Technische Universität Bergakademie Freiberg: Qucosa
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Aufbau des Schockwellenlabors im Lehr- und Forschungsbergwerk 'Reiche Zeche' der TU Bergakademie Freiberg und die Entwicklung von dynamischen Höchstdrucksynthesemethoden
Full text linkIn 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 23
Globalization of Nonlinear FETI–DP Methods
Full text linkNichtlineare Finite-Element-Probleme sind unentbehrlich für die Modellierung und Simulation im Bereich der Mechanik. Für die Lösung solcher Probleme sind schnelle und robuste Algorithmen unverzichtbar. Nichtlineare FETI--DP-Verfahren haben ihre Robustheit und Skalierbarkeit für Probleme der nichtlinearen Strukturmechanik nachgewiesen.
Typischerweise werden diese nichtlinearen FETI--DP-Verfahren in Kombination mit dem Newton-Verfahren oder Varianten des Newton-Verfahrens verwendet. Diese Verfahren sind nicht global konvergent. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie nichtlineares FETI--DP unter Verwendung einer exakten differenzierbaren Penalty-Funktion oder mittels eines SQP-Verfahren globalisiert werden kann. Es werden Standardkonvergenzaussagen, unter direkter Verwendung von nichtlinearer Elimination, welche ein zentraler Baustein für nichtlineares FETI--DP ist, bewiesen. Numerische Ergebnisse zeigen, dass die Robustheit und Skalierbarkeit durch die Globalisierung erhalten bleiben
Pattern formation on deforming active viscoelastic surfaces
Full text linkPattern formation on self deforming materials is playing an increasingly vital role in the study of many biological processes. An example is the cell cortex, a network of interlinked actin filaments connected to the inside of the cell membrane. The stiffness of these filaments makes the cortex rigid and gives the cortex a strong influence in the shape of the cell. Additionally, molecular turnover and motor proteins allow shape changes necessary for the cell to divide and to adapt to its environment. Due to the incredible number of proteins that make up the cell cortex, simulation of the molecular dynamics for the entire cortex is impossible. However, when considering a larger scale, these dynamics can be approximated, making it possible to model the cortex as an active viscoelastic surface. To implement this, we use the surface equivalent of a Maxwell material, additionally distinguishing between shear and dilational stress. The motor proteins are modelled by an advection diffusion equation on the surface combined with a concentration dependent surface tension. Surrounding the surface is a fluid modelled by the Navier-Stokes equations. We study the formation of patterns both analytically and numerically. In the analytical study the 2-dimensional curved surface is reduced to a flat 2-dimensional surface with periodic boundary conditions
and no surrounding fluid. We then show, that despite the minimal complexity of this model, spatiotemporal patterns can develop on a viscoelastic surface if the relaxation times are different. For the numerical study the Arbitrary Lagrangian Eulerian method (ALE) is applied. The equations for the surface and bulk are solved separately, but this partial method is numerically unstable for dominantly viscous surfaces. With that in mind, we also implemented a monolithic model for viscous surfaces, solving the bulk and surface equations simultaneously. As a special case the influence of a chiral flow field on a sphere is studied. These chiral flows have been observed in biological experiments and are hypothesised to originate from the small scale torques caused
by the helix structure of the actin filaments. We found that a high shear elastic modulus in combination with a chiral force field can induce neck formation. Additionally, for a concentration dependent chiral force field combined with active surface tension and a high dilational elastic modulus, the chiral forces can stabilise a contractile ring. These results provide mechanistic evidence that chiral flows can play a
role during cell division
Technische und wirtschaftliche Projektstudie zur Verwendung thermischer Verfahren zur Wasserstoffproduktion aus ausgeförderten Erdöllagerstätten
Full text linkErdöl und Erdgas liegen als flüssige Kohlenwasserstoffe in porösen Sedimentgesteinen im geologischen Untergrund vor. Um diese Kohlenwasserstoffe zu gewinnen, wird der Untergrund durch Tiefbohrungen zur Förderung erschlossen. Anschließend erfolgt die Förderung des Erdöls in drei Phasen: der Primär-, Sekundär- und Tertiärförderung. In der primären Phase wird Erdöl durch den Druck in der Lagerstätte gewonnen, in der sekundären Phase durch künstliche Aufrechterhaltung des Drucks und in der tertiären Phase durch technische Beeinflussung der strömungsmechanischen und thermodynamischen Eigenschaften des Erdöls. Dennoch verbleibt insbesondere bei Schweröllagerstätten ein Anteil von 45 bis 90 % des ursprünglich in der Lagerstätte vorhandenen Erdöls in der Lagerstätte. Aufgrund strömungsmechanischer und thermodynamischer Einschränkungen ist eine Gewinnung dieses Anteils technisch und/oder wirtschaftlich nicht möglich. Meist wird die Lagerstätte nach Abschluss der Förderung verfüllt und die übertägigen Anlagen zurückgebaut.
Zugleich steigt weltweit der Bedarf an Energiequellen, insbesondere an solchen, die für die Dekarbonisierung und Umstellung auf umweltschonende Energien benötigt werden. Wasserstoff wird voraussichtlich als chemischer Energieträger der zukünftige Schlüsselrohstoff für die Energiewende sein.
Diese Forschungsarbeit untersucht die Weiternutzung bzw. Erschließung ausgeförderter Erdöllagerstätten zur Wasserstoffgewinnungmittels thermischer Verfahren. Diese Verfahren orientieren sich an bereits etablierten Methoden für die übertägige Verfahrenstechnik. Durch das Verfahren wird die Lagerstätte mithilfe der Verbrennung des in dieser vorhandenen Restöls erhitzt und das entstehende Koks durch eine Wasserinjektion in Synthesegas umzuwandeln. Durch die hohen Temperaturen entsteht in der Lagerstätte eine Atmosphäre aus Wasserdampf, die zur Vergasung des Kokses führt. Das Gas wird durch die Wasserfront aus der Lagerstätte in die Produktionsbohrungen verdrängt und kann anschließend an der Oberfläche aufbereitet werden. Im Kontext der Lagerstättenprozesse entsteht nicht nur Wasserstoff, sondern auch weitere Verbrennungsprodukte wie Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Sauergase und Kohlenwasserstoffgase. Diese werden verfahrenstechnisch aufbereitet und dampfreformiert in den obertägigen Anlagen. Zur Erfüllung der Anforderungen an blauen Wasserstoff ist die Reinjektion von Kohlenstoffdioxid erforderlich.
In der Dissertation wird ein numerisches Berechnungsschema eingeführt und ausführlich getestet, um die lagerstättentechnische Simulation der thermischen Wasserstoffgewinnung durchzuführen. Anhand von Modelllagerstätten werden mithilfe dieses Schemas relevante Prozessparameter ermittelt und für die Übertragung auf die konkrete Lagerstättensimulation aufbereitet. Das Verfahren zur Wasserstoffförderung wird an einer antiklinalen Lagerstätte mit geostatistischer Heterogenität simuliert. Die Ergebnisse werden zur weiteren Auswertung bezüglich Integritätsfragen, Übertageanlagen sowie wirtschaftlicher und strategischer Aspekte herangezogen
Book of Abstracts - 8th PhD Conference: Ideas unleashed, futures patented - from concept to copyright
Full text linkThese are the abstracts of the oral presentations of the 8th PhD conference held on 7 June 2024 in Freiberg
Hochtemperaturinduzierte Mikrostrukturänderungen und Phasenübergänge in nanokristallinen, metastabilen und defektbehafteten Aluminiumoxiden
Full text linkWithin the collaborative research center SFB 920 “Multifunctional Filters for Metal Melt Filtration”, the thermally induced formation of metastable aluminum oxides and related microstructural changes were investigated. It was confirmed that the γ-Al₂O₃ phase possesses a defective spinel structure containing Al vacancies that preserve the stoichiometry of this phase.
The presence of vacancies fragments apparently the γ-Al₂O₃ crystallites into nanocrystalline domains, which are separated by non-conservative antiphase boundaries (APBs) of the type {100} ¼. These APBs form a 3D network that is randomly distributed over all crystallographically equivalent lattice planes. This phenomenon causes a starlike (and hkl-dependent) broadening of the reciprocal lattice points that correspond to the aluminum sublattice. It was shown that the extent of the broadening of the reciprocal lattice points can be predicted by employing the phase shift factors.
With increasing degree of the APBs ordering, the initial streaks representing the broadened reflections start to split, forming superstructure reflections. This superstructure of γ-Al₂O₃ is commonly known as δ-Al₂O₃. Between the ordered APBs, the crystal structure of δ-Al₂O₃ is closely related to the crystal structure of monoclinic θ-Al₂O₃. The phase transition of γ-Al₂O₃/δ-Al₂O₃ to θ-Al₂O₃ proceeds via migration of just three Al³⁺ cations to the neighboring tetrahedral and octahedral sites in the cubic close packed (ccp) oxygen sublattice. The general migration vector is ⅛ (γ-Al₂O₃). Diffraction effects associated with different intermediate states can be explained by an improper long-range ordering of equivalent APBs or certain Al³⁺ cations and the local formation of θ-Al₂O₃ within the δ-Al₂O₃ superstructure.
The formation of θ-Al₂O₃ is accompanied by an increase of the occupancy of the tetrahedral sites in the oxygen sublattice by the Al³⁺ cations. In surrounding local γ-Al₂O₃ domains, however, some cations migrate from the tetrahedral to the octahedral sites. Thus, the local formation of θ-Al₂O₃ is nearly invisible for the ²⁷Al 1D magic angle spinning nuclear magnetic resonance (MAS NMR) spectroscopy. Still, it was recognized by the 2D multiple quantum (MQ) MAS NMR spectroscopy. A continuous formation of the θ-Al₂O₃ domains was confirmed by the Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) and selected area electron diffraction (SAED).
The proposed microstructure and transformation models helped to explain the thermal stabilization of the metastable alumina phases by Si-doping.
For investigation of the thermally induced phase transitions in metastable alumina phases, boehmite (γ-AlO(OH)) was chosen as the starting compound. However, the metastable alumina phases were also observed in endogenous inclusions present in solidified steel melts. For identification of these phases, a procedure for reconstruction of spherical Kikuchi maps from recorded EBSD patterns was developed
Improving capacity and design of water supply system for the case of Mazar-e-Sharif City
Full text linkIn the world, improving quality and reliability of water supply systems, improving access to clean drinking water for the populations in conditions of development and intensive growth of urban settlements are considered an important issue. In this research the most important issue is improving the calculation methods of water delivery and distribution systems within urban water supply complexes. In most countries such as the USA, Germany, Russia, Israel, South Korea, China and other economically developed countries, special attention has been paid to provide clean drinking water for their population, improve the quality of design for water supply systems and ensure reliability and design of water distribution system for urban settlements.
A water supply network for distributing the water for drinking and other purposes is a component of a city and municipal planning. Therefore, it needs to be planned and designed by city planners and civil engineers with the utmost care. It is also necessary to consider of factors that will have an impact, such as the location of the town or city, its current water demand, the growth in the demand in future, leakage in the systems, the required pressure in the pipes, losses in the pipes, etc. Targeted research aimed to develop scientifically grounded calculation methods for studying and developing theoretical bases for calculation water delivery and distribution system within urban water supply complexes. The study also considered new working conditions and requirements for their modernization, which are especially important worldwide. In this study the most important tasks are to improve calculation methods of water delivery and distribution systems under the condition of multi-mode water flow in pipes and uncertainties of network parameters.
Further, Mazar-e-Sharif city has been considered as a case to apply the developed mathematical calculation, describing water delivery and distribution processes, rational development and reconstruction of water delivery and distribution systems.
Currently, a wide range of comprehensive studies is being carried out in many countries on the use of modern computer technologies on the implementation of comprehensive measures to improve access to clean drinking water in city, through the construction of new water tanks, an extension of the existing water tanks, sewerage facilities and water supply network.
The development strategy of the Islamic Republic of Afghanistan in line with SDG’s is first improving the supply and delivery of clean drinking water in each province of the country. Since many years the local Government of Balkh province and people of Mazar-e-sharif city are wishing to have the new modern water supply system to satisfy all needs but unfortunately, they did not success to get this opportunity. Mazar-e-Sharif is the second largest city in Afghanistan and the population is growing day by day as due to economic reasons people from other provinces immigrate to Mazar. The current water supply system is the individual/local distribution system made by the local community and some NGOs which are not standard, and the quality of the water is not satisfactory.:Table of Content
CHAPTER 1 : Introduction 1
1.1 Background 1
1.2 Research Objectives 2
1.3 Structure of the thesis 3
1.4 Study Area 4
1.5 Socioeconomic conditions 5
1.6 Master Plan and Future Development 6
1.7 Physiography 7
1.8 Existing situation 8
1.8.1 Ground water 8
1.8.2 Water Quality 8
1.8.3 Surface Water 9
1.8.4 Actual Production 9
1.8.5 Storage 11
1.8.6 Operation of current Water Supply System 11
CHAPTER 2 : Literature review 13
2.1 Water Supply System 13
2.2 Water supply characteristics 15
2.3 Theory of hydraulic models 17
2.4 Analysis of existing theories and methodologies for modeling a water supply and distribution system in a water supply complex 31
CHAPTER 3 : Research methodology 36
3.1 Overview 36
3.2 Description of the properties and types of sets used in the model 38
3.3 Mathematical model of the water supply system 39
3.4 Mathematical model of the designed water supply network 41
3.5 Water flow continuity equation 43
3.6 Equation of water balance in tanks 44
3.7 Establishment of pressure loss in pipes, under the condition of optimal operation of tanks on the water supply system 44
3.8 The objective function of water supply network optimization 55
3.9 Limitations in optimizing the water supply network 58
3.10 Bringing distributed water consumption to network nodes of a water distribution system 60
3.11 Determination of rational parameters of a water distribution system 61
3.12 Determination of the parameters of water distribution system during the reconstruction of the existing water supply network 62
3.13 Mathematical model for optimizing the reconstruction of a water supply system 63
CHAPTER 4 : Result and Discussion 66
4.1 Assessment reliability of the results 66
4.2 Task 1 (Hydraulic calculation of a single-ring water supply network) 66
4.3 Task 2 (Hydraulic calculation of a multi-ring water supply network in simulation mode) 68
4.4 Task 3 (Test water supply network) 70
4.4.1 Water Demand 71
4.4.2 Parameters for Hydraulic Design 72
4.5 Design procedure 73
4.6 The structure of the software package and the model interface 83
4.6.1 Structure of the water supply optimization system 83
4.6.2 Optimization system control module 84
4.6.3 Graphical editor 84
4.7 Graphical editor input and output files 90
4.7.1 GDX file 90
4.7.2 Text file 90
4.8 EXCEL file 93
4.9 Water supply system indicators (pipe lengths, pipe diameters) 99
4.10 EXCEL file exists 100
CHAPTER 5 : Conclusion 109
CHAPTER 6 : References 112
CHAPTER 7 : Appendix 118
7.1 Diagram of the water supply network of a real settlement 118
7.2 Comparison of water flow rates in a real existing water supply network performed according to existing methods and using an optimization model in simulation mode 119
7.3 Comparison of the values of water consumption in the real existing water supply network performed according to existing methods and using the optimization model in the optimization mode 124
7.4 Compilation of pipe diameter in the real and optimal conditions in meters 129
7.5 Pressure in the nodes of the water supply network before connecting a new user and after connecting and reconstructing the network 13
Beitrag zur Entwicklung eines spülungsgetriebenen ölhydraulischen Bohrhammers für Tiefbohrungen in Hartgestein
Full text linkDas Abteufen von Tiefbohrungen in hochfesten und abrasiven Gesteinen ist mit marktüblichen Drehbohrwerkzeugen verhältnismäßig langsam und kostenintensiv. Als vielversprechend gelten drehschlagende Bohrverfahren. Existierende Imlochbohrhämmer sind jedoch nicht mit konventionellen feststoffhaltigen Bohrspülungen kompatibel. Eine mögliche Lösung stellt ein indirekter Antrieb des Schlagwerks mithilfe eines abgeschlossenen Ölkreislaufs dar. Im Rahmen der Arbeit wurde der Laborprototyp eines ölhydraulisch angetriebenen Bohrhammers hergestellt und in Form von übertägigen Schlag- und Bohrversuchen auf einem Versuchsstand erprobt. Die Schlagversuche deuten auf Mängel in der verwendeten Ventiltechnik hin. Bei den Bohrversuchen mit 12 ¼ Zoll (311 mm) Bohrmeißeldurchmesser konnte dennoch eine gesteinszerstörende Wirkung festgestellt werden. Außerdem wurde eine Parameterstudie mithilfe numerischer Simulation durchgeführt. Diese zeigt das Potenzial des Schlagwerks unter idealisierten Bedingungen und gibt Hinweise für die Weiterentwicklung
Stakeholdermanagement aus Sicht des Markscheiders – Außenpolitik eines Bergbaubetriebes
Full text linkAm Beispiel des Kavernenfeldes Epe, das mit seinen aktuell 76 Erdgaskavernen einen Anteil von 15% an den gesamtdeutschen Untergrundgasspeichern hat, soll gezeigt werden, wie das Markscheidewesen helfen kann, die „licence to operate“ bestehender Betriebe zu erhalten und den Genehmigungsprozess von Neuprojekten zu unterstützen.
Bergbau ist nahezu immer mit Bodenbewegungen verbunden, der Betrieb von Salzkavernen zur Solegewinnung und Untergrundspeicherung macht hier keine Ausnahme. Naturgemäß ist das Interesse an den Auswirkungen der bereits eingetretenen sowie den noch zu erwartenden Bewegungen groß, sowohl bei Anwohnern wie auch den betroffenen Kommunen. In Epe helfen bei der Beantwortung dieser Fragestellungen die Erfahrungen aus 50 Jahren markscheiderischen Messungen an der Oberfläche (v.a. Nivellement, zunehmend auch GNSS/GPS und Radarinterferometrie) und im Untergrund (Hohlraumvermessungen der Kavernen). Neben den standortspezifischen Gegebenheiten wie Teufe und Salzgeologie ist bei Kavernen die Bedeutung der jeweiligen Nutzung entscheidend für das Senkungsgeschehen.
Dabei liegt die größte Herausforderung in der mittel- bis langfristigen Antizipation des zukünftigen Kavernenbetriebs, da die Liberalisierung des Energiemarktes Mitte der 2000er Jahre zu einer sich mehr an betriebswirtschaftlichen Vorgaben orientierenden Fahrweise der Gasspeicher führte. Seitdem variiert die jährliche Konvergenz (Hohlraumverlust) der Gaskavernen stark, mit in der Folge ebenso veränderlichen Senkungsbeträgen an der Oberfläche.
Die Annahme wahrscheinlicher Szenarien zum zukünftigen Betriebsgeschehen erlaubt trotz alledem verlässliche Senkungsprognosen, basierend auf dem etablierten analytischen Berechnungsmodell nach Sroka/Schober. Informationen zu verschiedenen Messmethoden (neben den markscheiderischen sind hier z.B. Beobachtungen des Grundwasserspiegels zu nennen), ihrer Ergebnisse und deren Bewertung sowie die Präsentation der Senkungsprognosen erfolgten in Epe bei mehreren Öffentlichkeitsterminen in den vergangenen Jahren.
Essentiell war dabei der Rückgriff auf markscheiderisches Wissen, um die Informationen korrekt und verständlich zu transportieren. Bei mittlerweile fast 1 m Senkung im Kavernenfeld Epe und sich neu anbahnenden Nutzungskonzepten wie Wasserstoff- und Druckluftspeicherung ist eine erfolgreiche Kommunikation elementar, um ein gegenseitiges Vertrauen und Verständnis für unternehmerische Ziele einerseits sowie den Sorgen der Bevölkerung andererseits zu entwickeln. Im Folgenden soll das Senkungs- und Umweltmonitoring im Kavernenfeld Epe im Detail vorgestellt werden, ergänzt um die Erfahrungen in der Vermittlung dieser Ergebnisse
Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration - ein Beitrag zu Zero Defekt Materials: Abschlussbericht DFG Sonderforschungsbereich SFB 920
Full text linkDie Sicherheit von Straßen-, Schienenfahrzeugen sowie von Flugzeugen erfordert hochbelastbare Bauteile aus Stahl, Eisen, Aluminium und Magnesium. Während des Herstellungsprozesses können Verunreinigungen in der Metallschmelze auftreten, die zu Defekten in Form von Einschlüssen führen. Die Reduzierung oder Entfernung dieser Einschlüsse ist schwierig oder manchmal sogar unmöglich. Der Sonderforschungsbereich 920 „Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration – ein Beitrag zu Zero Defect Materials“ konzentrierte sich auf die Erforschung einer neuen Generation von Metallqualitäten – auch beim Recycling – durch Schmelzefiltration mit überlegenen mechanischen Eigenschaften für höchstbeanspruchbare Komponenten in Sicherheits- und Leichtbaukonstruktionen. Der SFB 920 wurde von 2011 bis 2023 an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert (Projektnummer 169148856 – SFB 920) und nach 12 Jahren intensiver Forschungsarbeit erfolgreich beendet. Der Abschlussbericht des SFB 920 fasst die wichtigsten Publikationen und ausgewählte Ergebnisse zusammen.:1 Zusammenfassung / Summary 1
2 Die 50 wichtigsten veröffentlichten Ergebnisse 2
2.1 Publikationen mit wissenschaftlichen Qualitätssicherung 2
2.2 Weitere Publikationen und öffentlich gemachte Ergebnisse 4
3 Übersicht der Teilprojekte 5
4 Wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereichs 7
4.1 Einleitung, Vision und Thesen 7
4.2 Ausgewählte Ergebnisse 8
4.2.1 „Stahlschmelze-Filtration“ 8
4.2.2 „Aluminiumschmelze-Filtration“ 16
4.2.3 „Magnesiumschmelzefiltration“ 17
4.2.4 Beiträge der Simulation 18
4.2.5 Harz- und pechfreies Bindemittel für umweltfreundliche, reaktive Filter 20
4.2.6 Generatives Hybrid-Flammspritzverfahren 20
4.2.7 Transferprojekte 21
4.2.8 Zusammenfassende Bemerkungen 22
4.2.9 Management der Forschungsdaten 24
4.2.10 Literatur 24
4.3 Wissenschaftliche Veranstaltungen und Wissenschaftskommunikation 26
4.4 Nationale und internationale Kooperationen 28
5 Schwerpunktbildung und internationale Sichtbarkeit 31The safety of road and railway vehicles as well as aircrafts requires highly stressable components made of steel, iron, aluminum and magnesium. During the production process, contaminations can occur in the metal melt, which lead to defects in the form of inclusions. Reducing or removing these inclusions is difficult or sometimes impossible. The Collaborative Research Center 920 “Multi-functional filters for metal melt filtration – a contribution towards zero defect materials” focussed on research into a new generation of metal qualities - also during recycling - via melt filtration with superior mechanical properties for use in high-demand construction materials and light-weight structures. The CRC 920 was funded by the German Research Foundation (DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft) from 2011 to 2023 at the Technische Universität Bergakademie Freiberg (Project-ID 169148856 – SFB 920) and was successfully completed after 12 years of intensive research work. The final report of the CRC 920 presents the most important publications and selected results.:1 Zusammenfassung / Summary 1
2 Die 50 wichtigsten veröffentlichten Ergebnisse 2
2.1 Publikationen mit wissenschaftlichen Qualitätssicherung 2
2.2 Weitere Publikationen und öffentlich gemachte Ergebnisse 4
3 Übersicht der Teilprojekte 5
4 Wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereichs 7
4.1 Einleitung, Vision und Thesen 7
4.2 Ausgewählte Ergebnisse 8
4.2.1 „Stahlschmelze-Filtration“ 8
4.2.2 „Aluminiumschmelze-Filtration“ 16
4.2.3 „Magnesiumschmelzefiltration“ 17
4.2.4 Beiträge der Simulation 18
4.2.5 Harz- und pechfreies Bindemittel für umweltfreundliche, reaktive Filter 20
4.2.6 Generatives Hybrid-Flammspritzverfahren 20
4.2.7 Transferprojekte 21
4.2.8 Zusammenfassende Bemerkungen 22
4.2.9 Management der Forschungsdaten 24
4.2.10 Literatur 24
4.3 Wissenschaftliche Veranstaltungen und Wissenschaftskommunikation 26
4.4 Nationale und internationale Kooperationen 28
5 Schwerpunktbildung und internationale Sichtbarkeit 3