The present work deals with the extension of Acoustic Flux Vector Splitting (AFVS) scheme for the Compressible Viscous flow computations. Accurate viscous flow computations require much finer grids with adequate clustering of grid points in certain regions. Viscous flow computations are performed on unstructured triangulated grids. Solving Navier-Stokes equations involves the inviscid Euler part and the viscous part. The inviscid part of the fluxes are computed using the Acoustic Flux Vector Splitting scheme and the viscous part which is diffusive in nature does not require upwinding and is taken care using a central difference type of scheme. For these computations both the cell centered and the cell vertex finite volume methods are used. Higher order accuracy on unstructured meshes is achieved using the reconstruction procedure. Test cases are chosen in such a way that the performance of the scheme can be evaluated for different range of mach numbers. We demonstrate that higher order AFVS scheme in conjunction with a suitable grid adaptation strategy produce results that compare well with other well known schemes and the experimental data. An assessment of the relative performance of the AFVS scheme with the Roe scheme is also presented.

This research investigates the realization of parametric amplification in superconducting circuits and structures where nonlinearity is provided by Josephson junction (JJ) elements. We aim to develop a systematic analysis over JJ-based devices toward design of novel traveling-wave Josephson parametric amplifiers (TW-JPA). Chapters of this thesis fall into three categories: lumped JPA, superconducting periodic structures and discrete Josephson transmission lines (DJTL). The unbiased Josephson junction (JJ) is a nonlinear element suitable for parametric amplification through a four-photon process. Two circuit topologies are introduced to capture the unique property of the JJ in order to efficiently mix signal, pump and idler signals for the purpose of signal amplification. Closed-form expressions are derived for gain characteristics, bandwidth determination, noise properties and impedance for this kind of parametric power amplifier. The concept of negative resistance in the gain formulation is observed. A design process is also introduced to find the regimes of operation for gain achievement. Two regimes of operation, oscillation and amplification, are highlighted and distinguished in the result section. Optimization of the circuits to enhance the bandwidth is also carried out. Moving toward TW-JPA, the second part is devoted to modelling the linear wave propagation in a periodic superconducting structure. We derive closed-form equations for dispersion and s-parameters of infinite and finite periodic structures, respectively. Band gap formation is highlighted and its potential applications in the design of passive filters and resonators are discussed. The superconducting structures are fabricated using YBCO and measured, illustrating a good correlation with the numerical results. A novel superconducting Transmission Line (TL), which is periodically loaded by Josephson junctions (JJ) and assisted by open stubs, is proposed as a platform to realize a traveling-wave parametric device. Using the TL model, this structure is modeled by a system of nonlinear partial differential equations (PDE) with a driving source and mixed-boundary conditions at the input and output terminals, respectively. This model successfully emulates parametric and nonlinear microwave propagation when long-wave approximation is applicable. The influence of dispersion to sustain three non-degenerate phased-locked waves through the TL is highlighted. A rigorous and robust Finite Difference Time Domain (FDTD) solver based on the explicit Lax-Wendroff and implicit Crank-Nicolson schemes has been developed to investigate the device responses under various excitations. Linearization of the wave equation, under small-amplitude assumption, dispersion and impedance analysis is performed to explore more aspects of the device for the purpose of efficient design of a traveling-wave parametric amplifier. Knowing all microwave characteristics and identifying different regimes of operation, which include impedance properties, cut-off propagation, dispersive behaviour and shock-wave formation, we exploit perturbation theory accompanied by the method of multiple scale to derive the three nonlinear coupled amplitude equations to describe the parametric interaction. A graphical technique is suggested to find three waves on the dispersion diagram satisfying the phase-matching conditions. Both cases of perfect phase-matching and slight mismatching are addressed in this work. The incorporation of two numerical techniques, spectral method in space and multistep Adams-Bashforth in time domain, is employed to monitor the unilateral gain, superior stability and bandwidth of this structure. Two types of functionality, mixing and amplification, with their requirements are described. These properties make this structure desirable for applications ranging from superconducting optoelectronics to dispersive readout of superconducting qubits where high sensitivity and ultra-low noise operation is required.

Les objectifs de cette thèse sont d'étudier les capacité prédictive des méthodes statistiques URANS et hybrides RANS-LES à modéliser des écoulements complexes à haut nombre de Reynolds et de réaliser l'analyse physique de la turbulence et des structures cohérentes en proche paroi. Ces travaux traitent de configurations étudiées dans le cadre des projets européens ATAAC (Advanced Turbulent Simulation for Aerodynamics Application Challenges) et TFAST (Transition Location Effect on Shock Wave Boundary Layer Interaction). Premièrement, l'écoulement décollé autour d’une configuration de cylindre en tandem, positionnés l'un derrière l’autre, est étudiée à un nombre de Reynolds de 166000. Un cas statique, correspondant schématique aux support de train d'atterrissage, est d’abord considéré. L’interaction fluide-structure est ensuite étudiée dans le cas dynamique, dans lequel le cylindre aval possède un degré de liberté en translation dans la direction perpendiculaire à l'écoulement. Une étude paramétrique est menée afin d'identifier les différents régimes d'interaction en fonction des paramètres structuraux. Dans un deuxième temps, la physique du tremblement transsonique est étudiée au moyen d’une analyse temps-fréquence et d’une décomposition orthogonale en modes propres (POD), dans l’intervalle de nombre de Mach 0.70–0.75. Les interactions entre le choc principal, la couche limite décollée par intermittence et les tourbillons se développant dans le sillage, sont analysées. Un forçage stochastique, basée sur une réinjection de turbulence synthétique dans les équations de transport de l’énergie cinétique et du taux de dissipation générée à partir de la reconstruction POD, a été introduit dans l’approche OES (organised-eddy simulation). Cette méthode introduit une modélisation de la turbulence “upscale" agissant comme un mécanisme de blocage par tourbillons capable de prendre en compte les interfaces turbulent/non-turbulent et de couches de cisaillement autour des géométries. Cette méthode améliore grandement la prédiction des forces aérodynamiques et ouvre de nouvelles perspectives quant aux approches de type moyennes d’ensemble pour modéliser les processus cohérents et aléatoires à haut nombre de Reynolds. Enfin, l'interaction onde de choc/couche limite (SWBLI) est traitée, dans le cas d’un choc oblique à nombre de Mach 1.7, contribuant aux études de "design d'ailes laminaires" au niveau européen. Les performances des modèles URANS et hybrides RANS-LES ont été analysées en comparant, avec les résultats expérimentaux, les valeurs intégrales de la couche limite (épaisseurs de déplacement et de quantité de mouvement) et les valeurs à la paroi (coefficient de frottement). Les effets de la transition dans la couche limite sur l’interaction choc/couche limite sont caractérisés. / This thesis aims at analysing the predictive capabilities of statistical URANS and hybrid RANS-LES methods to model complex flows at high Reynolds numbers and carrying out a physical analysis of the near-region turbulence and coherent structures. This study handles configurations included in the European research programmes ATAAC (Advanced Turbulent Simulation for Aerodynamics Application Challenges) and TFAST (Transition Location Effect on Shock Wave Boundary Layer Interaction). First, the detached flow in a configuration of a tandem of cylinders, positionned behind one another, is investigated at Reynolds number 166000. A static case, corresponding to the layout of the support of a landing gear, is initially considered. The fluid-structure interaction is then studied in a dynamic case where the downstream cylinder, situated in the wake of the upstream one, is given one degree of freedom in translation in the crosswise direction. A parametric study of the structural parameters is carried out to identify the various regimes of interaction. Secondly, the physics of the transonic buffet is studied by means of time-frequency analysis and proper orthogonal decomposition (POD), in the Mach number range 0.70–0.75. The interactions between the main shock wave, the alternately detached boundary layer and the vortices developing in the wake are analysed. A stochastic forcing, based on reinjection of synthetic turbulence in the transport equations of kinetic energy and dissipation rate by using POD reconstruction, has been introduced in the so-called organised-eddy simulation (OES) approach. This method introduces an upscale turbulence modelling, acting as an eddy-blocking mechanism able to capture thin shear-layer and turbulent/non-turbulent interfaces around the body. This method highly improves the aerodynamic forces prediction and opens new ensemble-averaged approaches able to model the coherent and random processes at high Reynolds number. Finally, the shock-wave/boundary-layer interaction (SWBLI) is investigated in the case of an oblique shock wave at Mach number 1.7 in order to contribute to the so-called "laminar wing design" studies at European level. The performance of statistical URANS and hybrid RANS-LES models is analysed with comparison, with experimental results, of integral boundary-layer values (displacement and momentum thicknesses) and wall quantities (friction coefficient). The influence of a transitional boundary layer on the SWBLI is featured.

Les aubes des turbomachines modernes sont de plus en plus fines, légères et chargées aérodynamiquement. Cette tendance accroît l'apparition de phénomènes aéroélastiques tel que le flottement qui conduit à la rupture si l'amortissement est insuffisant. Bien que les outils numériques soient de plus en plus robustes, la fiabilité de sa prédiction demeure insuffisante. La nature critique du phénomène et le manque de données expérimentales pour des écoulements typiques de l'industrie encouragent des travaux de recherche. Dans ce contexte, la présente thèse est dédiée à l'étude du flottement dans des configurations récentes de turbine à travers l'analyse aérodynamique des écoulements subsoniques ou supersoniques soumis à un mode de structure vibratoire imposé. L'objectif est de fournir des éléments de compréhension des mécanismes potentiellement générateurs de flottement pour une meilleure intégration lors de la conception des aubes. L’approche consiste à mener des travaux expérimentaux et numériques. La partie expérimentale s'appuie sur un secteur de grille annulaire constitué de sept aubes dont une peut osciller de manière contrôlée. Les fluctuations de pressions instationnaires générées sont mesurées avec la technique dite des coefficients d'influence pour différents paramètres mécaniques et aérodynamiques : déformées modales pures et combinées, fréquence réduite, nombre de Mach, angle d'incidence. Complétée par des mesures de niveau de turbulence, la base de données vise à évaluer l'influence de ces paramètres sur la réponse aéroélastique, à valider le principe de superposition linéaire et à soutenir les codes numériques. La partie numérique se base sur des calculs instationnaires linéarisés dans le domaine fréquentiel en utilisant la technique dite des "ondes propagatives" (traveling wave mode).Deux cas de turbines spatiales industrielles sont étudiés.• Des calculs 2D sont réalisés sur une turbine monobloc ou blisk. L'amortissement mécanique quasi-nul entraîne des déformées complexes avec couplage de modes et des fréquences réduites très élevées. Bien que les aubes soient prédites stables, une méthodologie basée sur des décompositions géométriques élémentaires est présentée afin d'identifier les contributions déstabilisantes. Les résultats aboutissent étonnamment aux conclusions de la théorie du flottement classique : la torsion est une source potentielle d'instabilité. De plus, le coefficient d'amortissement aérodynamique a été trouvé extrêmement sensible au déphasage interaube et aux fréquences de coupure (modes cut-on/cut-off).• Des calculs 3D sont ensuite réalisés sur une turbine supersonique. L'écoulement présente des ondes de chocs avec décollement de la couche limite et le mouvement de l'aube est de nature élémentaire, i.e. purement axial. Les aubes ont été prédites instables pour les modes rétrogrades et stables pour les modes propagatifs. En dépit des fortes hypothèses, des analyses quasi-stationnaires rendent compte des mécanismes de flottement : la phase entre le mouvement du choc et l'excitation établit la frontière entre configurations stable et instable. / Modern turbomachines are designed towards thinner, lighter and highly loaded blades. This gives rise to increased sensitivity to flow induced vibrations such as flutter, which leads to structure failure in a short period of time if not sufficiently damped. Although numerical tools are more and more reliable, flutter prediction still depends on a large degree on simplified models. In addition, the critical nature of flutter, resulting in poor welldocumented real cases in the open literature, and the lack of experimental database typical of engine flows make its apprehension even more challenging. In that context, the present thesis is dedicated to study flutter in recent turbines through aerodynamic analysis of subsonic or supersonic flows in response to a prescribed vibratory mode of the structure. The objective is to highlight some mechanisms potentially responsible for flutter in order to be in better position when designing blades. The strategy consists in leading both experimental and numerical investigations. The experimental part is based on a worldwide unique annular turbine sector cascade employed for measuring the aeroelastic response by means of the aerodynamic influence coefficient technique. The cascade comprises seven low pressure gas turbine blades one of which can oscillate in a controlled way as a rigid body. Aeroelastic responses are measured at various mechanical and aerodynamic parameters: pure and combined modeshapes, reduced frequency, Mach number, incidence angle. In addition to turbulence level measurements, the database aims at assessing the influence of these parameters on the aerodynamic damping, at validating the linear combination principle and at providing input for numerical tools. The numerical part is based on unsteady computations linearized in the frequency domain and performed in the traveling wave mode. The focus is put on two industrial space turbines: 2D computations are performed on an integrally bladed disk, also called blisk; its very low viscous material damping results in complex motions with combined modes and extremely high reduced frequency. The blisk operates at low subsonic conditions without strong non-linearities. Although the blades have been predicted aeroelastically stable, an original methodology based on elementary decompositions of the blade motion is presented to identify the destabilizing movements. The results suggest that the so-called classical flutter is surprisingly prone to occur. Moreover, the aerodynamic damping has been found extremely sensitive to the interblade phase angle and cut-on/cut-off conditions.• 3D computations are then performed on a supersonic turbine, which features shockwaves and boundary layer separation. In contrast, the blade motion is of elementary nature, i.e. purely axial. The blades have been predicted aeroelastically unstable for backward traveling waves and stable for forward traveling waves. The low reduced frequencies allow quasi-steady analysis, which still account for flutter mechanisms: the shock wave motion establishes the boundary between stable and unstable configurations.

Le laser à impulsions ultra-courtes constitue un procédé innovant et très avantageux pour la découpe de céramiques piézoélectriques PZT. Grâce à un fort confinement spatiotemporel de l’énergie au cours de l’interaction, ce système minimise les dégâts collatéraux et préserve l’intégrité physique du matériau sur des échelles micrométriques. Néanmoins, une propagation de faisceau mal maîtrisée, associée à des mécanismes d’interaction complexes fonction de la cible irradiée, peuvent impliquer de fortes disparités sur la qualité d’usinage. Dans le cadre d’une application industrielle donnée, ces travaux nous ont donc permis d’approfondir les principales étapes d’optimisation d’un tel procédé selon des critères de reproductibilité, de qualité et de rapidité. Pour cela, nous avons tout d’abord souligné l’influence des propriétés gaussiennes des faisceaux et de leur perturbation afin de définir la distribution énergétique au niveau des plans de focalisation. Aussi, la quantification de l’interaction via les critères de seuil et de taux d’ablation, d’incubation et de saturation a contribué à comprendre la réaction du matériau de manière macroscopique. Les problèmes méthodologiques inhérents à leurs calculs ont été mis en évidence et ont permis par la suite d’anticiper les formes d’usinage ainsi que les temps de procédé. Dans un second temps, l’optimisation des paramètres laser s’est appuyée sur des caractérisations aussi bien qualitatives pour l’aspect visuel que quantitatives avec l’estimation de la stoechiométrie et des contraintes résiduelles au niveau des flancs d’usinage. Nous avons en outre tiré profit de la piézoélectricité afin de développer une méthode d’observation in situ de la réponse à l’onde de choc laser contribuant à la compréhension des fissurations apparentes. Nous proposons au terme de ce travail un jeu de paramètres optimal pour la découpe de PZT assurant une bonne répétabilité du procédé tout en minimisant les défauts d’usinage comme la fissuration, les dépôts de surface et les irrégularités de bords. Des essais sur la mise en forme spatio-temporelle de faisceau sont enfin abordés principalement en tant que perspective d’accélération du procédé et encouragent son utilisation pour une future industrialisation / Lasers delivering ultrashort pulses are innovative and very attractive tools for cutting piezoelectric PZT ceramics. Thanks to an efficient spatiotemporal confinement of the energy during the interaction, these systems reduce collateral damage and preserve the physical integrity of the material on a micrometric scale. Nevertheless, uncontrolled beam propagation associated with complex interaction mechanisms depending on the irradiated target can involve large disparities on machining quality. In the context of an industrial application, this study describes the main steps of optimization of such a process according to criteria of reproducibility, quality and speed. To this purpose, we first pointed out the influence of Gaussian beam properties and their disturbance to define the energy distribution at focal planes. Thus, the quantification of the interaction with the ablation threshold, the ablation rate, incubation and saturation helped to understand the reaction of the material macroscopically. Methodological issues coming from their calculations have been highlighted while machining shapes and processing times were anticipated. Secondly, the optimization of laser parameters was based on both qualitative and quantitative characterizations. Electronic microscopy was rather used for visual appreciations whereas stoichiometry and residual stress estimations were employed to quantify the quality of side walls. We also took benefit from piezoelectricity to develop an in situ observation method which succeeded in detecting the electrical response to the laser shock wave and mainly contributed to the understanding of visible cracks. We finally propose an optimum set of parameters for cutting PZT ensuring good repeatability of the process while minimizing machining defects such as cracking, surface recast and jagged sides. Tests with spatiotemporal beam shaping were finally presented primarily as perspectives of processing time decrease so as to promote its use for future industrialization

Les recherches sur les instationnarités des Interactions Ondes de Choc Couches Limites (IOCCL) turbulentes ont permis une description détaillée de celles-ci tant expérimentalement que numériquement . Ceci a conduit à plusieurs schémas susceptibles d'expliquer les respirations à basses fréquences observées dans de tels écoulements. Les configurations avec des conditions amont laminaires ou transitionnelles ont été moins étudiées.Dans le cadre du programme Européen TFAST, un important effort a été mené afin de développer des dispositifs expérimentaux, conjointement à des simulations numériques, permettant une étude détaillée de ces configurations. Dans le cadre de cette thèse, on a mis en place une configuration de réflexion d'onde de choc sur une couche limite laminaire pour un nombre de Mach de 1.68. L'utilisation des métrologies classiques (Anémométrie Laser Doppler, Anémométrie Fil Chaud), adaptées à ces conditions expérimentales particulières, a permis de décrire les propriétés spatio-temporelles de ces écoulements. Le champ moyen a été caractérisé et comparé aux théories classique et aux résultats obtenus dans différentes souffleries.Un schéma décrivant le mécanisme de transition à la turbulence au sein de l'interaction a été développé. Sa sensibilité aux conditions amont a été étudiée en plaçant des perturbations en amont de l'interaction. Dans tous les cas, des instationnarités convectives (haute fréquence) et stationnaires (basse fréquence) ont été observées et comparées à celles existantes pour les configurations amont turbulentes. Une gamme intermédiaire d'instationnarités convectives (moyenne fréquence) a été mise en évidence et caractérisée. / Research dedicated to the study of the unsteadiness of turbulent Shock Wave Boundary Layer Interaction (SWBLI) has allowed a detailed description of this kind of interaction both experimentally and numerically. Several scenario were proposed to explain the low frequency unsteadiness observed in separated SWBLI. Nevertheless, the literature on this kind of flow involving either upstream laminar or transitional conditions is quite reduce. Within the framework of the European TFAST program, an important effort was made to develop experimental devices, in conjunction with numerical simulations, allowing a detailed study of these laminar or transitional configurations. In particular, within the framework of this thesis, a shock wave reflection configuration on a laminar boundary layer was set-up, with a nominal free stream Mach number of 1.68. Using classical metrology (Laser Doppler Anemometry, Hot WireAnemometry) that have been adapted to these particular experimental conditions, we have been able to describe the spatio-temporal properties of the interaction. The mean field has been characterized and compared with the classical theories and the results obtained in other configurations.A model describing the transition mechanisms to turbulence within the interaction has been developed. Its sensitivity to upstream conditions was studied by placing perturbations upstream of the interaction. In all cases, convective (high frequency) and stationary (low frequency) unsteadiness were observed and compared with those existing for upstream turbulent configurations. An intermediate range of convective unsteadiness (medium frequency) has been demonstrated and characterized.

This thesis is focused on electron microscopy which issue is discussed at the beginning of work. The main attention is dedicated to the Environmental electron microscope, especially the differentially pumped chamber, which the thesis deals with. There is a production of an experimental chamber for analysis of shock waves on going therefore main goal of this thesis was to analyze the flow pattern in this chamber. Using the Ansys Fluent program, simulations of the characteristic flow that arises from the pumping of the vacuum chambers namely the ultrasonic flow at low pressures on which the most suitable turbulent module was applied as well as the degree of discretization was performed. The final analysis of this flow pattern is primarily focused on the localization of the shock wave which experimental evidence is to be lodged by shadow optical method as a part of the new concept of the chamber. The basis for the simulation of the chamber was taken over by Dr. Danilatos, with which the results were compared.

In dieser Arbeit werden folgende Arbeiten vorgestellt: ● Aufbau eines Schockwellenlabors für unterschiedliche Einsatzzwecke für eine Nettoexplosivmasse von bis zu 20 kg, bezogen auf NSH 711 (C4 nach MIL-Standard), ● Klärung der Ursachen des Probenverlustes bei Schockwellensyntheseexperimenten ab Überschreitung eines gewissen materialabhängigen Grenzdruckes unter Verwendung von in der Literatur vorgegebenen Standardmethoden sowie eine wissenschaftlich fundierte Prob-lembehebung auf der Basis empirischer Theorien, ● Berechnung der Zustandsgrößen Druck (p), Temperatur (T) sowie Zeit (t) unter den ge-wählten Versuchsbedingungen für unterschiedliche Problemstellungen und Materialien mit Kontrollmöglichkeiten sowie ● Gewährleistung des maximal möglichen Phasenumwandlungsgrades für die entsprechende Hochdruckphase. Insgesamt wurden im Verlauf der Entwicklungsarbeiten im Schockwellenlabor 122 Spren-gungen durchgeführt. Die Drücke betragen dabei zwischen 15 GPa und ca. 180 GPa. Es gelangen zahlreiche erfolgreiche Synthesen der Hochdruckphasen gamma-Si3N4 sowie rs-AlN mit Probenmengen von 0,2g bis zu 7,3g Hochdruckphase pro Versuch. Es wurden auf Basis der Rankine-Hugoniot-Zustandsgleichung drei empirische Grundprinzipien der Schockwellensynthese entwickelt, welche es nunmehr gestatten, die Schockwellenversuche reproduzierbar sowie gut kontrollierbar zu gestalten. Dies sind die „Vermeidung von Mach-Effekten“, die „Impedanzkorrektur der Probeneinheit“ sowie die „Kontrolle der adiabatischen Dekompression“. In mehr als 100 Experimenten, welche mit der impedanzkorrigierten Probeneinheit durchgeführt wurden, trat in keinem Fall Probenverlust auf, Gasdichtheit konnte teilweise hergestellt werden. Dies war unabhängig von dem erreichten Druck oberhalb des technisch bedingten Mindestdruckes von 15 GPa innerhalb der Probeneinheit möglich. Es wurden Versuche sowohl mit der Reflektionsmethode als auch mit der Impedanzmethode durchgeführt sowie für besondere Experimente dünne Metallplatten zwischen Flugplatte und Containeroberseite verwendet. In allen genannten Fällen sind die unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen in den Proben eindeutig verifizierbar. Weiterhin gelang es im Rahmen dieser Arbeit erstmals, sowohl Calciumcarbonat als auch Kaolinit (sogenannte fluidreiche Phasen) bis in den Druckbereich p> 100 GPa unter unterschiedlichen Temperaturen dynamisch zu belasten, ohne dass die empfindlichen Proben Ent-gasungs- bzw. Zerfallserscheinungen (Calcit) bzw. Aufschmelzungen (Kaolinit) aufwiesen. Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Schocktemperatur zu richten, um den Druckaufbau nicht durch eine zu starke Aufheizung der Probe zu reduzieren (sogenanntes Knudson-Problem). Jede zukünftige Erhöhung des Druckes macht gleichzeitig eine Reduzierung der relativen Schocktemperatur erforderlich. Diese experimentellen Erfolge sind lediglich in dem Falle möglich, wenn im Schockwellenlabor folgende Grenzbedingungen eingehalten werden: ● Die Schockgeschwindigkeit Us ist größer als die Schallgeschwindigkeit des betreffenden Stoffes. ● Die erzielten Drücke sind höher als das Hugoniot-Elastic-Limit des betreffenden Stoffes und somit im Bereich des plastischen Verhaltens. ● Die maximale Porosität k des Impedanzpulvers ist kleiner als die Mie-Grüneisen-Grenze des betreffenden Stoffes. ● Die maximalen Drücke sind geringer als der Bulk-Modulus des betreffenden Stoffes und die Schallgeschwindigkeit im dichten Medium ist größer als die Schockgeschwindigkeit (Bereich der so genannten „schwachen Schockwellen“). ● Es wird ein Impedanzpulver-Probe-Verhältnis von >9:1 verwendet. ● Weiterhin stellt für die Schockwellensyntheseexperimente unter Vermeidung der freien adiabatischen Dekompression die Schocktemperatur (die Temperatur im Bereich des konstanten Druckes) die ausschlaggebende Größe dar. Für die Berechnung wurde entschieden, die Software MatLab zu verwenden. Die Berechnungen folgen den Grundlagen der linearen Algebra. Für die Berechnung der Zustandsgleichung wurden im Rahmen dieser Arbeit folgende vereinfachende Annahmen verifiziert: ● Unter den genannten Bedingungen gilt der lineare Zusammenhang zwischen Partikelge-schwindigkeit Up und Schockgeschwindigkeit Us. ● Unter den Bedingungen des Freiberger Schockwellenlabors sind die Unterschiede zwischen der gespiegelten Hugoniot und der release-adiabat-Kurve sehr gering, es kann an deren Stelle die gespiegelte Hugoniot verwendet werden. ● Die maximalen Drücke sind niedriger als der Schmelzpunkt auf der Hugoniot, sämtliche in dieser Arbeit dargestellten Berechnungen betreffen die beteiligten Stoffe im festen Zustand. Die impedanzkorrigierte Probeneinheit ist nicht zum Messen von Zustandsgleichungen geeignet, die Methoden „vollständige Probenrückgewinnung“ sowie „Messung der Zustands-gleichung“ schließen sich gegenseitig aus.:Motivation 1 1 Einführung 5 1.1 Das Hochdruckforschungszentrum (FHP) der Dr. Erich-Krüger-Stiftung 5 1.2 Möglichkeiten zur Erzeugung hoher dynamischer Drücke sowie zur Schockwel-lensynthese 24 1.3 Aufgaben des neuen Schockwellenlabors in Freiberg 31 2 Aufbau und Betrieb des neuen untertägigen Schockwellen- labors der TU Bergakademie Freiberg 35 2.1 Sprengarbeiten unter Bergrecht an einer Hochschule 35 2.2 Rechtliche Situation des Schockwellenlabors an der TU Bergakademie Freiberg 39 2.3 Lage und Dimensionierung des Schockwellenlabors 47 2.4 Ausrüstung des Labors 51 3. Physikalische Grundlagen 58 3.1 Verwendete Sprengstoffe 58 3.2 Detonation des Sprengstoffes und die Rankine-Hugoniot- Zustandsgleichung 60 3.2.1 Die Druck-Partikelgeschwindigkeits-Beziehung 64 3.2.2. Die Beziehung zwischen Druck und Differenz der spezifischen Volumina 66 3.2.3. Die Beziehung zwischen Druck und Differenz der spezifischen Inneren Energien 67 3.3 Plane-Wave-Generator (PWG) mit Flyer-Plate 69 3.3.1. Aktiver PWG 73 3.3.2. Passiver PWG 73 3.4 Beschleunigung der Flugplatte 74 3.5 Kollision der Flugplatte mit dem Probencontainer 77 3.6 Mie-Grüneisen-EoS und die Berechnung der Schocktemperatur 82 3.7 Verdichtung poröser Materialien 89 3.8 Schockwellenreflektionen 94 3.8.1 Reguläre Reflektionen 95 3.8.1.1 Reflektion an einer freien Oberfläche sowie adiabatische Dekompression 95 3.8.1.2 Reflektion an einer Materialgrenze 99 3.8.2 Irreguläre Reflektionen (Mach-Effekte) 102 3.9 Impedanzmethode 103 3.10 Reflektionsmethode beziehungsweise „ramp compression“ 107 3.11 Phasenumwandlungen aus schockwellenphysikalischer Sicht 112 4. Detaillierter Aufbau der Versuchsanordnung sowie Funktion der Einzelbestandteile 115 4.1 Versuchsanordnung 115 4.2 Explosiveinheit mit PWG und Arbeitsladung 116 4.2.1 Plane-Wave-Generator 116 4.2.2 Arbeitsladung 120 4.2.3 Flugplatte 122 4.2.4 Schaumstoffeinlage 123 4.2.5 Distanzring 124 4.2.6 Beschleunigung der Flugplatte 124 4.3. Probeneinheit 127 4.3.1 Probencontainer 129 4.3.2 Cu-Folie 131 4.3.3 Metallpulver und Probe 132 4.3.4 Probenhalter 135 4.3.5 Probenstempel 135 4.3.6 Schraubenboden 136 4.3.7 Stahlronde 136 4.3.8 HARDOX‐Unterlage 137 5. Berechnung der Zustandsgleichungen für die Impedanzmethode mit Hilfe der Software MatLab 139 5.1 Randbedingungen 139 5.2 Tests der Möglichkeit der Verwendung der getroffenen Annahmen 142 5.2.1 Gültigkeit der linearen Up‐Us‐Relation anstelle quadratischer Gleichungen 141 5.2.2 Verwendung der gespiegelten Hugoniot anstelle der adiabatischen Entspannungskurve 144 5.3 Berechnung der Hugoniot-EoS für die Kollision der Flugplatte mit dem Probencontainer 145 5.4 Berechnung der Kenngrößen „Druck“ und „Dichte“ für das Metallpulver mit Hilfe der Rankine‐Hugoniot‐EoS 152 5.5 Überprüfung der mit MatLab berechneten Zustandsgrößen 156 5.6 Berechnung der Kenngröße „Schocktemperatur“ für Kupferpulver im festen Zustand mit Hilfe der Mie‐Grüneisen‐EoS 158 5.7 Erstellen des X‐t‐Diagramms sowie Berechnung der Kenngröße „Schockdauer“ mit Hilfe linearer Gleichungssysteme 162 6. Empirisch methodische Weiterentwicklungen der Synthesemethoden 169 6.1 Vermeidung von Mach-Effekten 169 6.2 Impedanzkorrektur der Probeneinheit 173 6.2.1 Zerstörung des Probencontainers infolge ungünstiger Impedanzverhältnisse 173 6.2.2 Die Impedanzfunktion als zeit- und ortsaufgelöster Bestandteil der Hugoniot‐EoS 175 6.2.3 Konsequenzen der orts‐ und zeitabhängigen Impedanz- funktion für die Materialauswahl der Probeneinheit 180 6.3 Die Rolle der adiabatischen Dekompression unter Einbeziehung zusätzlicher Volumina. 183 7. Anwendungen 197 7.1 Untersuchungen des Microjettings 197 7.2 Reflektionsmethode mit Impedanzkorrigierter Probeneinheit und gekapseltem Reflektor 207 7.2.1 Versuchsaufbau 207 7.2.2 Testergebnisse 209 7.2.3 Berechnung der Druck‐ und Temperaturbedingungen für die Reflektionsmethode mit Hilfe der Software MatLab 211 7.2.3.1 Berechnung des p=f(Up)-Diagramms 211 7.2.3.2 Berechnung der Temperatur sowie der Geschwindigkeiten Up und Us 215 7.3 Halidbasierte Schockwellenbeanspruchung fluidreicher Phasen 222 7.4 Synthese von rs-AlN sowie -Si3N4 222 7.5 Upscaling der impedanzkorrigierten Probeneinheit mit vollständiger Probenrückgewinnung 223 7.5.1 Versuchsaufbau 223 7.5.2 Ergebnisse 225 8. Schlussfolgerungen 229 9. Danksagung 234 Literaturverzeichnis 235

This thesis presents validation and application of advanced soil constitutive models in cases of seismic loading conditions. Firstly, results of three advanced soil constitutive models are compared with examples of shear stack experimental data for free field response in dry sand for shear and compression wave propagation. Higher harmonic generation in acceleration records, observed in experimental works, is shown to be possibly the result of soil nonlinearity and fast elastic unloading waves. This finding is shown to have high importance on structural response, real earthquake records and reliability of conventionally employed numerical tools. Finally, short study of free field response in saturated soil reveals similar findings on higher harmonic generation. Secondly, two advanced soil constitutive models are used, and their performance is assessed based on examples of experimental data on piles in dry sand in order to validate the ability of the constitutive models to simulate seismic soil-structure interaction. The validation includes various experimental configurations and input motions. The discussion on the results focuses on constitutive and numerical modelling aspects. Some improvements in the formulations of the models are suggested based on the detailed investigation. Finally, the application of one of the advanced soil constitutive models is shown in regard to temporary natural frequency wandering observed in structures subjected to earthquakes. Results show that pore pressure generated during seismic events causes changes in soil stiffness, thus affecting the natural frequency of the structure during and just after the seismic event. Parametric studies present how soil permeability, soil density, input motion or a type of structure may affect the structural natural frequency and time for its return to the initial value. In addition, a time history with an aftershock is analysed to investigate the difference in structural response during the earthquake and the aftershock.

Tato práce se zabývá problematikou zavedení a provozu nadzvukových business jetů. V dnešní době se v civilní letecké přepravě, po ukončení provozu Concordu, žádná nadzvuková letadla nevyskytují. V dnešní době existuje mnoho projektů a organizací, které se zabývají znovuzavedením nadzvukových letounů do civilního letectví a soustředí se převážně na business jety. Hlavní otázkou je, zda je vůbec vhodné, či rozumné se k tomu typu dopravy znovu vracet. Existuje hodně problémů, které toto komplikují. Tyto letouny způsobují příliš velký hluk, mají obrovskou spotřebu paliva a musí řešit nadměrné emise, létají ve vysokých výškách ve kterých může docházet k problémům s přetlakováním kabiny, navigací, radioaktivním zářením apod. Navíc zákaz supersonických letů nad pevninou letové cesty omezuje a prodlužuje. Současně vznikající projekty navíc nedosahují tak velkého doletu jako klasické moderní bussjety, což způsobuje, že se nadzvukové business jety se na delších tratích stávají neefektivní. I přes tyto problémy, je víceméně jisté, že k zavedení nadzvukových business jetů dojde během následujících 10 - 15 let, i kdyby to měla být jen otázka jisté prestiže velmi bohatých lidí.