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Agonists and antagonists show different unbinding paths from the TLR8 receptor
No full textToll-like receptors (TLRs) form the first barrier of the innate immune system. TLR8 is an important target to treat autoimmune diseases since its ligand-induced degree of activation regulates immune response and associated hyperinflammation. Molecular dynamics (MD) simulations have been used to investigate interactions of TLRs with ligands, but the mechanism of ligand unbinding remains elusive. We therefore applied τ-random acceleration molecular dynamics (τRAMD) simulations to characterize the unbinding paths of one TLR8 agonist and five TLR8 antagonists. Data analysis of the simulations led to the discovery of two possible unbinding pathways: the internal pathway, directed toward the Toll-interleukin-1 receptor (TIR) domain, and the external pathway, pointing away from the TIR domain. Remarkably, some ligands showed clear path preferences: the TLR8 agonist exited through the external unbinding pathway only, while the cationic antagonists exited through the internal pathway only. The neutral antagonists used both pathways. The mechanistic insights obtained can assist in the design of improved TLR modulators.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 390540038, EXC 2008: Unifying Systems in Catalysis "UniSysCat
Efficient photocatalytic degradation of methylene blue from aqueous solution using hybrid biomass‐derived nanostructured carbon‐TiO2 photocatalyst
No full textIndustrial dye usage results in substantial wastewater discharge, posing environmental and health hazards. Hence, developing efficient, sustainable, and cost-effective treatment technologies is crucial. Photocatalysis using TiO₂ has emerged as a promising approach for dye degradation. This study explores the photocatalytic removal of methylene blue (MB), a model dye pollutant, using a composite of biomass-derived carbon nanoparticles (CNPs) and nanosized TiO₂ under UV light. The CNPs were synthesized via one-step pyrolysis from waste coffee leaves, offering a sustainable carbon source. The resulting CNPs (CL-10) and the TiO₂-CNP composite (PC@CL-10) were thoroughly characterized using advanced techniques. Incorporating carbon significantly reduces the band gap of TiO₂ from ∼3.2 eV to 2.90 eV, enhancing photocatalytic activity. Degradation studies under varying catalyst doses, dye concentrations, and pH levels demonstrate effective MB removal under UV irradiation. Photocatalytic experiments revealed up to 99% degradation of MB under UV light, while tests conducted in the dark showed negligible activity, confirming the light-dependent efficiency. Kinetic analysis indicated that intra-particle diffusion (IPD) governs the dye degradation process. Moreover, recyclability tests over seven cycles showed consistent performance with minimal decline, highlighting the catalyst's stability and reusability. These findings suggest that PC@CL-10 is a highly effective, low-cost photocatalyst with strong potential for large-scale wastewater treatment applications.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
AmocRCA: At most one change segmentation and relative correlation ranking for root cause analysis
No full textIn this paper, we present AmocRCA, a highly effective and efficient approach to Root Cause Analysis (RCA) using metric data only. A fast and reliable localization of root causes is decisive for self-stabilization of large systems in production and thus for continuous operation. Unlike many multi-modal approaches, we omit the necessity to create and maintain topology and interaction graphs as well as to collect and interpret semantically rich data such as logs and traces for the sake of quick localization/reaction and low computational overhead while achieving comparable results in terms of RCA precision. AmocRCA is based on a recent and promising approach for RCA named BARO. It leverages At Most One Change (AMOC) segmentation to make the scoring mechanism independent of anomaly detection, and employs a relative correlation ranking that enhances the scoring mechanism while reducing the need for a preselected set of metrics. The experimental results confirm the improvement in terms of effectiveness, while achieving comparable efficiency. The latter is an important requirement for deploying the method in productive large-scale, data-intensive applications, where fault localization has a limited time constraint.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Ein Format für Co-Exploration mit Improvisationstheater im Rahmen von #Berlinforschtmit des TD-Lab — Labor für transdisziplinäre Forschung der Berlin University Alliance
No full textHow can citizens be approached in public spaces in order to involve them in research, ask them questions or initiate short conversations? The TD-Lab of the Berlin University Alliance has developed, tested and reflected on the format "Clowning for new research ideas". The aim was to take up research impulses from the people as part of the co-exploration of transdisciplinary research. However, the format can also be used for scientific communication purposes. This workshop report shows why the format was developed, which mechanisms were used to address people with clowns and which results could be achieved with clowning. It also reflects on what the format can be adapted for and where its limitations lie.Wie kann man Bürger*innen im öffentlichen Raum ansprechen, um sie in Forschung einzubeziehen, sie zu befragen oder kurze Gespräche zu initiieren? Das TD-Lab der Berlin University Alliance hat dafür das Format "Clowning für neue Forschung" entwickelt, ausprobiert und reflektiert. Ziel war im Rahmen der Co-Exploration transdisziplinärer Forschung Forschungsimpulse aus der Bevölkerung aufzunehmen. Das Format ist aber auch für wissenschaftskommunikative Zwecke anwendbar. Im vorliegenden Werkstattbericht wird aufgezeigt, warum das Format entwickelt wurde, welche Mechanismen für die Ansprache mit Clowns genutzt wurden und welche Ergebnisse mit dem Clowning erzielt werden konnten. Außerdem wird reflektiert, wofür das Format adaptiert werden kann und wo seine Grenzen liegen
Seismische Charakterisierung von Tonstein als potenzielles Wirtsgestein für radioaktive Abfälle: angewandte Studien in Untertage-Forschungslaboren
No full textThe search for a suitable repository represents an interdisciplinary challenge, whereby the investigation of potential host rocks is of central importance. While rock salt and crystalline rock have been the subject of intensive research since the 1970s, the investigation of claystone only began in the 1990s. Claystone is a promising host rock in Germany, but research here has so far focussed primarily on rock salt and crystalline rock as well. It is therefore essential to analyse the properties of claystone under real conditions and to further develop methods for investigating it in an underground infrastructure, such as a underground research laboratory (URL).
This work is dedicated to the elastic properties of claystone, in particular the seismic velocities and the anisotropy. The latter, as a direction-dependent parameter, plays a central role in the creation of velocity models. In addition, the temperature-dependent change in seismic velocity is investigated in order to evaluate possibilities for seismic monitoring.
At the beginning, the influence of anisotropy on the traveltimes of seismic measurements is illustrated using forward modelling. The Devito programme is used, which is able to take anisotropy into account efficiently using symbolic algorithms. To illustrate this, the qP-wave equation is solved and the approach is generalised so that it can also be applied to other approaches. An example from the geology of Mont Terri demonstrates the difference between isotropic and anisotropic velocities using seismic waveforms.
The first case study was carried out in the URL Mont Terri, where a seismic survey was conducted along several galleries and niches to investigate the different facies of the Opalinus Clay (shaly and carbonate-rich sandy facies). For this purpose, 3-component geophones were installed in 2 m deep rock anchors and positioned at regular intervals around the survey area. The seismic waves were generated using a pneumatic impact source.
The first arrivals for P- and S-wave were analysed in two ways: firstly to determine the anisotropy of the respective facies and secondly for 2D travel-time tomography. The shaly facies exhibit an anisotropy of 23% for P-waves and 32% for S-waves. The carbonate-rich sandy facies with 20% (P-waves) and 30% (S-waves) shows similar values.
The traveltime tomography revealed an average velocity of 2.9 km/s for the P-waves in the shaly facies and 3.5 km/s in the carbonate-rich sandy facies. For the S-waves, mean velocities of 1.3 km/s (shaly facies) and 1.6 km/s (carbonate-rich sandy facies) were determined. The velocity contrast made it possible to precisely localise the two facies, which corresponds exactly to the mapped outcrop line of the geology.
The second case study was also carried out in the URL Mont Terri, focusing on the laboratory’s Main Fault. For this purpose, the measurement geometry was extended with additional geophones and source points to enable a more precise determination of the anisotropy. This extended geometry also served as the basis for calculating the amount of carbonate-rich sandy facies from mixed ray paths of the two facies and achieving improved azimuthal coverage for this facies.
The analysis showed that the shaly facies had a significantly higher S-wave anisotropy compared to the previous study, with 22% for P-waves and 36% for S-waves. In the carbonate-rich sandy facies, both values also increased to 24% (P-waves) and 36% (S-waves).
The traveltime tomography showed that niche MA within the study area has a significant disturbance influence. This makes it necessary to extend the traveltime tomography into the third-dimension in order to avoid unrealistic ray paths. In addition, the ray coverage is one-sided, especially with long ray paths, which leads to averaging effects and prevents a detailed resolution of the fault zone.
As part of the third study, a baseline survey for an injection experiment was carried out in the URL Tournemire and a fault zone was analysed for this purpose. This measurement serves as a reference for analysing changes in the elastic parameters. The fault zone was successfully resolved using traveltime tomography, which showed that the choice of seismic source has a significant influence.
An impact source was again used for the experiment, supplemented by a magnetostrictive vibration source. The latter provided a better match between the measured velocities and the mapped fault zone.
The influence of temperature changes on the seismic velocities was also investigated. For this purpose, a temperature field was simulated, generated by two heating elements, and converted into velocity changes. These were in turn transformed into synthetic traveltimes in order to check the recoverability of the generated anomaly. The results showed that the anomaly can be reliably reconstructed for both P- and S-waves.
The results of the studies show that both the anisotropic and the temperature-dependent velocity changes are essential parameters for the seismic characterisation of claystone. They also show the difficulties arising from the infrastructure of an URL. These findings contribute to the further development of the geophysical investigation of claystone as a final rock and enable improved methods for monitoring and modelling the rock properties under real conditions.Die Suche nach einem geeigneten Endlager stellt eine interdisziplinäre Herausforderung dar, wobei die Untersuchung potenzieller Wirtsgesteine von zentraler Bedeutung ist. Während Steinsalz und Kristallingestein bereits seit den 1970er Jahren intensiv erforscht werden, begann die Untersuchung von Tonstein erst in den 1990er Jahren. Tonstein ist ein vielversprechendes Wirtsgestein in Deutschland, doch bislang konzentrierte sich auch hier die Forschung vornehmlich auf Steinsalz und Kristallin. Daher ist es essenziell, die Eigenschaften von Tonstein unter realen Bedingungen zu analysieren und Methoden zur Untersuchung in einer untertägigen Infrastruktur, wie etwa einem untertägigen Forschungslabor (URL), weiterzuentwickeln.
Diese Arbeit widmet sich den elastischen Eigenschaften von Tongestein, insbesondere den seismischen Geschwindigkeiten und der Anisotropie. Letztere spielt als richtungsabhängige Größe eine zentrale Rolle bei der Erstellung von Geschwindigkeitsmodellen. Zudem wird die temperaturabhängige Veränderung der seismischen Geschwindigkeit untersucht, um Möglichkeiten für ein seismisches Monitoring zu evaluieren.
Zu Beginn wird anhand von Vorwärtsmodellierung der Einfluss der Anisotropie auf die Laufzeiten seismischer Messungen verdeutlicht. Dabei kommt das Programm Devito zum Einsatz, das durch symbolische Algorithmen in der Lage ist eine effiziente Berücksichtigung der Anisotropie zu ermöglichen. Zur Illustration wird die qP-Wellengleichung gelöst und der Ansatz so generalisiert, dass er auch für andere Ansätze anwendbar ist. Ein Beispiel aus der Geologie von Mont Terri demonstriert den Unterschied zwischen isotropen und anisotropen Geschwindigkeiten anhand seismischer Wellenformen.
Die erste Fallstudie wurde im URL Mont Terri durchgeführt, wo eine seismische Messkampagne entlang mehrerer Galerien und Nischen stattfand, um die unterschiedlichen Fazies des Opalinus-Tons (tonige sowie karbonatreiche-sandige Fazies) zu untersuchen. Dafür wurden 3-Komponenten-Geophone in 2 m tiefen Felsankern installiert und in regelmäßigen Abständen rund um das Untersuchungsgebiet positioniert. Die seismischen Wellen wurden mittels einer pneumatischen Impaktquelle angeregt.
Die Ersteinsätze der P- und S-Wellen wurden in zweierlei Hinsicht ausgewertet: Erstens zur Bestimmung der Anisotropie der jeweiligen Fazies und zweitens für eine 2D-Laufzeittomographie. Die tonige Fazies weist eine Anisotropie von 23% für P-Wellen und 32% für S-Wellen auf. Die karbonatreiche-sandige Fazies mit 20% (P-Wellen) und 30% (S-Wellen) zeigt ähnliche Werte. Die Laufzeittomographie ergab für die P-Wellen eine mittlere Geschwindigkeit von 2,9 km/s in der tonigen Fazies und 3,5 km/s in der karbonatreichen-sandigen Fazies. Für die S-Wellen wurden mittlere Geschwindigkeiten von 1,3 km/s (tonige Fazies) und 1,6 km/s (karbonatreiche-sandige Fazies) bestimmt. Der Geschwindigkeitskontrast ermöglichte eine präzise Lokalisierung der beiden Fazies, die exakt der kartierten Ausbisslinie der Geologie entspricht.
Die zweite Fallstudie wurde ebenfalls im URL Mont Terri durchgeführt, wobei der Fokus auf der Hauptstörung (Main Fault) des Labors lag. Dazu wurde die Messgeometrie durch zusätzliche Geophone und Quellpunkte
erweitert, um eine präzisere Bestimmung der Anisotropie zu ermöglichen. Diese erweiterte Geometrie diente zudem als Grundlage, um den Anteil der karbonatreichen-sandigen Fazies aus gemischten Strahlenwegen der beiden Fazies herauszurechnen und eine verbesserte azimutale Abdeckung für diese Fazies zu erzielen.
Die Auswertung ergab, dass die tonige Fazies im Vergleich zur vorherigen Studie eine deutlich stärkere Anisotropie der S-Wellen aufweist, mit 22% für P-Wellen und 36% für S-Wellen. Auch bei der karbonatreichen-sandigen Fazies stiegen beide Werte auf 24% (P-Wellen) und 36% (S-Wellen).
Die Laufzeittomographie zeigte, dass die Nische MA innerhalb des Untersuchungsgebiets einen signifikanten Störeinfluss besitzt. Dies macht eine Erweiterung der Laufzeittomographie in die dritte Dimension erforderlich, um unrealistische Strahlenwege zu vermeiden. Zudem ist die Strahlenabdeckung vor allem bei langen Strahlenwegen einseitig, was zu Mittelungseffekten führt und eine detaillierte Auflösung der Störungszone verhindert.
Im Rahmen der dritten Studie wurde im URL Tournemire eine Basismessung für ein Injektionsexperiment durchgeführt und dafür eine Störungszone untersucht. Diese Messung dient als Referenz zur Analyse von Änderungen der elastischen Parameter. Die Störungszone konnte mittels Laufzeittomographie erfolgreich aufgelöst werden, wobei sich zeigte, dass die Wahl der seismischen Quelle einen erheblichen Einfluss hat.
Für das Experiment wurde erneut eine Impaktquelle eingesetzt, ergänzt durch eine magnetostriktive Vibrationsquelle. Letztere lieferte eine bessere Übereinstimmung der gemessenen Geschwindigkeiten mit der kartierten Störungszone.
Zusätzlich wurde der Einfluss von Temperaturveränderungen auf die seismischen Geschwindigkeiten untersucht. Dazu wurde ein Temperaturfeld simuliert, erzeugt durch zwei Heizstäbe, und in Geschwindigkeitsänderungen umgerechnet. Diese wurden wiederum in synthetische Laufzeiten transformiert, um die Wiederherstellbarkeit der erzeugten Anomalie zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Anomalie sowohl für P- als auch für S-Wellen zuverlässig rekonstruieren lässt.
Die Ergebnisse der Studien zeigen, dass sowohl die anisotropen als auch die temperaturabhängigen Geschwindigkeitsänderungen essenzielle Parameter für die seismische Charakterisierung von Tongesteinen sind. Ebenso welche Schwierigkeiten sich aus der Infrastruktur eines URLs ergeben. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, die geophysikalische Untersuchung von Tonstein als Endlage rgestein weiterzuentwickeln und ermöglichen verbesserte Methoden zur Überwachung und Modellierung der Gesteinseigenschaften unter realen Bedingungen
vorläufige Ergebnisse aus drei Berliner Teilprojekten (Verbundstudie „Institutionen & Rassismus [InRa]“)
No full textNach den antisemitischen und rassistischen Anschlägen in Halle (2019) und Hanau (2020) initiierte das BMI das dreijährige Verbundprojekt „Institutionen und Rassismus“ am Forschungsinstitut Gesellschaftlicher Zusammenhalt (FGZ) mit 23 Teilprojekten an acht Standorten. Ziel war die Untersuchung institutioneller Wissensbestände und Handlungspraxen von Rassismus in Behörden sowie die Entwicklung diskriminierungssensibler Handlungsempfehlungen. Am Berliner Standort wurden qualitative Studien zu einer Ausländerbehörde, einem Jobcenter und zur Polizei durchgeführt. Die Analysen zeigen, dass institutioneller Rassismus nicht auf individuelles Fehlverhalten reduziert werden kann, sondern strukturell verankert ist – u.a. in Form kulturell-rassifizierender Zuschreibungen, Mikroaggressionen, verdachtsunabhängiger Polizeikontrollen (Racial Profiling) und institutionalisierter Undurchsichtigkeit. Sichtbar wurden anti-Schwarzer, antimuslimischer, antiasiatischer Rassismus, Antiziganismus und intersektionale Diskriminierungen. Die Befunde belegen strukturelle Ausschlüsse, Machtungleichgewichte und den Bedarf an einem bundesweiten, rechtlich verpflichtenden Aktionsprogramm gegen Diskriminierung und Rassismus mit präventiven, intervenierenden und transformativen Maßnahmen
Low velocity streaks combined with intrinsic flame instabilities provoke boundary layer flashback in a turbulent premixed jet-stabilized hydrogen flame
No full textWe report on boundary layer flashback of a turbulent premixed, pure hydrogen flame using well-resolved LES. This numerical work is based on flashback experiments of the TU Delft (TUD) jet flame at a jet Reynolds number of = 11000. Flashback is a highly sensitive process, which is why (i) the turbulent inflow conditions, (ii) chemistry modeling and (iii) the wall temperatures of the mixing tube are crucial parameters to predict accurately this transient process. The presence of thermo-diffusive flame instabilities is the main contributor for flashback in this setup. We identify quasi-coherent turbulent structures in the mixing tube, namely an ejection event, which transports slow, preheated and hydrogen-enriched fluid away from the wall and triggers the flashback event. As a result, the flame forms a convex cusp upstream of the tube exit pointing towards the unburnt gas mixture. During the transition from unconfined (no walls around the flame) to confined (flame surrounded by walls) boundary-layer flashback, this cusp further bends and propagates towards the jet exit center, while, at the same time, its curvature and the reaction rate of hydrogen significantly increase by a factor of two. We repeated the flashback simulations several times and also for various flow conditions: all cases feature the same FB characteristics and, hence, confirms the generality of the conclusions. Moreover, the numerical flashback mechanism confirms the process hypothesized by the experiments. Based on the identified governing key parameters that affect flame flashback, we performed parametric variations of the Lewis number and wall temperature. By varying the Lewis number, we can clearly state that the flashback is driven by thermo-diffusive instabilities, while a hotter wall significantly deteriorates the flashback behavior of this setup.
Novelty and significance statement
Hydrogen combustion plays a crucial role in various energy applications due to no CO2 emissions. However, lean premixed hydrogen/air combustion can lead to safety challenges, particularly in the form of flame flashback, potentially causing catastrophic failures in combustion chambers. Understanding and controlling flashback is essential to ensure the safe and efficient use of hydrogen for instance in gas turbines. With this study, we address a number of open questions:
(i) root cause of boundary layer flashback in turbulent premixed lean 100% hydrogen jet flames.
(ii) transition from unconfined to confined boundary layer flashback.
(iii) investigate key parameters that govern flame flashback: Lewis number and wall temperature.
This study demonstrates for the first time that flashback in turbulent premixed lean hydrogen combustion is driven by the characteristic behavior of thermo-diffusive instabilities.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025BMWE, 03EE5159B, Verbundvorhaben: TurboHyTec - Turbomaschinen für Hydrogen Technologien; Teilprojekt: AP 1.1 Flashback Modellierung in einem Wasserstoffbrenne
On (,)-Laplace Schrödinger equations with Stein-Weiss convolution parts in Rn
No full textBy using the mountain pass theorem, this article deals with the existence of positive ground state solutions to a class of (,)-Laplace Schrödinger equations with Stein-Weiss reaction under critical exponential growth in the sense of the Moser–Trudinger inequality in the whole Rn.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Simulation und adjungierte Optimierung der Detonationsinitiierung für Anwendungen in pulsierender Detonationsverbrennung
No full textIn reactive flows, combustion propagates mainly in two modes driven either by thermal and molecular diffusion or by thermal expansion due to adiabatic shock compression. These waves are known as deflagration and detonation, respectively. Their direct initiation is defined by the initial conditions, making these propagation modes to act as stable attractors. There exists also an indirect path from a deflagration to a detonation in a process described as Deflagration-to-Detonation Transition (DDT) or more specific for this thesis Shock-to-Detonation Transition (SDT). The low energy demands of DDT in starting detonation reflects in plenty of applications in the energy and transportation sectors. Apart from its use for energy production and vehicle propulsion, this phenomenon is also related to safety issues in mines, power stations, and nuclear power plants.
As a part of the Collaborative Research Center 1029 TurbIn (SFB-1029), this work's motivation is to improve the thermal efficiency in gas turbines by replacing the conventional isobaric combustion with quasi-isochoric combustion. The pressure gain combustion is implemented in a new Pulse Detonation Engine (PDE). The physical-chemical processes leading to detonation initiation in the new design are investigated. The configuration consists of a circular pipe equipped with a pre-chamber and a single convergent-divergent axisymmetric nozzle. The latter obstructs the flow and acts as a shock-focusing geometry. The stoichiometric hydrogen mixture is injected through a circumferential aperture between the pipe and a hemispherical wave reflector.
The study starts with a joined numerical and experimental approach to then apply exclusively numerical methods. The compressible reactive Navier-Stokes Equation (NSE) in the conservative skew-symmetric formulation is solved. The thermochemical methods are being updated as the investigation develops and more details of the processes inside the combustion chamber are needed. In that context, the global reaction is modeled with a one-step irreversible Arrhenius kinetics with pressure- and temperature-dependent parameters. These parameters are selected using the adjoint method to reproduce the induction time of a complex kinetics model (San Diego mechanism). A higher-order temperature-dependent polynomial describes the thermodynamics.
The operating modes of the experimental facility are numerically described with data-based models. From intermediate results, a shock wave formation via an accelerating turbulent flame is identified previous to the detonation initiation. Subsequently, special attention is devoted to the reflection and focusing of the leading shock at the nozzle. Two different SDT initiation mechanisms (direct or mild) were distinguished depending on the strength of the incoming shock wave. A criteria for the prediction of the resulting combustion regime is derived from the velocity of the shock sequential focusing. This velocity is estimated from the spatial parametrization of the reflected shock wave at the nozzle.
Once the influence of the obstacle's shape on the SDT initiation is determined, a geometrical optimization is carried out. For that purpose the adjoint approach is used to extract the sensitivity of the SDT initiation with respect to variations on the imploding shock wave just before the focusing. The proposed changes (adding a parabolic-like profile at the nozzle's corner and a slightly increase of the obstruction) show a reduction of 5 % in the detonation initiation threshold. Here, this threshold is defined by the incident shock strength, meaning that the geometrical modifications guarantee detonation initiation for weaker incoming shocks. As a consequence, the fuel consumption and the engine length can be reduced, further increasing the cycle thermal efficiency of the gas turbine.In reaktiven Strömungen breitet sich die Verbrennung hauptsächlich in zwei Moden aus, die entweder durch thermische und molekulare Diffusion oder durch thermische Ausdehnung aufgrund von adiabatischer Stoßkompression angetrieben werden. Diese Wellen werden als Deflagration bzw. Detonation bezeichnet. Ihre direkte Initiierung wird durch die Anfangsbedingungen bestimmt, wodurch diese Ausbreitungsmoden als stabile Attraktoren wirken. Es gibt auch einen indirekten Weg von einer Deflagration zu einer Detonation, ein Prozess, der als Deflagration-to-Detonation Transition (DDT) oder, spezifischer für diese Arbeit, als Shock-to-Detonation Transition (SDT) beschrieben wird. Der geringe Energiebedarf von DDT zum Einleiten der Detonation zeigt sich in zahlreichen Anwendungen im Energie- und Transportsektor. Neben der Verwendung zur Energieerzeugung und zum Antrieb von Fahrzeugen ist dieses Phänomen auch relevant für Sicherheitsfragen in Berg-, Kraft- und Kernkraftwerken.
Als Teil des Sonderforschungsbereichs 1029 TurbIn (SFB-1029) ist die Motivation dieser Arbeit, den thermischen Wirkungsgrad in Gasturbinen zu steigern, indem die herkömmliche isobare Verbrennung durch eine quasi-isochore Verbrennung ersetzt wird. Die druckerhöhende Verbrennung wird in einer neuen Pulse Detonation Engine (PDE) implementiert. Die physikalisch-chemischen Prozesse, die zur Detonationsinitiierung in dem neuen Design führen, werden untersucht. Die Konfiguration besteht aus einem kreisförmigen Rohr, das mit einer Vorkammer und einer einzigen konvergent-divergenten axialsymmetrischen Düse ausgestattet ist. Letztere blockiert die Strömung und wirkt wie eine stoßfokussierende Geometrie. Das stöchiometrische Wasserstoffgemisch wird durch eine umlaufende Öffnung zwischen dem Rohr und einem halbkugelförmigen Wellenreflektor eingespritzt.
Die Studie beginnt mit einem numerisch-experimentellen Ansatz, um dann ausschließlich numerische Methoden anzuwenden. Es wird die kompressible reaktive Navier-Stokes Gleichung (NSE) in der konservativen schiefsymmetrischen Formulierung gelöst. Die thermochemischen Methoden werden im Laufe der Untersuchung aktualisiert, wenn mehr Details über die Vorgänge in der Brennkammer benötigt werden. In diesem Zusammenhang wird die globale Reaktion mit einer einstufigen irreversiblen Arrhenius-Kinetik mit druck- und temperaturabhängigen Parametern modelliert. Diese Parameter werden mit der adjungierten Methode ausgewählt, um die Induktionszeit eines komplexen kinetischen Modells (San Diego Mechanismus) zu reproduzieren. Ein temperaturabhängiges Polynom höherer Ordnung beschreibt die Thermodynamik.
Die Betriebsmoden der Versuchsanlage werden numerisch mit datenbasierten Modellen beschrieben. Aus Zwischenergebnissen wird vor der Detonationsinitiierung die Entstehung einer Schockwelle aufgrund einer beschleunigenden turbulenten Flamme identifiziert. Anschließend wird besondere Aufmerksamkeit auf die Reflexion und Fokussierung des führenden Stoßes an der Düse gerichtet. In Abhängigkeit der Stärke der eintreffenden Schockwelle werden zwei verschiedene SDT-Initiierungsmechanismen (direkt oder mild) unterschieden. Aus der Geschwindigkeit der sequentiellen Stoßfokussierung wird ein Kriterium für die Vorhersage des resultierenden Verbrennungsregimes abgeleitet. Diese Geschwindigkeit wird anhand der räumlichen Parametrisierung der reflektierten Stoßwelle an der Düse geschätzt.
Sobald der Einfluss der Hindernisform auf die SDT-Initiierung bestimmt ist, wird eine geometrische Optimierung durchgeführt. Zu diesem Zweck wird die adjungierte Methode verwendet, um die Sensitivität der SDT-Initiierung in Bezug auf Variationen der implodierenden Stoßwelle kurz vor der Fokussierung zu extrahieren. Die vorgeschlagenen Änderungen (Hinzufügen eines parabelförmigen Profils an der Düsenecke und eine leichte Erhöhung der Blockierung) führen zu einer Verringerung der Detonationsinitiierungschwelle von 5 %. Dieser Schwellenwert wird hier durch die Stärke des einfallenden Schocks definiert, weshalb die geometrischen Änderungen die Detonationsinitiierung für schwächere einfallende Schocks garantieren. Infolgedessen können der Brenntstoffverbrauch und die Triebwerklänge reduziert werden, was den thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine weiter erhöht.DFG, 200291049, SFB 1029: TurbIn - Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbine
Scale matters in investigating sensorimotor brain dynamics of neuro-architecture: temporality and spatiality in perceiving transitional affordances
No full textNeuro-architecture is an emerging field that combines neuroscience, environmental psychology, and architecture to focus on human brain mechanisms resulting from action in and interaction with the built environment. Building on the development of neuro-architecture, this dissertation presents two core claims. The first is that the sensorimotor brain dynamics of architectural affordances should be recognized as an essential and feasible research topic for future neuro-architecture. The second is that considerations of scales, namely temporality and spatiality, are crucial in the design of experimental protocols when investigating the first claim.
Regarding the first claim, on the one hand, it is essential because the research topics of neuro-architecture should be extended from aesthetics to ergonomics through the conceptualization of architectural affordances. This framework, derived from ecological psychology, offers a means to address the ontological limitations present in the recent neuro-architecture article (Higuera-Trujillo et al., 2021). On the other hand, it is feasible because Mobile Brain/Body Imaging (MoBI), an emerging brain imaging approach, has the potential to improve the ecological validity of neuro-architecture research. This mobile protocol allows participants to freely explore the built environment, either in virtual reality (VR) or in the physical world. This mobility provides a contextual condition that primes sensorimotor brain dynamics and natural cognition associated with environmental affordances. Combining conceptual resources from ecological psychology with this state-of-the-art neuroscience method offers a promising approach to address the methodological limitations of neuro-architecture studies (Higuera-Trujillo et al., 2021). A relevant demonstration of this core claim can be found in our article on methodological analysis (S. Wang et al., 2022).
Regarding the second claim, on the one hand, time scale plays a crucial role in investigating the sensorimotor brain dynamics of architectural affordances. While there has been an ongoing debate about whether the affordances perception is an automated process or not, an increasing number of researchers are seeking to reconcile the two previous schools by viewing sensorimotor stages as a modulator-like scale. This synthesis perspective proposes that affordance automaticity should be understood as a dynamic process that changes over time, whereby affordance perception may initially occur automatically but is later modulated by higher-level cognitive processes. Focusing on examining this assumption, we published a research article (S. Wang et al., 2024). On the other hand, spatial scale (specifically, body scale) also matters in manipulating environmental affordances. According to the view of ecological psychology, affordances are perceived directly through the interaction between the observer and the environment, and thus body-scaled. This statement
has been implemented in experimental protocols in the field of micro-affordance since the early 21st century. Using mobile brain/body imaging and intrinsic measurement, this study extends the body-scale paradigm to the experimental protocols for macro-affordances. In doing so, it provides empirical support for integrating ecological psychology, ergonomics, and neuro-architecture within experimental research. To this end, we have published a preprint, and the peer-reviewed paper is currently under review.
In sum, the thesis can be seen as (1) two core claims of why the sensorimotor brain dynamics of architectural affordance should be regarded as an important topic for the future neuro-architecture and why scale matters in the investigation, (2) a time-varying automaticity account of architectural affordance perception, providing an empirical investigation into the temporal aspect of the core claim, and (3) an answer from the spatial aspect to the question of how architectural affordances can be manipulated from a body scale, thus offering empirical support for integrating ecological psychology, ergonomics, and neuro-architecture in experimental protocols. While the first core claim establishes a methodological foundation for the second, the second provides a procedural framework for investigating the first.Neuro-Architektur ist ein aufstrebendes Forschungsfeld, das Neurowissenschaften, Umweltpsychologie und Architektur kombiniert, um sich auf die Mechanismen des menschlichen Gehirns zu konzentrieren, die aus der Handlung in und der Interaktion mit der gebauten Umwelt resultieren. Aufbauend auf der Entwicklung der Neuro-Architektur stellt diese Dissertation zwei zentrale Thesen auf. Erstens sollten die sensomotorischen Gehirndynamiken architektonischer Affordanzen als ein wesentliches und realisierbares Forschungsthema für die zukünftige Neuro-Architektur anerkannt werden. Zweitens sind Überlegungen zu Skalen, insbesondere Temporalität und Räumlichkeit, entscheidend für die Gestaltung experimenteller Protokolle bei der Untersuchung der ersten These.
Bezüglich der ersten These ist es einerseits essenziell, da sich die Forschungsthemen der Neuro-Architektur durch die Konzeptualisierung architektonischer Affordanzen von Ästhetik zu Ergonomie erweitern sollten. Dieser aus der ökologischen Psychologie abgeleitete Rahmen bietet eine Möglichkeit, die ontologischen Begrenzungen eines aktuellen Neuro-Architektur-Artikels (Higuera-Trujillo et al., 2021) zu adressieren. Andererseits ist es realisierbar, da Mobile Brain/Body Imaging (MoBI), ein aufkommender Ansatz zur Gehirnbildgebung, das Potenzial hat, die ökologische Validität der Neuro-Architektur-Forschung zu verbessern. Dieses mobile Protokoll ermöglicht es den Teilnehmenden, sich frei in der gebauten Umwelt zu bewegen – sowohl in der virtuellen Realität (VR) als auch in der physischen Welt. Diese Mobilität schafft eine kontextuelle Bedingung, die die sensomotorischen Gehirndynamiken und die natürliche Kognition im Zusammenhang mit Umwelt-Affordanzen aktiviert. Die Kombination konzeptueller Ressourcen aus der ökologischen Psychologie mit dieser hochmodernen neurowissenschaftlichen Methode bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Überwindung methodischer Einschränkungen der Neuro-Architektur-Studien (Higuera-Trujillo et al., 2021). Eine relevante Demonstration dieser These findet sich in unserer methodologischen Analyse (S. Wang et al., 2022).
Bezüglich der zweiten These spielt einerseits die Zeitskala eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung der sensomotorischen Gehirndynamiken architektonischer Affordanzen. Während eine anhaltende Debatte darüber besteht, ob die Wahrnehmung von Affordanzen ein automatisierter Prozess ist oder nicht, versuchen immer mehr Forschende, die beiden bisherigen Schulen miteinander zu vereinen, indem sie sensomotorische Stufen als eine modulatorische Skala betrachten. Diese Syntheseperspektive schlägt vor, dass die Automatisierung von Affordanzen als ein dynamischer Prozess verstanden werden sollte, der sich im Laufe der Zeit verändert. Dabei könnte die Affordanz-Wahrnehmung zunächst automatisch erfolgen, später jedoch durch höhere kognitive Prozesse moduliert werden. Mit
einem Fokus auf diese Annahme haben wir eine Forschungsarbeit veröffentlicht (S. Wang et al., 2024). Andererseits ist auch die räumliche Skala (insbesondere die Körperebene) entscheidend für die Manipulation von Umwelt-Affordanzen. Aus der Sicht der ökologischen Psychologie werden Affordanzen direkt durch die Interaktion zwischen Beobachter und Umwelt wahrgenommen und sind daher körpergebunden. Diese Aussage wurde in experimentellen Protokollen im Bereich der Mikro-Affordanzen seit Beginn des 21. Jahrhunderts umgesetzt. Mithilfe von Mobile Brain/Body Imaging und intrinsischen Messmethoden erweitert diese Studie das Körperebenen-Paradigma auf experimentelle Protokolle für Makro-Affordanzen. Dadurch liefert sie empirische Unterstützung für die Integration ökologischer Psychologie, Ergonomie und Neuro-Architektur in experimentellen Studien. Zu diesem Zweck haben wir ein Preprint veröffentlicht, und die begutachtete Arbeit befindet sich derzeit im Review-Prozess.
Zusammenfassend kann diese Dissertation als (1) zwei zentrale Thesen verstanden werden, die darlegen, warum die sensomotorischen Gehirndynamiken architektonischer Affordanzen als ein wichtiges Forschungsthema für die zukünftige Neuro-Architektur betrachtet werden sollten und warum die Skala dabei eine Rolle spielt, (2) eine zeitvariable Automatisierungsdarstellung der Wahrnehmung architektonischer Affordanzen, die eine empirische Untersuchung des zeitlichen Aspekts der zentralen These liefert, und (3) eine Antwort aus räumlicher Perspektive auf die Frage, wie architektonische Affordanzen auf Körperebene manipuliert werden können – und damit eine empirische Grundlage für die Integration ökologischer Psychologie, Ergonomie und Neuro-Architektur in experimentelle
Protokolle bietet. Während die erste zentrale These eine methodologische Grundlage für die zweite schafft, liefert die zweite einen prozeduralen Rahmen für die Untersuchung der ersten