung in der Kavität 6.2 Massenaustausch Kavität 6.3 Wärmeübertragung in der Kavität 6.3.1 Fallbeispiel 6.3.2 Einfluss der Drehfrequenz 6.3.3 Einfluss des Massenstromes 6.3.4 Einfluss des Auftriebsparameters 6.4 Wärmeübertragung im Ringspalt 6.5 Drall im Ringspalt und der Kavität 7 Zusammenfassung und Ausblick / Die Strömung und Wärmeübertragung in den Verdichterkavitäten von Flugtriebwerken ist ein konjugiertes Problem. Durch die radialen Temperaturunterschiede in der Kavität wird die Menge der in die Kavität strömenden Luft stark beeinflusst. Somit ist die Wärmeübertragung abhängig von den radialen Temperaturgradienten der Scheibenwände und umgekehrt ist die Scheibentemperatur abhängig von der Wärmeübertragung. Die Nusselt-Zahl in diesem System wurde aufgrund der schwierigen Zugänglichkeit in der Historie auf die eine Referenztemperatur vor der Kavität bezogen. Dies ist insofern problematisch, da hierdurch die thermischen Verhältnisse unterschätzt werden können. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zu Berechnung der Nusselt-Zahl mithilfe einer modellierten lokalen Lufttemperatur innerhalb der Kavität verwendet. Die lokale Wärmestromdichte auf der Scheibenoberfläche wird mithilfe eines validierten zweidimensionalen rotationssymmetrischen Finite-Element Modells auf der Grundlage von gemessenen Oberflächentemperaturen berechnet. Dies stellt ein inverses Wärmeleitungsproblem dar, welches mithilfe einer Anpassungsmethode gelöst wurde. Die Auswirkung der Messunsicherheit der Temperaturmessung auf die berechnete Wärmestromdichte wird durch eine geschichtete Monte-Carlo-Simulation, nach dem Ansatz der LHC-Methode, untersucht. Neben der thermischen Charakterisierung der Kavität wird zudem der Massenaustausch der Luft in der Kavität mit der axialen Durchströmung im Ringspalt sowie die Drallverteilung der Luft in der Kavität untersucht.:1 Einleitung 2 Grundlagen und Literaturübersicht 2.1 Modellsystem der rotierenden Kavitäten mit axialer Durchströmung 2.2 Ergebnisgrößen 2.3 Strömung in rotierenden Kavitäten 2.4 Wärmeübertragung in rotierenden Kavitäten 2.5 Fluidtemperatur in rotierenden Kavitäten 3 Experimenteller Aufbau 4 Messtechnik 4.1 Oberflächen- und Materialtemperaturen 4.2 Lufttemperaturen 4.3 Statischer Druck 4.4 Dreiloch-Drucksonden 5 Datenauswertung 5.1 Kernrotationsverhältnis 5.2 Wärmestromdichte und Nusseltzahl 5.2.1 Finite-Elemente Modell 5.2.2 inverses Wärmeleitungsproblem 5.2.3 Anpassungsmethode 5.2.4 Testfälle zur Validierung 5.2.5 Validierung Testfall 1 und 3 - ideale Kavitätenscheibe 5.2.6 Validierung Testfall 2 - Reproduzierbarkeit 5.2.7 Validierung Testfall 4 - lokales Ereignis 5.2.8 Bestimmung der Wärmestromdichte-Unsicherheit 5.2.9 Anwendung der Anpassungsmethode auf experimentelle Daten 5.2.10 Wahl der Randbedingungsfunktion 5.2.11 Wärmeübergangskoeffizient und Nusselt-Zahl 5.2.12 Zusammenfassung 5.3 Austauschmassenstrom 6 Experimentelle Ergebnisse 6.1 Dichteverteilung in der Kavität 6.2 Massenaustausch Kavität 6.3 Wärmeübertragung in der Kavität 6.3.1 Fallbeispiel 6.3.2 Einfluss der Drehfrequenz 6.3.3 Einfluss des Massenstromes 6.3.4 Einfluss des Auftriebsparameters 6.4 Wärmeübertragung im Ringspalt 6.5 Drall im Ringspalt und der Kavität 7 Zusammenfassung und Ausblick

Depuis l'identification par Brown \& Roshko, en 1974, de structures jouant un rôle majeur dans le mélange d'un écoulement turbulent, la recherche de structures cohérentes a été un des principaux axes d'étude en mécanique des fluides.Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans cette voie.La première partie du manuscrit traite ainsi de l'identification de structures cohérentes. Elle se compose de trois chapitres abordant deux techniques d’identification. La Décomposition en mode dynamique (DMD), ainsi que des variantes généralisant son champ applicatif est présenté dans le premier chapitre. Cette méthode propose une représentation par modes spatiaux et temporels d'un ensemble de données. Une méthode pour la sélection de composantes particulièrement représentatives de la dynamique, i.e. présentant de bonnes qualités d'observabilité, se basant sur cette décomposition est également décrite dans ce chapitre.Le deuxième chapitre traite de la détection de structures cohérentes lagrangienne, par suivi de particules. Ces structures permettent d'identifier les frontières matérielles et apportent des éclaircissements sur les mécanismes du mélange au sein de l'écoulement considéré.Ces méthodes sont appliquées, dans le chapitre trois, au cas d’un écoulement incompressible affleurant une cavité ouverte.La seconde partie du manuscrit traite des questions de représentation et discrimination de données scientifiques.Une réponse à la question de la représentation de structures cohérentes a été la mise en place d'outils permettant la visualisation interactive de jeux de données scientifiques, qui dont la présentation fait l'objet du chapitre quatre. En particulier, l'utilisation d'objets tangibles, représentant les données dans le monde réel, permet une exploration plus efficace des ensembles de volumétriques de données scientifiques. La question d'une perception et discrimination efficace de données représentées, e.g. la différentiation entre deux valeurs proches, est abordée dans le cinquième chapitre. / Brown \& Roshko identify the key role, as soon as 1974, of coherent structures in the mixing of a turbulenet jet. Since, the seek for coherent structures has been a major field in fluid mechanics. This manuscript follows this path, and aims at describing algorithm to compute and explore coherent structures from fluid mechanics dataset.The first part of this manuscript is dedicated to present algorithms for the computations of coherent structures from dataset. The first chapter exposes the Dynamical Modes Decomposition, and presents improvements of the method. A criterion to estimate the observability properties of components of the state vector is also presented.The second chapter aims at describing an efficient algorithm to compute Lagrangian Coherent Structures, which are somewhat equivalent to material frontiers in fluid flows, and highlight mixing dynamics.This methods are applied, in a third chapter, to caracterize the dynamics of an open cavity flow.The second parti of this manuscript is dedicated to the representation and discrimination of scientific dataset.The fourth chapter presents metaphors for the interactive exploration of scientific and volumetric dataset. The use of tangible interfaces is investigated. The last chapter deals with the differenciation between represented data, by proposing an algorithm for the differenciation between close but different signals.

Aerodynamic cavities are common features on hypersonic vehicles which are caused in both large and small scale features like surface defects, pitting, gap in joints etc. In the hypersonic regime, the presence of such cavities alters the flow phenomenon considerably and heating rates adjacent to the discontinuities can be greatly enhanced due to the diversion of flow. Since the 1960s, a great deal of theoretical and experimental research has been carried out on cavity flow physics and heating. However, most of the studies have been done to characterize the effect downstream and within the cavity. In the present study, a series of were carried out in the shock tunnel to investigate the heating characteristics, upstream and on the lateral side of the cavity. Heat flux measurement has been done using indigenously developed high resistance platinum thin film gauges. High resistance gauges, as contrary to the conventionally used low resistance gauges were showing good response to the extremely low heat flux values on a flat plate with sharp leading edge. The experimental measurements of heat done on a flat plate with sharp leading edge using these gauges show good match with theoretical relation by Crabtree et al. Flow visualization using high speed camera with the cavity model and shock structures visualized were similar to reported in supersonic cavity flow. This also goes to state that in spite of the fluctuating shear layer-the main feature of hypersonic flow over a cavity ,reasonable studies can be done within the short test time of shock tunnel. Numerical Simulations by solving the Navier-Stokes equation, using the commercially available CFD package FLUENT 13.0.0 has been done to complement the experimental studies.