Universität der Bundeswehr München: AtheneForschung
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Thermo-Liquid Crystal (TLC) Thermography and Astigmatism Particle Tracking Velocimetry (APTV) for the simultaneous time-resolved 3D measurements of microscopic temperature and velocity flow fields
Get PDFThe ever accelerating state of technology has powered an increasing interest in heat transfer solutions and process engineering innovations in the microfluidics domain, many of which require reliable temperature flow diagnostic techniques. Thermo-liquid crystal (TLC) thermography has been a widely accepted and commonly used technique for the measurement of temperature fields in macroscopic flows. Furthermore, its combination with optical velocimetry techniques, such as Particle Image Velocimetry (PIV), has provided a means to simultaneously characterize macroscopic two-dimensional (2D) temperature and velocity flow fields. Unfortunately, however, the state of technology has not allowed for this task to be carried out in microscopic flows. Low seeding density, volume illumination, and low TLC particle image quality at high magnifications present unsurpassed challenges to its application to three-dimensional flows with microscopic dimensions. In the following chapters, a combination of cutting edge technology is presented as a means to accomplish precisely this objective: to simultaneously measure time-resolved 3D temperature and velocity fields in microscopic flows where multi-camera methods and light sheets are not possible. The process of achieving this goal happened in three phases: 1. TLC thermography had to be improved and adapted to the point where the temperature of individual particles could be evaluated and tracked over time. An emulsion of TLC micro spheres (with a narrow size distribution and no encapsulation) was manufactured to improve the image quality of TLC particles and a multi-variable calibration approach, applied to a mathematically optimal variable space, was developed to improve the estimation of temperature from color information. 2. Astigmatism Particle Tracking Velocimetry (APTV) was developed to precisely locate particles in a flow volume and track their displacement in three dimensions (3D). 3. The the signal-to-noise ratio (SNR) of TLC images had to be improved enough for the application of defocusing techniques, such as APTV, which encode the third component of the particles’ position in their images’ geometry. A state-of-the-art balanced light source which combines the light spectrum of multiple light pipes was used instead of the conventional high power flash lamps and a circular polarization filter was designed to exploit the optical properties of chiral nematic polymers. This combination made it possible to boost the SNR just enough for the combination of TLC thermography and APTV to work. Finally, a proof-of-concept experiment was performed in a simple microscopic flow example, and the 3D displacement of TLC particles was tracked simultaneously with their temperature. More complex applications were not possible due to current technological hardware limitations but the capability and potential of the measurement technique was clearly demonstrated.Der ständig andauernde technische Fortschritt führt im Bereich der Mikroströmung zu einer steigenden Nachfrage von Wärmetransportlösungen und Prozessoptimierungen, die zuverlässige Messmethoden für Temperatur und Strömungsfeld erfordern. Thermoliquid crystal (TLC)-Thermographie ist eine weithin akzeptierte und häufig verwendete Technik zur Messung von Temperaturfeldern in makroskopischen Strömungen. In Kombination mit optischer Geschwindigkeitsmesstechnik, wie Particle Image Velocimetry (PIV), kann gleichzeitig sowohl die Temperatur als auch die Strömungsgeschwindigkeit für makroskopische zweidimensionale (2D) Strömungsfelder bestimmt werden. Leider erlaubt der Stand der Technik aber nicht, dass diese Methode auf mikroskopische Strömungen übertragen werden kann. Niedrige Partikeldichte, Volumenbeleuchtung und die schlechte Qualität der TLC-Partikelbilder bei großen Vergrößerungen führen zu unüberwindbaren Herausforderungen bei der Anwendung auf dreidimensionale Strömungen mit mikroskopischen Dimensionen. In den folgenden Kapiteln wird eine Kombination verschiedener Neuentwicklungen vorgestellt, die sich genau diesen Herausforderungen stellt: Das 3D-Temperaturfeld sowie das Geschwindigkeitsfeld einer Mikroströmung sollen zeitaufgelöst vermessen werden, ohne auf Mehrkamerasysteme oder Lichtschnittverfahren aus der makroskopischen Strömungsmesstechnik zurückgreifen zu können. Dieses Ziel wurde in drei Phasen erreicht: 1. TLC Thermographie musste optimiert und angepasst werden, so dass die Temperatur der einzelnen Partikel ausgewertet und über die Zeit verfolgt werden konnte. Eine Lösung von TLCMikro-Partikeln (mit einer engen Größenverteilung und ohne Verkapselung) wurde benutzt, um die Bildqualität der TLC Partikel zu verbessern. Durch eine mehrdimensionale Kalibrierung eines optimierten Parameterraums war es möglich, die Temperaturbestimmung aus der Farbinformation zu verbessern. 2. Astigmatismus Particle Tracking Velocimetry (APTV) wurde entwickelt, um die Partikel im Strömungsvolumen genau zu lokalisieren und deren Bewegung in drei Dimensionen (3D) zu folgen. 3. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) der TLC-Partikelbilder musste soweit verbessert werden, dass es für defokussierende Methode, wie APTV, anwendbar ist, da sich die dritte Raumkoordinate in der Form der Partikelbilder verbirgt. Anstelle einer einzelnen konventionellen Hochleistungsblitzlampe wurden die Spektren verschiedener geregelter Lichtquellen über Lichtwellenleiter kombiniert. Mittels eines zirkularen Polarisationsfilters konnten die optischen Eigenschaften der chiralen nematischen Polymere ausgewertet werden. Diese Kombination machte es möglich, das Signalzu-
Rausch-Verhältnis gerade so weit zu steigern, dass die gleichzeitige Anwendung von TLC-Thermografie und APTV möglich war. Somit konnte schließlich ein Demonstrationsexperiment am Beispiel einer einfachen mikroskopischen Strömung durchgeführt werden. Die 3D-Verschiebung der TLC-Partikel wurde dabei gleichzeitig mit ihrer Temperatur verfolgt. Komplexere Anwendungen waren aufgrund der aktuellen technologischen Hardware-Einschränkungen noch nicht möglich. Dennoch konnten die Fähigkeit und das Potenzial der Messtechnik demonstriert werden
Zum hydraulischen Grundbruch an Baugrubenumschließungen bei luftseitiger Sicherung durch einen Auflastfilter in nichtbindigen Böden
Get PDFNumerische Untersuchungen zum hydraulischen Grundbruch bei geringen Einbindetiefen und luftseitiger Sicherung durch einen Auflastfilter haben gezeigt, dass die herkömmlichen Nachweise nach DIN EN 1997-1:2009-09 (Eurocode 7) und DIN 1054:2010-12 bzw. nach EAU für geringe Einbindetiefen und bei luftseitiger Sicherung durch einen Auflastfilter auf der unsicheren Seite liegen können. Es wurde daher von Odenwald und Herten anhand numerischer Simulationen ein erweiterter Berechnungsansatz erarbeitet, welcher die vertikalen Strömungskräfte unterhalb des Fußes der Baugrubenumschließung berücksichtigt. Der Ersatzkörper, welcher beim erweiterten Berechnungsansatz zur Anwendung kommt, entspricht einem Stromfaden der bis unterhalb des Wandfußes reicht. Reibungskräfte werden keine berücksichtigt. Die Berechnungen auf der Grundlage dieses erweiterten Ansatzes ergeben jedoch unerwartete Ergebnisse, da eine gewisse Einbindetiefe der Baugrubenwand, welche größer null ist, den ungünstigsten Fall darstellt. Mittels weiterführenden Untersuchungen wird analysiert, ob es tatsächlich durch eine Reduktion der Einbindetiefe zu einer Erhöhung der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch kommen kann. Weiterhin wird untersucht, inwiefern der erweiterte Berechnungsansatz aufgrund der getroffenen Vereinfachungen von den tatsächlichen Verhältnissen abweicht und welchen Einfluss diese Vereinfachungen auf den Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch haben.
Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Versagen vertikal durchströmter Bodensäulen in einem Zylinder zeigen, dass sich in einer mit einem Auflastfilter belasteten Sandsäule ein Gewölbe ausbildet. Dies setzt die Übertragung von Reibungskräften zwischen Zylinderwand und Versuchssand bzw. Auflastfilter voraus. Die Größe der zusätzlich zum Eigengewicht wirkenden rückhaltenden Kräfte sind von der Lagerungsdichte des Versuchsbodens und der Dicke des Auflastfilters abhängig. Versuche zum hydraulischen Grundbruch bei luftseitiger Sicherung durch einen Auflastfilter zeigen des Weiteren, dass die Bruchkörperform beim hydraulischen Grundbruch sowohl von der Dicke des Auflastfilters als auch von der Einbindetiefe der Wand abhängig ist. Weiterhin bestätigen die mittels der Versuche bestimmten kritischen Potentialdifferenzen die Untersuchungsergebnisse von Odenwald und Herten hinsichtlich des Verlaufs der Bruchkurve. Auf Grundlage der Ergebnisse aus den theoretischen und experimentellen Untersuchungen wird ein modifiziertes Verfahren zum Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch vorgestellt. Die Form und Größe des modifizierten Ersatzkörpers ist von der Einbindetiefe der Wand und der Dicke des Auflastfilters abhängig und passt sich gut an die bei den Versuchen gemessene Bruchkörperform an. Weiterhin erlaubt das modifizierte Nachweiseverfahren den Ansatz der im Boden und im Auflastfilter wirkenden Reibungskräfte. Erste Verifizierungen anhand der Versuchsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung.Numerical investigations of seepage failure at walls with a small embedded depth and a surcharge filter on the excavation side of the wall have shown that the traditional proof of seepage failure according to DIN EN 1997-1:2009-09 (Eurocode 7) and DIN 1054:2010-12 or to EAU can be on the unsafe side. For this reason, by means of numerical simulations an extended calculation approach was developed by Odenwald and Herten. The extended calculation approach takes into account the vertical flow forces below the toe of the retaining wall. The critical prism which is used in the advanced calculation method corresponds to a current thread which reaches below the wall toe. Friction forces are not taken into account. However, the calculation results based on this extended approach show unforeseen results. Hence a certain embedment depth of the pit wall, which is greater than zero, representing the worst case. By means of further studies it is investigated whether it can actually be that the safety against seepage failure increase by reducing the embedment depth. Furthermore, the influences of the simplifications due to the shape of the critical prism are investigated. Theoretical and experimental investigations on the failure of vertical flow in a soil column show that forms an arch in a loaded sand column. This requires the transfer of frictional forces between cylinder wall and sand or between cylinder wall and surcharge filter. The sizes of the frictional forces depend on the relative density of the soil and the thickness of the surcharge filter. Furthermore, seepage failure experiments with a surcharge filter on the excavation side of the wall show that the collapse body shape dependents on the thickness of the surcharge filter and the embedded depth of the wall. Furthermore, the critical potential differences determined by the experiments confirm the findings by Odenwald and Herten. Based on the results of the theoretical and experimental investigations, a modified method is presented to proof the safety against hydraulic heave. The shape and size of the modified theoretical collapse body depends on the embedment depth of the wall and the thickness of the surcharge filter and adapts well to collapse body measured in the experiments. Furthermore, the modified method of proof allows taking the friction forces in the sand and the surcharge filter into account. First verification based on the experimental results show good agreement
Statische und dynamische Magnetfelder für die Nanopartikel-basierte zielgerichtete Wirkstofffreisetzung
Get PDFAlthough medicine has made great progress in the last centuries and decades, it is still facing basic challenges that make doctors fail to efficiently and successfully treat the continuously emerging diseases and ailments due to ageing, industrialization, pollution and resulting biological mutations. In this context, the systemic chemotherapeutic treatment of cancer seems to be one of the most fitting examples for the wide gap between the usually followed medical approach and the theoretically optimal solution. Extrapolating from in vitro experiments and mouse models to humans, treating children as “miniaturized” adults when analyzing therapeutic effects, estimating drug doses based on relatively coarse processes like up scaling on weight, volume or area, and flooding the human body with drugs to solely achieve a minimal effect at the ailment site are just few examples for improvement needs in medical methods. One of the most promising approaches intended to bring more specificity and precision into the therapeutic toolbox is the directed delivery of drugs, already prophesized and described one hundred years ago by the German immunologist and Nobel Laureate in Medicine (1908) Paul Ehrlich (1854-1915) as the “magic bullet” principle. It is a visionary medical method in which active agents -such as drugs or antibodies- are guided within the human body and brought to bind directly and exclusively to their biological target. This approach was triggered and has been remarkably promoted by the introduction and continuous development of nano-sized medical systems since the 1950s, and is expected to experience a real breakthrough by the clinical validation of the so called “Magnetic Drug Targeting”. According to this technique, magnetically active nanoparticles are coated with a therapeutically active biomaterial and guided through external magnetic fields in the natural transport pathways of the body, then retained and concentrated at target sites where the biologically active load is set free. The delivered dose is augmented, side effects are lowered and the overall therapeutic efficiency is enhanced. Especially for cancer treatment, the magnetically guided drug delivery represents a huge potential. In fact, conventional chemotherapy methods are used systemically and succeed in best cases in delivering only a fractional amount of the drug to the target sites, while the rest is absorbed by the healthy tissue of the treated body. This is so inefficient that dose levels of about 50 to 100-fold those of conventional doses need to be administered to achieve cures of cancer cells (T. A. Connors 1995). As a result, blood filtering and trafficking organs, such as the liver, the kidneys, the spleen and most importantly the heart, are the direct victims of the highly toxic substances used in chemotherapy. Even the apparently more gentle approach of applying the maximum tolerated dose at defined intervals -in order to avoid toxicity- can unintentionally lead to a chemoresistance of the tumor (C. Damyanov 2009). These shortcomings of the chemical therapy further aggravate the fact that cancer is still the worldwide deadliest disease, with an upward trend. For instance, around 25 % of all registered death cases in the European Union are reported by the World Health Organization to be caused by tumors. Despite the development of advanced anti-cancer medicine, it still remains a difficult challenge to keep costs at an affordable level. For that reason, new and more efficient cancer treatment methods with higher success rates and lower side effects and costs are urgently needed and would help physicians cope with an ever ageing world population. In this work, we report improvements achieved in the understanding and control of the magnetically targeted drug delivery, mainly realized by the consideration of time issues and the investigation of dynamic magnetic fields. New approaches to assess the magnetic behavior of nanoparticles in suspensions as well as an advanced examination of the lung drug targeting and the mechanisms of cellular drug uptake after successful localized delivery represent the major achievements compiled in this manuscript. The registered improvements are an important contribution to the further development of the idea of directed therapies promoted by the emerging nanomedicine. This modern medicine is expected to provide techniques that can act on a cellular and even sub-cellular level, treating ailments with considerably more accuracy. Gradually, modern diagnostic and therapeutic techniques should elevate us slowly to the point where we can start thinking more in terms of real “regenerative” medicine. That means, we should be able to precisely and directly address pathologic tissues, save cells and organs, repair and heal them, rather than extinguish them.Mehr als hundert Jahre nach dem Tod von Paul Ehrlich, dem bedeutendsten deutschen Immunologen, verfolgt die "Nachwelt" noch mit großen Schritten eine seiner wichtigsten Visionen, die er während seiner Arbeiten zur Behandlung der Syphilis entwickelte: eine „Zauberkugel“ (magic bullet), die einen gegebenen krankmachenden Erreger gezielt abtöten kann. Ganz nach diesem noch -mehr denn je- aktuellen Prinzip, entwickeln Forscher heutzutage weltweit neue Methoden, um nicht nur Krankheitserreger, sondern auch befallene Gewebe, spezifisch zu behandeln. In den letzten Jahren entwickelte sich dadurch die Medizin von der konventionellen Anwendung, über die personalisierte Behandlung, wo die genetische Information eines jeden Patienten präventiv untersucht werden kann und die Ergebnisse zur Auswahl und Anpassung der Therapie-Art herangezogen werden, bis hin zur "Nanomedizin", einer neuen Ära der Arzneimittel-Konzipierung, -Synthese, -Dosierung und -Verabreichung, die Therapien auf zellulärer und sub-zellulärer Ebene ermöglichen sollte. Mediziner sind heutzutage weit entfernt von der Darstellung von Christian Friedrich Hebbel (18.03.1813 - 13.12.1863), dass "ein Arzt eine Aufgabe hat, als ob ein Mensch in einem dunklen Zimmer in einem Buche lesen sollte". Sie sind in der Lage, durch die Integration der Nanotechnologie im biomedizinischen Bereich, Gewebe und Zellen, die durchschnittliche Dimensionen von 10 µm haben, mit Nanosystemen im Submikrometer-Bereich zu adressieren und gezielt zu behandeln. In diesem Rahmen präsentiert sich das Magnetic Drug Targeting (MDT) als besonders wirksamer Therapie-Ansatz. Dabei werden Wirkstoff-beladene magnetische Nanopartikel über externe Magnetfelder im Körper geführt und an einem gegebenen Krankheitsort lokal angereichert. Die verabreichte Wirkdosis wird dadurch erhöht, Nebeneffekte minimiert. Besonders in der Krebsbekämpfung verspricht dieser Ansatz hohe Erfolgsquoten und eine Reduzierung der ohnehin enormen Chemo- und Radiotherapie-Kosten, die meistens einen bremsenden Effekt auf die Entwicklung und Verbreitung zahlreicher Behandlungsmethoden haben. An dieser Stelle sei daran erinnert, dass Krebs nach wie vor die weltweit wichtigste Todesursache ist, an der schätzungsweise 11.5 Millionen Weltbewohner im Jahre 2030 sterben werden, was einem Anstieg von 45% zum Jahre 2007 darstellt. Die zielgerichtete Arzneimittel-Applikation, zu Englisch "Directed Drug Delivery", soll hierfür Lösungen anbieten, die Tumore spezifisch angreifen und ausschalten können. Durch eine magnetische Lenkung und Anreicherung wird dieses Verfahren weiter optimiert. Die somit entstehende MDT-Methode eignet sich für Anwendungen in der Blutbahn, sowie in den Atemwegen von Patienten, mit entsprechenden Anpassungen. Entscheidend ist hierbei vor Allem das eingesetzte Magnetfeld, in Bezug auf Amplitude, Homogenität und Dynamik. In zahlreichen wissenschaftlichen Arbeiten, wurden bisher Erfolg versprechende Ergebnisse präsentiert, die überwiegend durch die Manipulation und Aufkonzentrierung von Nanopartikel-Wirkstoff-Komplexen mit statischen Magnetfeldern realisiert wurden. Eine hierzu komplementäre Betrachtung mit dynamischen Magnetfeldern wird in dieser Arbeit untersucht.
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden Ansätze mit statischen und dynamischen Magnetfeldern zur Verbesserung des Magnetic Drug Targeting theoretisch überprüft, simulativ validiert und systemtechnisch umgesetzt. Nach einer ausführlichen Untersuchung der Nanopartikel-Eigenschaften, die den MDT-Effekt überhaupt ermöglichen und besonders beeinflussen, wurde der Anreicherungsprozess unter Magnetkraftwirkung modelliert und ein für Anwendungen in der Blutbahn optimiertes Magnetsystem simuliert, konstruiert und bei in-vivo-Versuchen eingesetzt. Dadurch konnte eine aktive und vor Allem reproduzierbare Retention von beladenen Nanopartikel-Komplexen in den Arterien und Venen der Rückenhaut einer Maus verzeichnet werden
Characterization of a turbulent separating/ reattaching flow using optical pressure and velocity measurements
Get PDFThe turbulent wake flow behind a generic spacecraft was investigated experimentally in the trisonic wind tunnel Munich at subsonic Mach numbers M = [0.3; 0.7]. The flow/ structure interaction which raised critical safety aspects on the real spacecraft in the past was studied. The characterization of the coherent flow structures was performed by means of transient optical and classical measurement techniques. The topology and dynamics of the wake flow and the pressure field were investigated with the 2C2D-PIV and the instationary PSP. The reattachment position as well as the local dynamic behavior of strong flow structures were successfully characterized and the presence of dominant vortex shedding at expected frequencies around f ≈ [400; 900] Hz was confirmed. It was the first time that the fluid/ structure interaction and the position of strongest stresses could be characterized experimentally with very high spatial and temporal resolution. A PSP system had to be established in order to perform the desired experiments. Therefore, basic components (e.g. calibration chamber, excitation, evaluation tool) had to be developed and the performance of the entire system had to be validated
A Concept for a Trustworthy Integration of Smartphones in Business Environments
Get PDFSmartphones are commonly used within business environments nowadays. They provide sophisticated communicational means which go far beyond simple telephone capabilities. Email access and particular apps on the device are examples of their versatile abilities. While these features allow them to be used in a very flexible way, e.g. in different infrastructures, they impose new threats to their surrounding infrastructure. For example, if used in an environment which allows the installation of custom apps, malicious software may be placed on the device. In order to mitigate these threats, a detailed awareness combined with the possibility to enforce certain constraints on such devices need to be established. In detail, it is necessary to include such devices into a decision making process which decides about the policy compliance of such devices. The policy used in this process defines the rules which apply to the particular infrastructure, e.g. if custom apps are allowed or if a specific software version may not be allowed. However, even when relying on this process, there is one limitation as it does not include a trust-based evaluation. This leads to the problem that a malicious smartphone might compromise the information used for the decision making process which should determine the policy compliance of this device. This renders the overall approach ineffective as the decision wether a device is policy compliant or not may be false. Given that, the thesis presented here provides means to evaluate the trustworthiness of such information to allow a trustworthy decision making about the policy compliance. It therefore introduces two things: (1) a generic trust model for such environments and (2) a domain-specific extension called Trustworthy Context-related Signature and Anomaly Detection system for Smartphones (TCADS). The trust model (1) allows to specify, to calculate and to evaluate trust for the information used by the decision making process. More in detail, the trust founding process of (1) is done by introducing so-called security properties which allow to rate the trustworthiness of certain aspects. The trust model does not limit these aspects to a particular type. That is, device-specific aspects like the number of installed apps or the current version of the operating system may be used as well as device independent aspects like communicational parameters. The security properties defined in (1) are then used to calculate an overall trust level, which provides an evaluable representation of trust for the information used by the decision making process. The domain-specific extension (2) uses the trust model and provides a deployable trust-aware decision making solution for smartphone environments. The resulting system, TCADS, allows not only to consider trust within the decisions about the policy compliance but also enables to base the decisions solely on the trust itself. Besides the theoretical specification of the trust model (1) and the domain-specific extension (2), a proof of concept implementation is given. This implementation leverages both, the abilities of the generic trust model (1) as well as the abilities of the TCADS system (2), thus providing a deployable set of programs. Using this proof of concept implementation, an assessment shows the benefits of the proposed concept and its practical relevance. A conclusion and an outlook to future work extending this approach is given at the end of this thesis.Smartphones sind in heutigen Unternehmensnetzen mittlerweile nicht mehr wegzudenken. Über einfache Telefonie-basierte Fähigkeiten hinaus bieten sie Eigenschaften wie zum Beispiel Email-Zugriff oder hohe Anpassbarkeit auf Basis von Apps. Obwohl diese Funktionalitäten eine vielseitige Nutzung solcher Smartphones erlauben, stellen sie gleichzeitig eine neuartige Bedrohung für die umgebende Infrastruktur dar. Erlaubt eine spezifische Umgebung beispielsweise die Installation von eigenen Apps auf dem Smartphone, so ist es über diesen Weg möglich, Schadprogramme auf dem Gerät zu platzieren. Um diesen Bedrohungen entgegenzuwirken, ist es zum einen nötig Smartphones in der jeweiligen Umgebung zu erkennen und zum anderen, Richtlinien auf den jeweiligen Geräten durchsetzen zu können. Die durchzusetzenden Richtlinien legen fest, welche Einschränkungen für die jeweilige Umgebung gelten, z.B. die Erlaubnis zur Installation von eigenen Apps oder die Benutzung einer bestimmten Softwareversion. Aber auch wenn eine entsprechende Lösung zur Einbeziehung von Smartphones in die Infrastruktur verwendet wird, bleibt ein Problem ungelöst: die Betrachtung der Vertrauenswürdigkeit von durch das Smartphone bereitgestellten Informationen. Diese Einschränkung führt zu dem Problem, dass ein entsprechend kompromittiertes Smartphone die Informationen, welche zur Entscheidungsfindung über die Richtlinienkonformität des Gerätes verwendet werden, in einer Art und Weise ändert, welche den gesamten Entscheidungsprozess ineffizient und somit wirkungslos macht. Die hier vorliegende Arbeit stellt daher einen neuen Ansatz vor um einen vertrauenswürdigen Entscheidungsprozess zur Regelkonformität des Gerätes zu ermöglichen. Im Detail werden dazu zwei Ansätze vorgestellt: (1) Ein generisches Modell für Vertrauensürdigkeit sowie eine (2) domänenspezifische Abbildung dieses Modells, welches als Trustworthy Context-related Signature and Anomaly Detection system for Smartphones (TCADS) bezeichnet wird. Das Modell für Vertrauenswürdigkeit (1) erlaubt die Definition, Berechnung und Auswertung von Vetrauenswürdigkeit für Informationen welche im Entscheidungsprozess verwendet werden. Im Detail basiert die Vertrauenswürdigkeitsbestimmung auf Grundfaktoren für Vertrauen, den sogenannten Sicherheitseigenschaften. Diese Eigenschaften bewerten die Vertrauenswürdigkeit anhand von bestimmten Aspekten die entweder gerätespezifisch und Geräteunabhängig sein können. Basierend auf dieser Bewertung wird dann eine Gesamtvertrauenswürdigkeit, der sogenannte Trust Level berechnet. Dieser Trust Level erlaubt die Berücksichtigung der Vertrauenswürdigkeit bei der Entscheidungsfindung. Teil (2) der Lösung stellt, basierend auf dem Modell der Vertrauenswürdigkeit, ein System zur vertrauensbasierten Entscheidungsfindung in Smartphone Umgebungen bereit. Mit diesem System, TCADS, ist es nicht nur möglich, Entscheidungen auf ihre Korrektheit bezüglich der Vertrauenswürdigkeit zu prüfen, sondern auch Entscheidungen komplett auf Basis der Vertrauenswürdigkeit zu fällen. Neben dem allgemeingültigen Modell (1) und dem daraus resultierenden domänenspezifischen System (2), stellt die Arbeit außerdem einen Tragfähigkeitsnachweis in Form einer Referenzimplementierung bereit. Diese Implementierung nutzt sowohl Fähigkeiten des Modells der Vertrauenswürdigkeit (1) als auch des TCADS Systems (2) und stellt ein nutzbares Set von Programmen bereit. Eine Evaluierung basierend auf diesem Tragfähigkeitsnachweis zeigt die Vorteile und die Praktikabilität der vorgestellten Ansätze. Abschließend findet sich eine Zusammenfassung der Arbeit sowie ein Ausblick auf weiterführende Fragestellungen
Förderung von Aufmerksamkeit und Gesundheit durch ein definiertes Bewegungs- und Entspannungsprogramm für höhere Jahrgangsstufen der Hauptschule
Get PDFAusgehend von der unbefriedigenden Situation des nahezu bewegungslosen Schulalltags eines Jugendlichen hat die Verfasserin ein eigenes Bewegungs- und Entspannungsprogramm für die Hauptschule (jetzt Mittelschule) entwickelt. Im Fokus stand neben der Förderung von Aufmerksamkeit und Gesundheit auch die Beobachtung der Auswirkungen auf den Schulalltag sowie deren mögliche Übertragbarkeit. Die vier, auf Grundlage langjähriger praktischer Erfahrung entwickelten Module (A bis D), berücksichtigten ganz unterschiedliche Aspekte von Bewegung, Sport und Spiel - auch in der Art der Vermittlung. Nach Aufgabenstellung konzipierten die Schüler selbst kurze Trainingssequenzen aus den Bereichen Kraft, Flexibilität und Dehnfähigkeit (Einheit A) und setzten sich inhaltlich mit dem vorgegebenen Thema auseinander. Nach einer kurzen theoretischen Präsentation leiteten die Schüler den praktischen Teil selbst an. Die Teilnahme an der ‚Bewegungspause (Bewegte Pause)‘ (Einheit B) hingegen war freiwillig und verlief ohne Vorgaben. Die Einheiten Entspannung (C) und Ausdauersport (D) wurden von der Lehrperson (Verfasserin) instruiert. Die Bewegungs- und Entspannungssätze fanden über einen Zeitraum von eineinhalb Jahren stets am selben Tag zur gleichen Uhrzeit statt. Zahlreiche außerschulische sportliche Aktivitäten haben das Konzept ergänzt. Die beiden untersuchen Gruppen (Versuchs-/Kontrollklasse), bestehend aus jeweils 18 SchülerInnen, besuchten zu Versuchsbeginn die neunte Jahrgangsstufe einer bayerischen Hauptschule aus dem ländlichen Bereich. Die Verbesserung der Aufmerksamkeit, als eine wichtige Grundlage für schulischen Erfolg, wurde mit dem d2-Test erfasst und ausgewertet. Hierbei wies die Kontrollgruppe zu Beginn des Treatments einen signifikanten Vorsprung gegenüber der Versuchsgruppe auf. Nach Abschluss des Programms hatte die Versuchsgruppe die Kontrollgruppe leicht überholt. Jede Gruppe entwickelte sich in dem beobachteten Zeitraum hochsignifikant. Auch die Betrachtung der Entwicklung der körperlichen Leistungsfähigkeit erfolgte im Vergleich. Der durchgeführte Münchner-Fitnesstest zeigte in der Versuchsgruppe bei allen vier gemessenen Merkmalen einen signifikanten Zuwachs. Aber auch die Kontrollgruppe verbesserte sich in zwei Variablen, wobei das Niveau deutlich niedriger lag. Bei der Versuchsgruppe wurden zusätzlich die Auswirkungen des Programms auf den Schulalltag qualitativ mithilfe von Fragebögen und Einzelfallstudien verfolgt. Das Feedback der Schüler zum durchgeführten Bewegungs- und Entspannungsprogramm war sehr positiv. Die Einzelfallstudien belegen einen deutlich unterstützenden Einfluss auf den Schulalltag, insbesondere was Motivation und Arbeitsverhalten anbelangt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die meisten Module - ausgewählte Trainingseinheiten zu Kraft, Flexibilität oder Koordination, Bewegungspause (bewegte Pause), Entspannung - sich ohne größeren Aufwand auf vergleichbare Gruppen übertragen lassen. Das entwickelte Konzept wurde in einem linearen Forschungsprozess umgesetzt, und evaluiert. Eine mögliche Weiterentfaltung zu einer ‚Schule in Bewegung‘ wird als Teil einer kontinuierlichen Schulentwicklung angesehen. Nach Meinung der Verfasserin kann sich eine ‚Bewegte Schule‘ in einem lernenden Forschungsprozesse dann entwickeln, wenn die aktive Beteiligung möglichst groß ist und die äußeren Rahmenbedingungen gegeben sind
Study of the mechanical behaviour of adhesively bonded joints with interphase defects
Get PDFDas Leichtbaukonzept stellt an die Konstruktion von Strukturbauteilen hohe Herausforderungen. Die Verwendung von Klebung als leichte und universell einsetzbare Fügetechnologie nimmt hier eine Schlüsselposition ein. Jedoch ist es zwingend notwendig, das mechanische Verhalten dieser Technologie verstehen, bewerten und auch vorhersagen zu können. Hier steht, wie im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, mit der Bruchmechanik ein potenter Ansatz zur Verfügung. Unter Zuhilfenahme statistischer Methoden können die Eigenschaften von Klebeverbindungen realistisch charakterisiert werden.
Jedoch ist zu beachten, dass die Empfindlichkeit der verschiedenen Testmethoden auf variierende äußere Einflüsse unterschiedlich ist. Diese Empfindlichkeit muss sich natürlich auch in den Auslegungsfaktoren der Bauteile widerspiegeln.
Unter statischer Beanspruchung liegt Faktor 2 zwischen den Bruchkräften der optimal gefügten, also vollflächig gelaserten Verbindungen und solchen, bei denen nur eine Oberflächenreinigung stattgefunden hat. Unter Ermüdungsbedingungen vergrößert sich der Abstand der Kräfte für gleiche Bruchlastschwingspielzahlen, die aus den S-N-Kurven ermittelt wurden, auf Faktor 3. Um einen für statistische Auswertungen signifikanten Stichprobenumfang zu erhalten, können die Wöhlerdaten der jeweiligen Laseraktivierungsniveaus auf eine konstante Lebensdauer oder eine konstante Maximalkraft FMax transformiert werden. Im ersten Fall erhält man als Differenz des Lageparameters der Bruchkraft zwischen ausschließlich gereinigter und optimal aktivierter Oberfläche einen Faktor 4, was einer Empfindlichkeitszunahme entspricht. Für den zweiten Fall, einer konstanten Maximalkraft, liegen zwischen den Lebensdauern der unterschiedlichen Proben bis zu fünf Größenordnungen. Des Weiteren reagieren die so ermittelten Lebensdauerwerte sehr empfindlich auf Unterschiede in den Defektgeometrien. Für die Auslegung von Strukturbauteilen sind diese Faktoren natürlich immer mit zu berücksichtigen. Neben dem Faktor 4, der sich aus den Ermüdungsversuchen ergeben hat, ist zusätzlich ggf. eine Höherdimensionierung wegen der meist vorherrschenden Manufakturfertigung einzukalkulieren. Dieser ergab sich aus den vorgestellten Versuchen zu 25 %. Somit erhält man einen Dimensionierungsfaktor von 5, der auf die berechneten, statisch ausreichenden Festigkeitsdaten als Sicherheitsmarge aufgeschlagen werden sollte. Wenn aber zusätzlich noch festigkeitsvermindernde Kontaminationen vorhanden sind, muss die Sicherheitsmarge dementsprechend erhöht werden.
Es hat sich gezeigt, dass eine valide Vorhersage von Festigkeiten unter Einbeziehung der Messwertstreuung nur unter der Annahme eines vorliegenden Defektspektrums mit einem bruchmechanischen Ansatz, gute Ergebnisse liefert. Zusätzlich sind die Durchführung von Ermüdungsversuchen und die Auswertung der erhaltenen Daten auf statistischer Grundlage unabdingbar für eine belastbare Bewertung der Struktureigenschaften.The concept of lightweight design poses a challenge in the construction of structural elements. The application of adhesive bonding offers a key role as a lightweight and universally usable joining method. However, it is absolutely necessary to understand, assess and predict the mechanical behavior of this technology. As will be shown in this thesis, the fracture mechanic represents a highly potent approach. The characteristic qualities of adhesive bonding can be characterized in a realistic way by using statistical methods.
Nevertheless, the sensitivity of the various testing methods differs as a consequence of the external influences. This sensitivity must be reflected in the dimensioning factors of constructions. In case of static loading conditions there is a factor 2 between the results of optimally bonded joints, represented by totally laser-activated samples and those with cleaned surface, only. Under cyclic loading conditions the factor in the lifetime of both upper sample types rises up to 3 for a constant maximum load. This evidence results from the generated S-N-curves. For a significant statistical evaluation a quorum of results is necessary. Therefore the results of the fatigue experiments for every laser-activation level can be transformed to a defined and constant lifetime or maximum force. In case of the defined lifetime, the gap between the location parameters of the maximum force of the totally activated samples and the non-activated ones reaches factor 4. For a constant maximum force the results in the lifetime of the varying samples differ in a magnitude order of 5. In addition, there is a high sensitivity of the lifetimes to various defect geometries. These factors must be respected in the dimensioning of construction parts. In addition to the factor 4, which was determined by the fatigue experiments, the manufacture by hand requires a further factor of 25 %. According to that, the dimensioning safety factor rises up to 5. This factor must be multiplied by the results calculated for static loading conditions. If there are contaminations, which reduce the strength of the structure, the factor has to increase.
It becomes apparent that a fracture mechanic approach induces a valid prediction of strength if result variance is regarded and the spectrum of defects taken into account. Furthermore, fatigue experiments and a statistical evaluation of the results are indispensable for a substantiated estimation of structural properties
Versagen offener Sandwichdeckhäute unter Druckbeanspruchung
Get PDFIn der vorliegenden Arbeit wird das Versagensverhalten einer gitterartigen Sandwichdeckhaut auf einem Wabenkern unter axialer Druckbeanspruchung untersucht. Vergleiche von
theoretischen Vorhersagen mit Versuchsergebnissen zeigen, dass die bisher von vollflächigen Sandwichdeckhäuten abgeleiteten Berechnungsmodelle, die auf der Stabilitätstheorie
basieren, das reale Versagensverhalten gitterartiger Deckhäute unter Druckbeanspruchung nicht richtig wiedergeben. Zur Analyse des Versagensverhaltens wurden Druckversuche, einsowie zweiachsige Biegeversuche durchgeführt. Mithilfe von Videoaufnahmen wurde das Versagensverhalten analysiert. Die klassischen Versagensformen druckbeanspruchter Sandwichdeckhäute, wie beispielsweise Deckhautknittern und interzellulares Beulen, konnten nicht beobachtet werden. Stattdessen zeigen sich bei den experimentellen Untersuchungen zunehmende Biegeverformungen der axial beanspruchten Gitterstäbe mit zunehmender Drucklast. Die Biegeverformungen sind auf wenige Stäbe innerhalb einzelner Wabenzellen begrenzt. Die vermutete Ursache hierfür sind fertigungsbedingte Imperfektionen der Gitterstäbe. Schliffbilder zeigen vorverformte Gitterstäbe im lastfreien Zustand. Untersuchungen auf Basis der Stabilitätstheorie zeigen, dass sie zur Abschätzung des Tragvermögens der offenen Sandwichdeckhäute nicht geeignet ist. Aus diesem Grund werden zur theoretischen Abschätzung des Tragvermögens analytische Berechnungsmodelle
abgeleitet, die das geometrisch nichtlineare Verhalten der vorverformten Gitterstäbe unter axialer Drucklast beschreiben. Diese Modelle bestehen aus bis zu vier Stäben in einer
Wabenzelle. Dabei wird sowohl die einachsige als auch die zweiachsige Beanspruchung der gitterartigen Deckhaut berücksichtigt. Sowohl bei der einachsigen als auch der zweiachsigen Beanspruchung der Deckhaut zeigen sich gute Übereinstimungen zwischen dem theoretisch und experimentell ermittelten Verhalten. Tritt der Bruch in einem Stab ein, verteilt sich die Last von diesem auf die benachbarten Stäbe. Diese Lastverteilung wird analytisch mit der Methode der Übertragungsmatrizen berechnet. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden Ausschnitte aus der Deckhaut untersucht, die eine Vielzahl an Gitterstäben aufweisen. Das mit der FEM ermittelte Verhalten der Deckhäute bei einachsiger und zweiachsiger Druckbeanspruchung zeigt gute Übereinstimmungen mit dem experimentell und analytisch ermitteln Verhalten. Dies gilt
insbesondere für die theoretische Bestimmung der Deckhautbruchlasten. Die Ergebnisse der theoretischen Betrachtungen zeigen, dass unter dem Gesichtspunkt des
Spannungsproblems bei bekannter Imperfektion sowie geometrischer und mechanischer Kenngrößen, das Tragvermögen der gitterartigen Deckhaut gut abgeschätzt werden kann. Basierend auf den durchgeführten Untersuchungen werden daher Hinweise angegeben, die
dem Konstrukteur als Hilfestellung bei der Dimensionierung von gitterartigen Sandwichdeckhäuten dienen sollen.In this thesis, the failure modes of latticed (open weave) sandwich skins under axial compression load were analysed. The comparison of theoretically predicted failure loads and
experimentally determined failure loads show a distinct divergence. The reason is that the available theory to predict the failure load is only valid for “closed” sandwich skins. To derive a theory which is valid for latticed sandwich skins, the failure modes must be analysed in experimental investigations. These investigations are performed on specimen under compression and bending load. In case of the bending test uniaxial and biaxial loads are applied. A qualitative evaluation of the out-of-plane deformations of the beams shows increasing bending deformations with increasing axial loads. Apparently, the failure is not being caused by instability. Instead, the failure is triggered by geometrical imperfections of the beams. Micrographs of the beams show these geometrical imperfections (initial deformations). The first theoretical investigations are carried out based on the theory of stability. The results show that this theory is inapplicable to describe the carrying capacity of latticed sandwich skins. Based on measured geometrical imperfections, a mathematical model for the latticed face sheet consisting of beams under compression is deduced. This mathematical model describes a non-linear behaviour between the bending deformation and the axial beam load. With the mathematical model, consisting of up to four beams, investigations for uniaxial and biaxial load cases are done. The experimental results are in good coincidence with failure loads derived by analytical analyses. If failure occurs in a beam, the neighbouring beams have to carry the load of the broken beam. Further theoretical investigations are done for the load
distribution caused by broken beams and the geometrical imperfections. Complementally to the analytical investigations, a Finite-Elemente-Methode analysis is performed for sandwich skins under uniaxial and biaxial loading. In this way a large number of geometrical imperfect beams are considered. The theoretically determined results are in good coincidence with the experimentally determined results. A conclusion of all theoretically determined results show that the carrying capacity of the latticed sandwich skin can be estimated using the geometric parameters, especially the size of the initial deformation, and the stiffness of the beam. Based on the performed theoretical and experimental investigations some design advices are given. These design advices can be seen
as a support to be used by the constructing engineer
Numerische Modellierung von turbulenten Strömungen realer Gasgemische
Get PDFKryogene Hochdruck-Raketenverbrennungsmotoren werden bereits seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt. Heute besteht eine neue Herausforderung darin, Leistung und Funktionssicherheit der bestehenden Antriebe zu gewährleisten und zeitgleich Betriebs- und Entwicklungskosten zu senken. Aus diesem Grund gewinnt die Anwendung der numerischen Strömungssimulation (CFD) innerhalb des gesamten Entwicklungsprozesses immer mehr an Bedeutung. Moderne Raketenantriebe werden bei sehr hohen Drücken betrieben. Die Treibstoffe werden gleichzeitig bei sehr niedrigen Temperaturen in die Brennkammer eingebracht. In diesem Zustand unterscheiden sich die Stoffeigenschaften erheblich von denen bei atmosphärischem Druck. Um eine aussagekräftige Strömungssimulation durchführen zu können, müssen diese physikalischen Besonderheiten in der thermodynamischen Modellierung abgebildet werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein LES-Verfahren für die numerische Strömungssimulation von Raketenbrennkammerströmungen unter Berücksichtigung von Realgaseinflüssen entwickelt. Die thermodynamischen Eigenschaften werden über eine Peng-Robinson-Zustandsgleichung beschrieben. Auf deren Basis wird eine konsistente, thermodynamische Modellierung für die Schließung des numerischen Lösungsverfahrens hergeleitet. Für die Berechnung von Mischungseigenschaften wird auf das erweiterte Korrespondenzprinzip zurückgegriffen. Hierbei werden Mischungseffekte wie eine überkritische Zweiphasenbildung vernachlässigt. Um mögliche Modellierungsfehler abschätzen zu können, werden diese Phänomene gesondert untersucht. Zur Gewährleistung eines stabilen Löserverhaltens wird das numerische Verfahren an die verwendete nicht-lineare Thermodynamik angepasst. Der entwickelte Strömungslöser wird an den verfügbaren Ergebnissen aus Experimenten und DNS-Untersuchungen validiert. Eine erste Bewertung des Lösers wird mittels der Simulation einer transitionellen H2/O2-Scherschicht vorgenommen. Die Ergebnisse können anhand von DNS-Berechnungen validiert werden und zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit diesen. Aufbauend auf diesen grundlegenden Untersuchungen wird das Verfahren an experimentellen Ergebnissen eines transkritischen Stickstoffjets bewertet. Hierbei werden drei Konfigurationen bei unterschiedlichen Temperatur- und Druckniveaus untersucht. Die experimentellen Ergebnisse werden dabei durch die Simulation nahezu perfekt wiedergegeben. Die untersuchten Testfälle haben deutlich geringere Anforderungen an das numerische Verfahren, als eine echte Brennkammerströmung. Um sicher zu stellen, dass das neu einwickelte Verfahren auch bei diesen Bedingungen in der Lage ist, eine stabile numerische Vorhersage zu treffen, wird eine inerte H2/O2-Koaxialströmung untersucht, die in ihren Randbedingungen einer Raketenbrennkammerströmung entspricht. Es zeigt sich, dass mit dem entwickelten Realgas-Löser eine robuste Berechnung von Strömungen mit sehr hohen Dichte- und Geschwindigkeitsgradienten realisiert werden kann.The technology of cryogenic rocket combustion engines has been used successfully for many years. Nowadays, a new challenge is the requirement of increasing rocket performance and reliability at restricted budgets. For this reason, the application of computational fluid dynamics (CFD) methods in the development process increases steadily. The pressure in modern combustion chambers is very high, whereas the propellants are injected at cryogenic temperatures. At these contitions the thermodynamic fluid properties differ significantly from those in an atmospheric environment. Hence, a real gas equation of state and suitable relations for the transport properties have to be used for the numerical simulation. In the work presented here, a LES-code considering thermodynamic real gas effects is developed for the numerical simulation of the flow within a rocket combustion engine. The thermodynamic properties are modelled by a Peng-Robinson equation of state. Using this equation a consistent thermodynamic modelling has been developed for the closure of the numerical solver. The extended corresponding states principle has been applied for the mixture modelling. Here mixing effects like supercritical condensation are neglected. In order to evaluate the corresponding modelling error these effects are investigated separately. Additionally the numerical method has to be adapted to the strongly non-linear thermodynamics to ensure a stable solution procedure. The developed solver is validated against experimental results and data of direct numerical simulations. A first evaluation of the solver is done by the simulation of transitional hydrogen/oxygen shear layers. The results are validated at DNS data. These are reproduced with good accuracy by the real gas LES solver. Further the solver is validated at experimental results of transcritical nitrogen jets, where three different setups at different temperature and pressure levels are investigated. The experimental data are almost perfectly reproduced by the simulation. As density and velocity ratios are much smaller in the investigated test cases than in real rocket combustion engines, they are easier to handle for the numerical scheme. To ensure that the developed solver is able to perform a numerically stable calculation at rocket engine conditions, a H2/O2 coaxial jet configuration is simulated at realistic conditions. It appears that the developed solver performs also very well at rocket engine conditions
Untersuchung von Gasstrahlung in Hochenthalpieströmungen
Get PDFRadiative heat transfer is analyzed in rocket combustion chambers and in the flow around a re-entry vehicle. To do so, the governing equations of the P1 radiation transport model are derived, afterwards discretized using the Finite Volume Method and finally implemented in the CFD solver NSMB. For spectral integration, different models are combined with the P1 radiation model. For radiative heat transfer in rocket combustion chambers Weighted Sum of Gray Gases Models (WSGGM) are identified for spectral modeling and their governing equations with the P1 model are derived to implement them in NSMB. For radiative heat transfer in re-entry flows, a spectral model is developed based on a Full Spectrum k-Distribution (FSK) using the spectral database PARADE. The model is applicable to nonhomogeneous media with varying temperature and mole fractions. The governing equations of the P1 model in conjunction with this model are derived and the model is also implemented in NSMB.
All models for radiative heat transfer are validated in several one-dimensional cases and show good agreement with analytical solutions. The sole P1 model yields an error below 5 %. The combination of the P1 model and the WSGGM gives satisfactory results. The FSK reproduces nearly exact results with errors below 1 % for homogeneous media. For nonhomogeneous media, the Multi Group Full Spectrum Correlated k-Distribution (MGFSCK) reduces devia-tions of the FSK from over 250 % to below 10 %. Radiative transfer in rocket combustion chambers is analyzed using the P1 model and several WSGGM for H2/O2 and CH4/O2 combustion. The results reveal that simple WSGG models yield nearly the same radiative wall heat flux (RWHF) with less computational efforts than more complex WSGGM. Using WSGGM appropriate for nonhomogeneous media decreases the RWHF. An enlarged chamber volume increases the RWHF. The influence of radiation on the flow is investigated in a loosely coupled simulation, revealing a negligible effect. For CH4/O2 combustion the maximum relative RWHF decreases compared to H2/O2 combustion. The maximum local ratio of the RWHF and total wall heat flux (TWHF) is between 8-10 % near the injector face plate while the integrated ratio is below 3 % for both propellant combi-nations. The analysis reveals a small influence of radiation on the heat loads in the combus-tion chambers investigated. The second system analyzed is the re-entry of the FIRE II capsule. Several models in NSMB for the simulation of the flow are improved and tested. With a final set of models, the convec-tive wall heat flux (CWHF) as well as the temperature and species number densities lie within 10 % deviation compared to former numerical investigations of the FIREII flight test. A one-dimensional Line-by-Line (LBL) radiative heat transfer analysis along the stagnation line is done afterwards with PARADE. The deviation of this analysis is below 2% in terms of RWHF at the stagnation point with regard to the flight experiment. The P1 model with the MGFSCK yields good accuracy compared to the LBL results with a reduction in computational effort by a factor of nearly 1000. Concerning RWHF at the stagna-tion point, the error is around 20 %. Concerning divergence of radiative heat flux the error is lower than 30 % over most of the stagnation line. The divergence of radiative heat flux predicted by the P1 model with the MGFSCK for the entire domain is coupled in the total energy equation of NSMB to examine the influence of radiation on the flow. It reveals that the CWHF decreases by a maximum of 10 % and the flow properties do not change by more than 5 %. This concludes a minor influence of radia-tion on the flow for the chosen trajectory point of the FIREII flight test.Der Wärmeübergang durch Strahlung wird in Raketenbrennkammern und in der Strömung um einen Wiedereintrittskörper untersucht. Dazu werden die Gleichungen des P1 Strahlungs-transportmodells mit Hilfe der Methode der Finiten Volumina diskretisiert und in den CFD Löser NSMB implementiert. Zur spektralen Integration werden verschiedene Modelle mit dem P1 Modell kombiniert: Für den Strahlungswärmetransport in Raketenbrennkammern werden geeignete Weighted Sum of Gray Gases Modelle (WSGGM) mit dem P1 Modell ge-koppelt und in NSMB eingebaut. Für den Strahlungswärmetransport in Wiedereintrittsströ-mungen wird ein eigenes Spektralmodell auf Basis der Full Spectrum k-Distribution (FSK) entwickelt und in NSMB implementiert.
Alle Strahlungsmodelle werden anhand eindimensionaler Fälle validiert und ergeben eine gute Übereinstimmung mit den analytischen Lösungen. Das P1 Modell weist Abweichungen von unter 5 % auf und auch die Kombination aus P1 Modell und WSGGM ergibt gute Resul-tate. Das FSK Modell reproduziert die nahezu exakten Ergebnisse für homogene Medien mit einem Fehler von weniger als 1 %. Für inhomogene Medien reduziert die Multi Group Full Spectrum Correlated k-Distribution (MGFSCK) die Abweichungen des FSK von über 250 % auf weniger als 10 %. Der Strahlungstransfer in Raketenbrennkammern wird mit dem P1 Modell und mehreren WSGGM für H2/O2 und CH4/O2 Verbrennung analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass einfa-che WSGGM mit weniger Rechenaufwand nahezu denselben Strahlungswandwärmestrom vorhersagen wie komplexere WSGGM. Die Verwendung von WSGGM für inhomogene Me-dien verringert den Strahlungswandwärmestrom, wohingegen eine Vergrößerung des Brenn-kammervolumens ihn erhöht. Der Einfluss der Strahlung auf die Strömung wird im Rahmen einer lose gekoppelten Simulation untersucht und ergibt einen geringen Effekt. In der CH4/O2 Verbrennung verringert sich der maximale relative Strahlungswandwärmestrom im Vergleich zur H2/O2 Verbrennung. Das maximale Verhältnis aus Strahlungswandwärmestrom zu kon-vektivem Wandwärmestrom liegt lokal zwischen 8 und 10 % nahe dem Injektor und integral bei unter 3 % für beide Brennstoffkombinationen. Die Untersuchung ergibt einen geringen Einfluss des Strahlungswandwärmestroms auf die Wärmelasten der Brennkammerwände. Das zweite untersuchte System ist der Wiedereintritt der FIRE II Kapsel in die Erdatmosphä-re. Zur Simulation der Strömung werden verschiedene Modelle in NSMB verbessert und ge-testet. Mit diesen Modellen liegen der konvektive Wandwärmestrom sowie die Temperatur und Teilchendichten nahe an den Ergebnissen voriger Simulationen des FIRE II Wiederein-tritts, mit Abweichungen von unter 10 %. Der Strahlungswärmetransport wird zunächst eindimensional entlang der Staupunktstromlinie mit Hilfe von sehr genauen Line-by-Line (LBL) Spektraldaten untersucht. Die Abweichung des Strahlungswandwärmestroms am Staupunkt zu den Ergebnissen des realen Wiedereintritts beträgt weniger als 2 %. Die Kombination aus P1 Modell und MGFSCK liefert gute Ergeb-nisse im Vergleich zur LBL Untersuchung, bei einer Verringerung des Rechenaufwandes um nahezu den Faktor 1000. Die Abweichung des Strahlungswandwärmestroms zur LBL Rech-nung beträgt ca. 20 %, während die Divergenz des Strahlungswärmestroms im Feld größten-teils Abweichungen von unter 30 % aufweist.
Die Divergenz des Strahlungswärmestroms, basierend auf dem P1 Modell und dem MGFSCK, wird in die Erhaltungsgleichung der Totalenergie in NSMB gekoppelt. Dies ver-ringert den konvektiven Wandwärmestrom um 10 % und verändert die Strömungsgrößen um weniger als 5 %, was einen geringen Einfluss der Strahlung auf die Strömung für den gewähl-ten Punkt der FIRE II Wiedereintrittstrajektorie ergibt