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The next generation of civil turbofan engines targets the by-pass ratios of up to 20:1, requiring an innovative fan design with a low fan pressure ratio, low specific thrust and a radically increased fan diameter. The aerodynamic stability of such a large slow rotating fan is very sensitive against the back-pressure variations in the by-pass duct, especially during the take-off operations. The back-pressure regulation can be achieved significantly through a Variable Area Fan Nozzle (VAFN). This work deals with the design development of VAFN concepts for ultra-high by-pass ratio engines which was researched in EU funded program ENOVAL and received funding under grant agreement number 604999.
A system engineering approach was implemented for the VAFN development by following the requirements in conceptual, preliminary and detailed design phases. The design domains in the rear nacelle and under the core fairing were selected for the concept generation. Several qualitative and quantitative trade studies were conducted to down-select the best-fit solution during each design phase. These included the kinematic simulations of various types of VAFN modulations; analytical calculations to understand the thermodynamics of the selected VAFN kinematics; aerodynamic performance predictions using CFD simulations on a large number of preliminary designs; 3D CFD simulations for detailed performance assessments including the design optimization of individual features and distortions due to failed modulations; and FEM calculations for the topology generation and optimization of structural components. The overall weighted effect was determined for each output parameter and the results were presented in percentile changes relative to that with a fixed nozzle reference geometry.
Two VAFN concepts were selected for the final detailed design phase, Flaps in rear nacelle domain and Variable Inner Fairing Structure (VIFS). Both concepts showed better outputs in terms of specific fuel consumption, noise emission and fan’s safety margin during the take-off, with an over-area exhaust position than those with a fixed nozzle operation. During the climb phase, with an under-area VAFN position, both concepts resulted in drawbacks due to higher aerodynamic losses relative to the fixed nozzle. During MCR, both the VAFN concepts with stowed positions caused losses mainly due to leakages and higher structural weights relative to the fixed nozzle configuration. For each VAFN concept, a detailed system definition was developed and the function trees for each operation were explained. A discrete modulation type with two positions was described and recommended for both concepts. This included an over-area deployed position for the take-off phase and a stowed position for the rest of the flight, based on the beneficial performance of the VAFN concepts over the fixed clean nozzle configuration.
The creation of adequate simulation models for complex assemblies is an extensive process that requires a lot of experience, and on the other hand involves a multitude of manual, tedious tasks. These are significant obstacles for improving the process performance and capabilities. The objective of this research is to develop methods which digitally imitate the way of thoughts of the engineer in the design process towards a digital system understanding and which support the automation of the involved manual workflow.
This thesis presents a strategy to translate engineering reasoning and actions to an equivalent in the computer domain. A cardinal step is to gain understanding of system arrangements, boundary conditions and its components. Based on this evaluation, the identification of assembly parts is forming the foundation for optimized process chains for the transfer to the analysis environment. Model complexity relates to computational effort, which in turn affects model capabilities and manageability. To achieve a satisfactory compromise of model quality and complexity, this transfer process is strongly dependent on the visual analysis, reasoning and manual implementation of skilled engineers.
The principle of translating engineering logics is pursued from the assembly system to its smallest parts. Component segmentation methods allow subdividing regions of interest into substructures which are assigned with a feature vector. This vector comprises metrics describing the substructures with regard to specific aspects and is the key decision point for subsequent steps as idealization, suitable Finite-Element modeling and ultimately building an analysis model. The created system database is continuously maintained and supports these process chains as well as the final setup of the assembly simulation model.
An automated workflow like this implies advantages for efficiency, but also creates opportunities for further use cases. This workflow has been exploited for generating a training data set from the different simulation variants as a basis to a knowledge representation imitating engineering experience. An algorithm from the graph neural network field is applied to this data set as a conceptual approach. The intention pursued in this concept is to model the learning progress about estimating the influence of modelling decisions on simulation results and quality.
This research proposes a holistic strategy and describes methods to achieve the objectives of decreasing manual effort, introducing an automated and geometry-based process and digitally replicating engineering experience by introducing a knowledge database.
Die Debatte zur Zwischenstadt hat der bald zwei Jahrzehnte alten Forderung die fragmentierten Stadtlandschaften zu qualifizieren in akademischen Kreisen großes Gewicht verliehen. Bislang ist daraus in der deutschen Planungspraxis jedoch kein etabliertes Aufgabenfeld geworden. Obwohl sich die suburbanen Räume kontinuierlich verändern und mit steigendem Anpassungsdruck sowohl die Notwendigkeiten wie auch die Chancen einer planvollen Transformation zu nehmen, ist deshalb fraglich ob die stattfindenden Veränderungen auch für Verbesserungen der räumlichen Qualität genutzt werden.
Vor diesem Hintergrund erscheint der zunehmende Einsatz großräumlicher Entwürfe auf stadtregionaler Ebene vielversprechend, um einen veränderten planerischen und gestalterischen Umgang mit suburbanen Räumen zu fördern. Das charakteristische des regionalen Entwerfens besteht in der Erkundung räumlicher Möglichkeiten sowie der gleichzeitigen Behandlung von stadtstrukturellen und stadtgestalterischen Fragen. Dadurch werden hier neben regionsspezifischen gesamträumlichen Vorstellungen auch städtebauliche Strategien generiert und vermittelt, die relativ direkte Anknüpfungspunkte für konkrete Projekte bilden könnten.
Aufgrund dessen widmet sich die vorliegende Arbeit der Frage, welche Bedeutung der Einsatz großräumlicher Entwürfe als nicht direkt zur Umsetzung vorgesehener Konzepte im Hinblick auf die städtebauliche Qualifizierung suburbaner Räume entfalten kann. Dabei wird unterstellt, dass großräumliche Entwürfe die Art und Weise wie Menschen sich den Ort, an dem sie leben und arbeiten, wahrnehmen und vorstellen – ihre sogenannten 'place frames' – verändern können. Dementsprechend wird danach gefragt, ob sie über die Beeinflussung ihres raumrelevanten Denkens und Handelns letztlich zu Planwerken und Projekten des Stadtumbaus führen oder diese beeinflussen können.
Im Rahmen einer Fallstudie werden die Auswirkungen des internationalen kooperativen Konkurrenzverfahrens "Le Grand Paris" (2009) und seiner Ergebnisse auf den Stadtumbau in den Banlieues von Paris untersucht. Es wird beleuchtet welche Einflüsse diese auf die stadtregionale Debatte, auf den Charakter und Umfang von Planungsaktivitäten sowie auf die in der Praxis angewendeten städtebaulichen Strategien entfaltet haben. Dabei gilt das Erkenntnisinteresse insbesondere den Wirkungszusammenhängen des Ideentransfers.
Die Dissertation leistet einen Beitrag zu den in Städtebau- und Planungstheorie geführten Diskussionen zum regionalen Entwerfen in der strategischen Planung, sowie zur städtebaulichen Qualifizierung suburbaner Räume. Zudem gibt sie Anregungen und Empfehlungen für die Planungspraxis.
Die SCHNITTMUSTER-Strategie ist eine Entwurfslehre. Sie verbindet experimentelle, künstlerische und spielerische Verfahren mit methodisch tradierten Qualitäten in einer Didaktik und steht im Kontext des aktuellen Diskurses zu künstlerischer Forschung und Methoden des Entwerfens. Das kreative Modell für kollektive ästhetische Prozesse und ihre Vermittlung im architektonischen Entwerfen steht beispielhaft für andere künstlerische Disziplinen. Die Entwurfslehre wird in zwei Teilen vorgestellt: Der erste Teil erläutert die Bausteine der Strategie und veranschaulicht zwei ausgewählte Lehrprojekte in einer Prozessdarstellung. Aus drei interdisziplinären Perspektiven werden im zweiten Teil philosophische, psychologische und spieltheoretische Aspekte der Entwurfsstrategie untersucht. ZEHN PUNKTE fassen die Lehre zusammen. TEIL 1 | STRATEGIE zum Entwerfen klärt im ersten Kapitel die drei Schlüsselbegriffe. Das SUBJEKTIV GEWÄHLTE KONTEXTGEFÜGE integriert Bestandteile des tradierten Genius loci und Genius temporis und ergänzt sie um fremde Elemente zur Externalisierung des Entwurfsumfelds durch interdisziplinäres, relevantes Wissen und zur ‚Deautomatisierung‘ der Entwerfenden. Die MIMETISCHE TRANSFORMATIONSARBEIT umschreibt das Verfahren aus analytischen und intuitiven, individuellen und kollektiven Abläufen. Ausgewählte propädeutische Lehrkonzepte des Bauhauses bilden die Grundlage zum Vergleich mit drei aktuellen Ansätzen heuristischen, transformierenden Entwerfens der ETH Zürich, der UdK Berlin und der UCLA Los Angeles. Das PROGRAMM als SPIELREGEL organisiert den Entwurfsprozess als ‚Entwurf vor dem Entwurf’ – Zeiträume, Werkzeuge und die Wissensaufladung. Vielmehr Spielregel als Funktions- oder Raumprogramm, dient das Programm als DIDAKTISCHES INSTRUMENT dem Kennen lernen architektonischer Entwurfswerkzeuge und Methoden oder als KREATIVER KATALYSATOR für eine Entwurfsgruppe der Bewältigung architektonischer Probleme. Das zweite und dritte Kapitel stellen eine Prozessintroversion zweier in der Lehre durchgeführter Projekte dar. Die didaktische Intention der Lehrprojekte wird jeweils der Interpretation des Entwurfsverlaufes gegenübergestellt. TEIL II | REFLEXION bildet den interdisziplinären Diskurs zu Fragestellungen, die aus der im Teil I vorgestellten Entwurfsdidaktik hervorgehen. Das erste Kapitel untersucht die IDEE DER BEZIEHUNG als Denkvorgang zur Bedeutungsentstehung. Transformationsprozesse, wie sie S. K. Langer, T. W. Adorno und H.-G. Gadamer verstehen, werden als Mittel der Verwandlung und Aufbewahrung von Tradition im Entwerfen erkenntnistheoretisch beleuchtet. Die Reflexionen zum künstlerischen Sinngehalt verorten den Entwurfsvorgang als kreativen Prozess der Bedeutungssuche. Die Auseinandersetzung geschieht im Diskurs mit ästhetischen Positionen von I. Kant, G. T. Fechner, S K. Langer, T. W. Adorno und R. Arnheim. U. Ecos Ausführungen zum „Kunstwerk in Bewegung“ werden auf die pädagogische Idee des durch die schrittweise Transformation beständig in Bewegung gehaltenen Entwurfs übertragen. ANALYTISCHE UND INTUITIVE DENKVORGÄNGE stehen im Mittelpunkt des zweiten Kapitels, da die SCHNITTMUSTER-Strategie analysierende und schöpferische Tätigkeiten im intendierten Wechsel befördert und durch das Programm steuernd in den Entwurfsablauf integriert. Das Begreifen als Erkenntnisvorgang – durch das Wechselspiel der Intuition und des Intellekts, wie es R. Arnheim in der Erkenntnispsychologie reflektiert –, wird in seiner psychologischen Qualität in den Zusammenhang mit der Entwurfsarbeit gestellt. Das künstlerische Zeichentraining B. Edwards – zeichnerische Methoden zwischen intuitiv oder analytisch gewichteten Übungen als Mittel der Lernoptimierung – bildet den pädagogischen Bezugsrahmen zur Entwurfsdidaktik. Parallelen der Traumtätigkeit mit der Entwurfsarbeit werden untersucht, um Ähnlichkeiten zwischen Abläufen des Unbewussten und Entwurfsverfahren, wie sie im Programm aufeinander folgen, aufzuzeigen. Das dritte Kapitel untersucht, wie sich das Entwerfen als SPIEL NACH PROGRAMMATISCHEN ENTWURFSREGELN in der Gruppe auf einen Entwurfsgehalt auswirkt. Spieltheoretische, pädagogische und ästhetische Reflexionen zum Spiel von J. Huizinga, H. Scheuerl, R. Caillois, F. Schiller, H.-G. Gadamer, S. Freud und A. Breton dienen dazu, das Spielerische der Vorgaben in der Programmausgestaltung als Quelle der Erkenntnis zu belegen. Ein zeitgenössisches Modell zum Entwerfen als interdisziplinäre, kreative Schaffensdisziplin, wie es heute in Deutschland bereits an Architekturschulen vermittelt wird, liegt – im Text reflektiert – bisher nicht vor. Diese Lücke möchte die vorliegende Publikation schließen. Sie richtet sich an Lehrende des Entwurfsfaches und an Architekten, Designer und Künstler mit Reflexionsbedürfnis wie an Pädagogen künstlerischer Fächer. Für Studierende sind die Inhalte nur in den oberen Semestern geeignet.