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Method for a holistic transformation of mechanical amendments in the case of appication
No full textIm Zeitalter immer kürzerer Prozessketten zur Etablierung neuer Techniken steht der Nutzen durch innovative Entwicklungstools im Vordergrund. Durch die Einführung digitaler Baustufen lassen sich schon in frühen Stadien erste Rückschlüsse auf die Durchführbarkeit oder die realisierbaren Potenziale treffen. Dabei bedienen sich die Simulationsmodelle stets einer umfassenden Menge an Know-How und Erfahrung. Je mehr davon aus der fortschreitenden Entwicklung in die Modellbildung zurückgespiegelt wird, desto akkurater und genauer werden die simulierbaren Ergebnisse. Dies bedeutet jedoch im Umkehrschluss, dass gerade bei mangelndem Expertenwissen eine Neuauslegung einer Komponente große Risiken birgt oder einen immensen Mehraufwand bedeutet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird diese Problematik aufgegriffen und nachhaltig gelöst. Dabei orientiert sich die Lösungsfindung am Beispiel eines passiven, elektromechanischen Phasenstellers für unterschiedliche Stopp-/Start-Strategien. Dem Anwender steht dabei ein innovatives Werkzeug zur Verfügung: das R-Modell. Dieses zeichnet sich, gegenüber bisherigen Modellen, durch hohe Flexibilität, eine variable Auflösung, einen hohen Abstraktionsgrad sowie die Darbietung geeigneter Werkzeuge und Hilfsmittel zur Problemlösung aus. In dem Fallbeispiel führt das R-Modell durch Kanonisieren komplexer verbrennungsmotorischer Zusammenhänge zu Schnittstellen, mit denen sich auch ohne Fachwissen Rückschlüsse auf die Einflussnahme geometrischer Änderungen der Phasensteller auf den Motor-Stopp-/Start treffen lassen. Gerade im Rahmen einer Projektübergabe der Vorentwicklung zur Serienentwicklung ist die Weitergabe eines solchen Werkzeugs von unermesslichem Wert: So können in der Neudimensionierung bauraumkritischer Bauteile bereits Erkenntnisse über die Konsequenzen auf innermotorische Größen betrachtet werden, ohne dass der bearbeitende Konstrukteur das thermodynamische Fachwissen besitzt. Ändern sich motorische Rahmengrößen, so bietet das R-Modell ebenfalls die Möglichkeit, einzelne Bereiche iterativ anzupassen ohne alle Phasen der Modellbildung neu zu durchlaufen. Daraus folgt die maßgebende Flexibilität des Modells; Es ermöglicht dem Anwender lediglich an der Stelle Input zu liefern, an der dieser benötigt wird.In the age of ever shorter process cycles for establishing new techniques, the benefit of innovative development tools is more important than ever. Through the implementation of digital phases first conclusions according to the feasibility or the reachable potentials can be made at early stages of the development. Therefore, simulation models are made, which require a huge amount of know-how and experience. The more information of the progressive development return to the modelling, the better and more exactly the simulation results become. This means in the reversal conclusion that a lack of expertise brings a higher risk of failures or requires a large amount of time consumption for redesigning components. In this thesis, this problem is taken up and solved sustainably. The solution is made on the example of a passive electromechanical camphaser for various stop-/start-strategies. In the end, an innovative tool named “the R-Model” is provided to the user. In comparison to current models, the R-Model is characterized by high flexibility, a variable resolution, a high level of abstraction and a pool of suitable tools and aids for solving problems. In this particular case, the R-Model creates interfaces with which users can investigate for example the impact of geometrical changes of the camphaser on the engine stop-/start, by canonizing complex combustion-engine correlations. Especially within the framework of a project transfer from the predevelopment to the series development, the need of transferring such a tool has a high importance: So, space limited parts can be re-dimensioned by a (no combustion expert) construction engineer without violating thermodynamic values. Even if some engine frame sizes do change, the R-Model offers possibilities to modify single sections iteratively without forcing the user to rerun the whole modelling again. This allows the high flexibility of the model: The user has to enter the input only where it’s actually needed
Untersuchungen zur singulären Minimalflächengleichung
No full textWir untersuchen Minimierer des Funktionals
\begin{align*}
\mathcal{F}^{\ast}(u) := \int_{\Omega} u^{\alpha} \sqrt{1 + |Du|^{2}} + \frac{1}{1 + \alpha}\int_{\partial \Omega} |u^{1+\alpha} - \phi^{1 + \alpha}| d\mathcal{H}^{n - 1},
\end{align*}
für ein offenes Gebiet mit Lipschitz-Rand, eine Funktion und Randwerte , welches in dieser Form auf \textsc{Bemelmanns} und \textsc{Dierkes} \cite{BD} zurückgeht und dessen Untersuchung seitdem bereits ausgiebig, hauptsächlich durch U. Dierkes sowie G. Huisken, vorangetrieben wurde.
Die Hauptergebnisse dieser Arbeit sind unter anderem die Endlichkeit des Perimeters der Koinzidenzmenge und die Nichtnegativität ihrer inneren mittleren Krümmung, die -Hölderstetigkeit bereits als stetig vorausgesetzter Lösungen , sowie die Regularität von Lösungen eines zugehörigen parametrischen Hindernisproblems.We are looking at minimizers of the functional
\begin{align*}
\mathcal{F}^{\ast}(u) := \int_{\Omega} u^{\alpha} \sqrt{1 + |Du|^{2}} + \frac{1}{1 + \alpha}\int_{\partial \Omega} |u^{1+\alpha} - \phi^{1 + \alpha}| d\mathcal{H}^{n - 1},
\end{align*}
for an open region with Lipschitz-boundary, a function and boundary values , which in the present formulation was originally introduced by J. Bemelmanns and U. Dierkes, and whose investigation has since been advanced extensively, mostly by Dierkes and also by G. Huisken.
The main results of this work are the finiteness of perimeter of the set as well as its mean convexity, the -Hölder-continuity of continuous minimizers, and finally the regularity of solutions to a related parametric obstacle problem
Solution to the Broadside Problem and Symmetry Properties of Periodic Leaky-Wave Antennas
No full textThe broadside radiation problem has plagued periodic leaky-wave antennas (LWAs) for more than four decades. A severe loss in performance, particularly in gain and efficiency, occurs when LWAs radiate in the broadside direction, which is the direction normal to the antenna plane. This broadside degradation has just recently been resolved in metamaterial LWAs, a special class of LWAs, as demonstrated by several research groups. This suggests that metamaterial LWAs exhibit extraordinary properties when compared with conventional LWAs. Intrigued by this finding, the author revisits conventional and metamaterial LWAs to answer the following research questions: why does the broadside problem exist, and how can the broadside problem be rigorously solved in periodic LWAs?
These research questions are approached by studying symmetry and asymmetry in the LWA unit cells. The work unveils fundamental broadside radiation limitations and proposes a systematic resolution procedure. Beyond providing physical insight into the wave propagation mechanism of periodic LWAs, this thesis provides a practical framework for the design of periodic LWAs
Modeling, real-time simulation and accurate forecast of lifetime and costs of a LFP battery on example of A- and C-segment electric cars
No full textSeit einigen Jahren rückt das E-Auto immer weiter in den Fokus der Öffentlichkeit. Durch diese Technologie sollen Alternativen zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor entstehen und zugleich soll eine Unabhängigkeit von politisch instabilen Erdöl liefernden Ländern geschaffen werden. Ein weiterer wichtiger Grund für diesen Trend ist jedoch auch die Einsparung des CO2-Ausstoßes, um so dem damit verbundenen Klimawandel entgegenzuwirken. Bei Einsatz von regenerativen Energiequellen wie Wind- oder Sonnenenergie wird der CO2-Austoß von E-Autos sogar auf null reduziert.
Aus Verbrauchersicht hat das E-Auto allerdings zurzeit zwei wesentliche Nachteile: Erstens sind die Anschaffungskosten für eine Lithium-Ionen-Batterie sehr hoch. Nach Ende ihrer Lebensdauer muss die Lithium-Ionen-Batterie zudem wieder ausgetauscht werden, wodurch weitere zusätzliche Kosten entstehen. Zweitens beträgt die Reichweite eines durchschnittlichen E-Autos 150 km und halbiert sich im Winter.
In dieser Arbeit wird daher ein semi-empirisches thermoelektrisches Modell einer 50 Ah Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle (LFP-Batteriezelle) in SimulationX erstellt. Das Rint-Modell beschreibt das elektrische Verhalten der LFP-Batteriezelle. Die elektrischen Parameter wie die offene Klemmspannung U_oc, der Ladewiderstand R_ch und der Entladewiderstand R_disch werden bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (0 °C, 25 °C, 40 °C) und Entladetiefen (0/ 0,2/ 0,4/ 0,6/ 0,8/ 1) mittels XCTS-Batterietestsystem bestimmt. Das thermische Modell berücksichtigt dabei die Wärmeaufnahme bzw. -abgabe über Wärmeleitung, Wärmekonvektion, Wärmestrahlung sowie den Einfluss einer internen Wärmequelle. Die erforderlichen thermischen Parameter wie Wärmeleitfähigkeit λ, Wärmekapazität c_p und Emissionskoeffizient ε werden durch die in der Fachliteratur bekannten theoretischen Methoden erfasst.
Außerdem berücksichtigt das Modell die kalendarische und zyklische Alterung der LFP-Batteriezelle und ist modular aufgebaut. Die Ermittlung der kalendarischen und zyklischen Alterung der LFP-Batteriezellen erfolgt an einem Batterieprüfstand bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (0 °C, 25 °C, 40 °C), Entladeströmen (25 A, 50 A, 100 A), Entladetiefen (0,2/ 0,5/ 0,8) sowie Ladezustandsbereichen (1-0,8/ 1-0,5/ 1-0,2). Durch die modulare Gestaltung kann überdies eine LFP-Batterie mit beliebiger Anzahl von LFP-Batteriezellen generiert werden.
Anschließend wird das Batteriemodell von SimulationX über eine S-function nach Matlab/Simulink exportiert und auf Echtzeitfähigkeit geprüft.
Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit besteht somit in der gesamtheitlichen Betrachtung und Auslegung einer LFP-Batterie für ein Minicar E-Auto (A-Segment) und ein unteres Mittelklasse E-Auto (C-Segment) hinsichtlich Lebensdauer, Batteriepackaging (i.e. der Zellenanzahl), Wärmeentwicklung, Fahrzeugreichweite sowie Batteriekosten.Since the past few years, the electric car has moved more and more into the focus of public interest. Through this technology, new alternatives to conventional vehicles with combustion engines should be developed and thereby independence from politically unstable oil supplying countries should be achieved. Another important reason for this trend, however, is also the reduction of the CO2 emission in order to mitigate the associated climate change. When renewable energy sources like wind or solar power are used, the CO2 emission of electric cars is even reduced to zero.
Yet, from the customer’s perspective, at present, the electric car has two fundamental disadvantages: Firstly, the acquisition costs for a Lithium-Ion battery are very high and after its lifecycle has expired, the Lithium-Ion battery has to be replaced, causing further additional costs. Secondly, the reach of an average electric car amounts to 150 km, a distance which is reduced by half in winter.
Therefore, in this thesis, a semi-empirical thermo-electrical model of a 50 Ah Li-ion Iron Phosphate Cell (LFP battery cell) is designed with SimulationX. The resulting Rint model describes the electric behaviour of the LFP battery cell. The electrical parameters like the open circuit voltage U_oc, the charging resistor R_ch and the discharge resistor R_disch are determined at different ambient temperatures (0 °C, 25 °C, 40 °C) and at different depths of discharge (0/ 0.2/ 0.4/ 0.6/ 0.8/ 1) using the XCTS Battery Test System. The thermal model, on the other hand, takes into consideration heat absorption respectively heat emission through heat conduction, thermal convection, thermal radiation or the respective influence of an internal heat source. The needed thermal parameters like the heat conductivity λ, the thermal capacity c_p and the coefficient of emission ε are measured by means of the theoretical methods that are commonly known in the scientific literature.
Furthermore, the here elaborated model takes into account the calendrical and cyclical aging of the LFP battery cell and is based on a modular design. By means of a battery test station, the calendrical and cyclical aging of the LFP battery cells is measured at different ambient temperatures (0 °C, 25 °C, 40 °C), for different discharging currents (25 A, 50 A, 100 A), at different depths of discharge (0.2/ 0.5/ 0.8) and with respect to different charging state ranges (1-0.8/ 1-0.5/ 1-0.2). Besides, and due to the modular structure, the LFP battery can be designed for any number of LFP battery cells.
In a next step, using an S-function, the battery model is exported from SimulationX to Matlab/Simulink and tested for its real-time capability.
Hence, the scientific contribution of the present thesis consist in its holistic assessment and dimensioning of an LFP battery for an electric mini car (in the A Class segment) and for an electric lower mid-range car (in the C Class segment) with respect to battery life cycle, battery packaging (i.e. the number of battery cells), heat development, vehicle range and battery costs
Neurotoxic and neuroprotective mechanisms of cisplatin-induced polyneuropathies
No full textAuch heute noch spielen Platin-haltige Zytostatika eine wichtige Rolle in der Therapie diverser Krebserkrankungen. Neben ihrer Effektivität in der Behandlung des Tumors führen sie jedoch immer wieder zu schweren Nebenwirkungen. Eine der häufigsten Nebenwirkungen, mit starkem Einfluss auf das Wohlbefinden der Betroffenen, sind schmerzhafte periphere Polyneuropathien. Im Gegensatz zu den Mechanismen der Wirkung von Platin-haltigen Zytostatika auf Tumorzellen, sind die Mechanismen für die Entstehung von Polyneuropathien nicht vollständig verstanden. Einen möglichen Ansatz liefert die bereits in der Literatur beschriebene Störung der intrazellulären Calcium-Homöostase in DRG-Neuronen durch Platin-haltige Zytostatika.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte der Einfluss von Cisplatin auf die verschiedenen Subtypen von spannungsabhängigen Calciumkanälen (VGCC) mit Hilfe von Patch-Clamp Messungen, immunozytochemischen und immunohistochemischen Färbungen, sowie Verhaltenstestungen untersucht werden. Das Ziel dabei war es, erste Untersuchungen der Calcium-basierten neurotoxischen und neuroprotektiven Mechanismen der Cisplatin-induzierten Polyneuropathien durchzuführen.
Durch elektrophysiologische Messungen konnte hierbei gezeigt werden, dass Cisplatin die Subtypen von spannungsabhängigen Calciumkanälen unterschiedlich moduliert. So wurden die Ströme der Calciumkanäle des L-Typs, P-/Q-Typs und T-Typs reduziert, wohingegen eine Proteinkinase C vermittelte Zunahme von N-Typ VGCC beobachtet werden konnte.
Durch die Exposition der kultivierten DRG-Neuronen mit Cisplatin konnte eine CaMK II-assoziierte erhöhte Stromdichte von N-Typ VGCC nachgewiesen werden. Diese Erhöhung konnte mit einem erhöhten Proteinlevel dieser Kanäle in Zusammenhang gebracht werden. Auch nach in vivo Cisplatin-Applikation zeigte sich eine signifikante Proteinlevel-Erhöhung der N-Typ VGCC.
In Apoptose-Experimenten zeigte sich, dass die durch Cisplatin erhöhte Apoptoserate durch Blockade der N-Typ VGCC mit 1 µM ω-Conotoxin gesenkt werden konnte. Dieses spricht somit für eine Calcium-vermittelte Neurotoxizität von Cisplatin.
In Verhaltenstestungen konnte durch die i.v. Gabe von ω-Conotoxin frühe Anzeichen einer Cisplatin-induzierten Polyneuropathie verhindert werden.
Durch die in dieser Arbeit durchgeführten Experimente konnte der N-Typ VGCC als wichtiger Faktor für die Genese von schmerzhaften Polyneuropathien nach Cisplatin-Applikationen identifiziert werden. Erstmalig konnte der Einfluss von Cisplatin auf die Subtypen von VGCC beschrieben werden. Durch die Blockade der N-Typ VGCC mit ω-Conotoxin konnte die Induktion einer Polyneuropathie durch Cisplatin in vivo verhindert werden. Dies könnte bereits in naher Zukunft auch in der Therapie bzw. Prävention von Cisplatin-induzierten Polyneuropathien untersucht werden.Platinum-based cytostatic drugs still play an important role in the treatment of cancer. In addition to their high efficacy, they lead to a number of serious side effects. One of the most common side effects with severe impact on the quality of patient´s life is a polyneuropathy, which is a consequence of a neurotoxicity that is focused on dorsal root ganglion neurons with a subsequential axonal damaging. As a key mechanism beside the accumulation of DNA-adducts, which is essential for toxicity in other cell types, disturbances of the calcium-homeostasis by ion channel modulation in dorsal root ganglion (DRG) neurons have been suggested.
This study aims on the prevention and clarification of calcium-based mechanisms of neurotoxicity by cisplatin, using a rat model of chemotherapy-induced polyneuropathy with signs of neuropathic pain. Combining in vitro whole-cell patch clamping, immunohisto- and cytochemical staining of DRG and DRG neurons with in vivo behavioural testing the N-type voltage gated calcium channel (VGCC) was identified as the main mediator of calcium influx in DRG neurons after exposure to cisplatin.
N-Type VGCC were modulated after cisplatin exposure in function and expression in the DRG. After in vivo and in vitro exposure to cisplatin N-type VGCC currents were significantly increased in massive manner. In addition, immunohistochemical and immunocytochemical staining suggested a significant increase of N-type channels in DRG neurons. For it is known that cisplatin induced neuronal cell death is closely related to activation of caspase-3, the pre-emptive incubation of DRG neurons with ω-conotoxin, a highly specific N-type channel inhibitor before exposure to cisplatin, significantly reduces caspase-3 activation in DRG neurons. As a proof-of concept study rats were treated with a combination of cisplatin with ω-conotoxin to examine a possible neuroprotective effect of with ω-conotoxin against cisplatin induced neuronal cell death. The administration of ω-conotoxin for 12d during a cisplatin administration was able to fully prevent the generation of neuropathic pain in an in vivo trial using a behavioural assessment for >21d.
This study provides evidence for a crucial and exclusive role of N-type channels in cisplatin induced neuropathy, which could be prevented by a highly selective ion channel modulator suggesting a neuroprotection. The N-type channel blocker ω-conotoxin is already in common use for the treatment of chronic pain, therefore this data provides evidence for the potential beneficial role of ion channel modulators for neuroprotection and should be easily used for a proof of concept study in a clinical trial
Development and Analysis of Physics-based Models for Autonomous Underwater Vehicle Navigation and the Reconstruction of Underwater Images
No full textAutonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) haben die Art wie die Meeresumwelt untersucht, überwacht und kartographiert wird verändert. Sie bieten eine breite Palette von Anwendungen in der Forschung, beim Militär und in kommerziellen Zusammenhängen. AUVs sollen nicht nur eine bestimmte Aufgabe erfüllen, sondern sich auch an Veränderungen in der Umgebung anpassen. Typische Einflüsse sind plötzliche Seitenströmungen, Fallströme und andere Effekte, welche extrem unberechenbar sind.
Simultane Lokalisierung und Kartenerstellung (SLAM) ist ein bekanntes und gut verstandenes Problem in der Robotik. Für landgestützte Roboter in 2D-Umgebungen wird dieses Problem im Allgemeinen als gelöst angesehen. SLAM-Algorithmen für diese neigen dazu sich auf die optische Erkennung in Kombination mit Koppelnavigation und Trägheitsmesseinheiten zu verlassen. Die optischen Eigenschaften des Wassers und insbesondere Meerwassers verhindern die Nutzung etablierter optischer Erkennungsalgorithmen. Bilder in hoher Qualität mit der richtigen Farbgebung erleichtern die Erkennung von Objekten unter Wasser und können die Verwendung der für landgestützte Roboter entwickelten visuelle SLAM-Algorithmen unter Wasser ermöglichen. Daher ist geeignete Bildverarbeitung vor allem im tiefen Wasser erforderlich.
In dieser Arbeit werden physikbasierte Modelle für die Navigation autonomer Unterwasserfahrzeuge entwickelt mit einem Schwerpunkt auf schnellen Forschungs-AUVs mit Reisegeschwindigkeiten im Bereich von 5 kn bis 20 kn. Das System sollte fähig sein Störungen im Wasserfluss zu erkennen und in der Lage sein eine Kamera zur Objekterkennung, Bodenuntersuchung und vor allem für Navigationszwecke zu verwenden.
Des Weiteren sollte es möglich sein, das System in bestehende autonome Unterwasserfahrzeuge zu integrieren. Daher muss das System klein und leicht sein, so dass die Nutzlast des AUV nicht wesentlich reduziert wird. Die erforderliche Rechenleistung und der Leistungsverbrauch müssen ebenfalls klein sein, so dass die Einsatzdauer des Fahrzeugs nicht stark verringert wird. Die Algorithmen sollten außerdem schnell sein, um SLAM-Anwendung zu ermöglichen.
Im ersten Teil der Arbeit wird die Anwendbarkeit verschiedener Lernverfahren zur Bestimmung der Strömungsparameter eines umgebenden Fluids mit Hilfe des Drucks auf einen AUV-Körper anhand zahlreicher numerischer Strömungssimulationen (CFD) und unter Verwendung von Druckdaten von festgelegten Punkten auf der Oberfläche des AUV getestet. Es wird gezeigt, dass eine Kombination von Support Vector Machines (SVM) eine ausgezeichnete Wahl ist, um diese Aufgabe auszuführen.
Mit den Ergebnissen aus den Simulationen wird dann die Lage der Druckmessstellen optimiert, so dass die höchsten Druckänderungen aufgrund der Fließgeschwindigkeiten erfasst werden. Dies reduziert auch die Anzahl von Messpunkten. Es wird dann gezeigt, dass auch für die optimierte Konfiguration Support Vector Machines die beste Wahl für die gestellte Aufgabe sind. Jedoch sind in diesem Fall weniger Maschinen erforderlich.
Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Lernmethoden für die Rekonstruktion von Unterwasserbildern angewandt. Zuerst werden Labortests unter Verwendung einer speziellen Lichtquelle, welche die Lichtverhältnisse unter Wasser imitieren, durchgeführt. Es wird gezeigt, dass eine Kombination aus der k-nächste-Nachbarn-Methode und Support Vector Machines hervorragende Ergebnisse liefert.
Basierend auf diesen Ergebnissen wird eine experimentelle Verifikation unter erschwerten Bedingungen im trüben Wasser eines Tauchbeckens durchgeführt. Es wird gezeigt, dass die k-nächste-Nachbarn-Methode sehr gute Ergebnisse für kleine Abstände zwischen dem Objekt und der Kamera und für kleine Wassertiefen im roten Kanal liefert. Für höhere Distanzen, Wassertiefen und für die anderen Farbkanäle ist eine Kombination von Support Vector Machines die beste Wahl für die Rekonstruktion der Farbe, wie sie unter weißem Licht zu sehen sind, aus den Unterwasserbildern.
Somit wird in dieser Arbeit ein neuer Ansatz zur Navigation autonomer Unterwasserfahrzeug und der Rekonstruktion von Unterwasserbildern vorgeschlagen und entwickelt.Autonomous underwater vehicles (AUVs) have changed the way marine environment is surveyed, monitored and mapped. They have a wide range of applications in research, military, and commercial settings. AUVs should not only perform a given task but also adapt to changes in the environment. Typical effects are sudden side currents, downdrafts, and other effects which are extremely unpredictable.
Simultaneous localisation and mapping (SLAM) is a well-known and well-understood problem in robotics. For land-based robots in 2-D environments this problem is generally considered to be solved. SLAM algorithms for these tend to rely on optical recognition in combination with dead reckoning and inertial measurement units. The optical properties of water and especially seawater prevent the use of established optical recognition algorithms. High quality images with correct colouring simplify the detection of underwater objects and may allow the use of visual SLAM algorithms developed for land-based robots underwater. Hence, appropriate image processing is required especially in deep water.
In this thesis physics-based models for autonomous underwater vehicle navigation are developed with an emphasis on fast exploratory AUVs with cruising speeds in the range of 5 kn to 20 kn. The system should be capable of detecting disturbances in the water flow and be able to use a camera for object detection, ground survey, and especially for navigational purposes.
Furthermore, it should be possible to integrate the system into existing autonomous underwater vehicles. Therefore, the system must be small and lightweight such that the payload of the AUV is not reduced significantly. The required computational power and the power consumption must also be small such that the duration of the vehicle does not decrease strongly. The algorithms should also be fast to allow SLAM application.
In the first part of the thesis the applicability of different learning methods for determining flow parameters of a surrounding fluid from pressure on an AUV body are tested based on numerous computational fluid dynamical (CFD) simulations and using pressure data from specified points on the surface of the AUV. It is shown that a combination of support vector machines (SVM) is an excellent choice to perform this task. With the findings from the simulations the position of pressure measurement points is then optimised such that the most significant pressure changes due to changing flow velocities can be captured. This also reduces the number of measurement points. It is then shown that also for the optimised setup support vector machines are the best choices for the given task. However, fewer machines are required in this case.
In the second part of the thesis different learning methods are applied for the reconstruction of underwater images. First laboratory tests are performed using a special light source imitating underwater lighting conditions. It is shown that a combination of the k-nearest neighbour method and support vector machines yields excellent results. Based on these results an experimental verification is performed under severe conditions in murky water of a diving basin. It is shown that the k-nearest neighbour method gives very good results for small distances between the object and the camera and for small water depths in the red channel. For higher distances, water depths, and for the other colour channels a combination of support vector machines is the best choice for the reconstruction of the colour as seen under white light from the underwater images.
Thus, a novel approach to autonomous underwater vehicle navigation and the reconstruction of underwater images is proposed and developed in this thesis
Quantitative investigations of in-cylinder flow fields, gas-phase temperatures, and early flame propagation via spatially resolved measurement techniques
No full textOptische in-situ Messtechniken ermöglichen eine berührungsfreie räumliche und zeitliche Analyse der hoch instationären Vorgänge in Verbrennungsmotoren. Abbildende innermotorische Messungen von Strömungsgeschwindigkeiten, Gasphasentemperaturfluktuationen und Flammenausbreitung sind Schwerpunkt dieser Arbeit. In einem optisch zugänglichen Einzylinder-Ottomotor wurden die für den Wandwärmeübergang und die Selbstzündkinetik wichtigen vektoriellen und wandnahen skalaren Grö-ßen hochaufgelöst und quantitativ abgebildet. Zusätzlich wurde in Experimenten der Einfluss zykli-scher Schwankungen auf die frühe Flammenausbreitung untersucht, sowie die Interaktion der Flam-menfront mit dem Feuerstegvolumen analysiert. Als ortsaufgelöste quantitative Messtechniken wurden Particle Image Velocimetry (PIV) und laserinduzierte Tracerfluoreszenz (Tracer-LIF) eingesetzt. Für die Visualisierung der Zündung und der frühen und späten Flammenausbreitung wurde das Eigen-leuchten der Verbrennung bei kHz-Raten detektiert. Der Großteil der experimentell gewonnenen Da-tensätze floss in die Validierung von Grobstruktursimulationen (LES) bei verschiedenen Projektpart-nern ein, deren Ergebnisse hier zusammenfassend dargestellt sind.
Neben den Untersuchungen am optisch zugänglichen Verbrennungsmotor wurden weitere Strömungs-messungen an einem stationär durchströmten Zylinderkopf mit gleicher Geometrie durchgeführt. Der Fokus dieser Experimente lag dabei auf einer systematischen Analyse der Einlassströmung. Die lokale Strömungsablösung am Einlassventil und Ventilspalt sowie die nachfolgende Ausbildung (teil)kohärenter Strömungsstrukturen im Zylinder wurden dabei mithilfe räumlich hochauflösender PIV bei unterschiedlichen Einlassrandbedingungen untersucht.Non-intrusive optical in-situ diagnostics enable detailed analysis of the unsteady processes in internal combustion engines. The focus of this work were two-dimensional measurements of flow velocities, gas-temperature fluctuations, and flame propagation in an IC engine. The quantities relevant for wall-heat transfer and auto ignition were imaged with high resolution in an optically accessible single-cylinder spark-ignited engine. Also, the impact of cyclic variability on early flame propagation was studied, as well as the interaction of the flame front with the top-land crevice volume. Particle image velocimetry (PIV) and laser-induced tracer fluorescence (tracer-LIF) were applied for quantitative two-dimensional measurements. For the visualization of ignition and early and late flame propagation, chemiluminescence was imaged at kHz rates. The majority of the recorded datasets was used to validate large-eddy simulations (LES) of collaborators, whose results are briefly summarized for reference.
In addition to the investigations in the optically accessible IC engine, further flow measurements were carried out in a cylinder head with the same geometry on a flow bench. The focus of these experiments was on a systematic analysis of intake flow. The local flow separation at the intake valve and the valve gap as well as the subsequent formation of semi-coherent flow structures in the cylinder were studied for a range of intake conditions using high-resolution two-component PIV
Zeitaufgelöste Elektronenbeugung an Oberflächen - Anregung von Oberflächenphononen dünner Bismuthfilme und Bleiinseln auf Silizium(111)
No full textIn dieser Arbeit wurde mittels zeitaufgelöster hochenergetischer Elektronenbeugung in Reflexion (RHEED) die Gitteranregung der Oberfläche von dünnen Bismuthfilmen und Bleiinseln auf Silizium(111) untersucht. Um Anregungszeitkonstanten von nur wenigen Picosekunden messen zu können, musste die Zeitauflösung des Experiments verbessert werden. Dazu wurde ein optischer Aufbau in den experimentellen Aufbau implementiert, der die Laserpulsfront des anregenden Laserpulses schrägstellt. Die Zeitauflösung konnte auf etwa 1 ps verbessert werden.
Die Verbesserung der Zeitauflösung ermöglicht es uns, die Anregung des Oberflächengitters eines dünnen Bismuthfilms mit der des Volumens zu vergleichen, die bereits mit Transmissionselektronenbeugung (TED) untersucht wurde. Mit beiden Methoden wird aufgrund des Debye-Waller Effektes ein Einbruch der Beugungsintensität beobachtet, aus dem die Anregungszeitkonstante bestimmt werden kann. Auffällig ist, dass die Zeitkonstante für die Oberflächenanregung des dünnen Bismuthfilms mit 12,5 ps etwa 4 mal größer ist als die für Volumenanregung. Die unterschiedlichen Zeitkonstanten können dadurch erklärt werden, dass Volumenmoden durch Elektron-Phonon-Kopplung in 2-4 ps angeregt werden und die Oberflächenmoden mit einer Zeitkonstante von 12,5 ps angeregt werden. Der Einfluss der Volumenmoden an der Oberfläche ist verschwindend gering.
Für die Bleiinseln auf Silizium(111) wurde eine Anregungszeitkonstante von 3,8 ps ermittelt. Aufgrund stärkerer Elektron-Phonon- und Phonon-Phonon-Kopplung als bei Bismuth war eine kürzere Zeitkonstante zu erwarten.
Die üblich bei RHEED angewandte Auswertemethode setzt eine equilibrierte Phononenverteilung. In unserem Fall, unmittelbar nach der Anregung, ist diese Bedingung nicht gegeben. Daher erfolgte eine alternative Auswertung der RHEED-Daten analog zu der bei TED-Daten üblichen Auswertung ("TED-Analyse"). Dabei wurde beobachtet, dass die mit dieser Methode ermittelten Zeitkonstanten mit steigendem Intensitätseinbruch kürzer wurden. Dieses Verhalten wird durch eine Näherung verursacht, die bei der "TED-Analyse" verwendet wird und nur für kleine Intensitätseinbrüche gültig ist. Bei TED-Experimenten sind die Intensitätseinbrüche meist kleiner als 20%, während bei RHEED-Experimenten auch häufig Einbrüche von 40% und mehr auftreten. Der Einfluss der Größe des Intensitätseinbruchs auf die Zeitkonstante wurde in dieser Arbeit bestimmt, um den Bereich zu ermitteln, in dem die Näherung gültig ist und die "TED-Analyse" verwendet werden darf. Für Intensitätseinbrüche unter 20% liegt der Fehler der bestimmten Zeitkonstante unter 10%. Für größere Intensitätseinbrüche nimmt die Zeitkonstante dramatisch ab und eine andere Auswertemethode muss angewandt werden. Dieses Ergebnis ist für die Auswertung aller zeitaufgelösten Beugungsexperimente wichtig: die üblich angewandte Auswertungsmethode darf nur genutzt werden, wenn die oben genannten Bedingungen erfüllt sind und der Intensitätseinbruch nicht zu groß ist
Energy efficiency and the use of waste heat in plastics processing
No full textIm Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine ganzheitliche Betrachtung der Themen Energieeffizienz und Abwärmenutzung in den Kunststoffverarbeitungsverfahren Spritzgießen und Extrusion. Aufgrund der in den letzten Jahren deutlich gestiegenen Strompreise und der damit gewachsenen, finanziellen Belastungen, besitzen verschiedene Aspekte innerhalb dieses Themenkomplexes eine große Bedeutung für die Gesamtbranche der Kunststoffverarbeitung. Die damit einhergehende Gefährdung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit des Produktionsstandortes Deutschland steht seit längerer Zeit im Fokus der Betrachtungen. Eine energieeffiziente Produktionsweise entwickelt sich somit zunehmend zu einem entscheidenden Erfolgsfaktor. Die in der Arbeit aufgezeigten Lösungen und Ergebnisse beinhalten sowohl allgemeingültige Ansatzpunkte als auch die Darstellung konkreter, prozessspezifischer Einsparpotentiale zur Steigerung der Energieeffizienz.
Die Arbeit behandelt vier Themenkomplexe. Nach der einleitenden Darstellung der energetischen Gesamtsituation innerhalb der Branche erfolgt eine Übersicht der prozessspezifischen und prozessübergreifenden Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz. Dabei werden sowohl die Maschinen- und Prozesstechnik als auch die Einsparpotentiale durch die Nutzung der aus den Prozessen abgeführten Wärmeströme berücksichtigt. Nach der Darstellung und Interpretation etablierter Studienergebnisse und energetischer Kennzahlen wird das Thema vor dem Hintergrund der für kunst-stoffverarbeitende Unternehmen relevanten politischen Entwicklungen und der daraus abgeleiteten Konsequenzen betrachtet. In vielen Fällen ist hier eine Senkung der Energiekosten durch die Inanspruchnahme von Steuererleichterungen möglich. Dabei besitzt die Implementierung eines sinnvoll gestalteten Energiemanagementsystems besondere Bedeutung.
Im zweiten Themenkomplex erfolgt eine Evaluation energetischer Kennzahlen für die betrachteten Verarbeitungsverfahren. Dabei werden sowohl die für eine aussagekräftige Auswertung benötigten Komponenten und Kennzahlen als auch die Auswirkungen verschiedener Maßnahmen auf die Energieeffizienz herausgestellt. Zu diesen Maßnahmen zählen neben der Variation von Betriebspa-rametern bestehender Maschinen vor allem auch die Verwendung verschiedener Maschinen- und Antriebskonzepte. Die Ergebnisse zeigen eine klare Beeinflussbarkeit der Energieeffizienz. Die aus einer durchgeführten Befragung gewonnenen energiebezogenen Daten von kunststoffverarbeitenden Unternehmen in Nordrhein-Westfalen ermöglichen anschließend die Erstellung einer Benchmarking-Datenbank für das Spritzgießverfahren.
Im dritten Teil der Arbeit wird ein extrusionsspezifisches Konzept zur Nutzung des bei der Innenkühlung von Rohren abgeführten Wärmestroms zur direkten Granulatvorwärmung konzeptioniert und erprobt. Neben der Validierung der technischen Umsetzbarkeit erfolgt die Bewertung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Dabei werden insbesondere die prozessspezifischen Wechselwirkungen zwischen resultierenden Änderungen der Prozessparameter untersucht. Die Ergebnisse ermöglichen eine vollständige Bilanzierung der energetischen Auswirkungen dieser neuen Möglichkeit zur Abwärmenutzung. Des Weiteren führen sie zur Konzeptionierung eines alternativen Abwärmenutzungssystems, welches unabhängig vom hergestellten Produkt auch für allgemeine Extrusionsprozesse ohne eine zusätzliche Innenkühlung des Extrudats anwendbar ist.
Im letzten Themenkomplex wird ein alternatives Verfahren zur Bewertung von Änderungen der Energieeffizienz bei einer modifizierten Produkt- oder Prozessgestaltung erarbeitet. Dabei wird neben den Veränderungen der spezifischen Energieverbräuche auch eine Änderung der Produktwerte aus Hersteller- und Kundensicht berücksichtigt. Es kann gezeigt werden, dass eine Bewertung der Energieeffizienz mittels des für diese Zwecke etablierten mengenspezifischen Energieverbrauchs in solchen Fällen oftmals zu Fehlinterpretationen führt. Durch die Bildung verfahrensspezifischer Fallstudien und die Auswertung der resultierenden energetischen Veränderungen wird dies verdeutlicht.This thesis gives a holistic view on energy efficiency in plastics processing with a special attention to the processes of injection molding and extrusion. Because of challenges linked to large price increases for electric energy, different issues of this topic are of great importance for the whole industry sector. The threat to the international competitiveness for production facilities in Germany has also been a topic for some time. A production site with high energy efficiency is becoming a key success factor. The results of this work include solutions for common processes as well as for process-specific potentials to increase energy efficiency in plastics processing.
The thesis covers four issues. After an introduction into the overall energy situation of the sector an overview of process-specific and process-independent measures for increasing energy efficiency is given. This includes machine and process technology as well as opportunities to increase energy efficiency by using waste heat energy. After the presentation and interpretation of established study results and energy indicators, the topic is considered in the light of relevant political developments and the derived consequences for plastics processors. In many cases, a reduction of energy costs is possible by using tax concessions. The implementation of a sensible designed energy management system therefore has special significance.
The second part deals with the evaluation of energy indicators in the focussed processes. The components and performance indicators for a meaningful evaluation are developed. With that, the effects of different measures on energy efficiency can be examined. These measures consist of a variation of operating parameters and the use of several machine technologies with different drive concepts. The results show a clear ability of these activities to influence energy efficiency. After that, an analysis of data obtained from a survey of plastics processors in North Rhine-Westphalia takes place. This enables insights into their energy situation and the creation of a benchmarking database for the injection molding process.
After that, an extrusion-specific concept for using the waste heat flow of an internal pipe cooling sys-tem is designed and tested. The extracted heat flow is used directly for preheating of the processed plastic granulate. In addition to validating the technical feasibility, an evaluation of the economic efficiency of this approach is given. The process-specific interactions between the resulting temperature of the plastic granulate, the melt temperature and changes to throughput are examined in particular. The findings allow a complete balance for the resulting energetic effects caused by the use of waste heat energy. Furthermore, they lead to the conception of an alternative waste heat recovery system, which is more generalized and not only usable for pipe extrusion with waste heat coming from inner pipe cooling. As a result, it is also applicable to general extrusion processes without an additional internal product cooling system.
The final part of this thesis covers an alternative method for assessing changes in energy efficiency if there is a change in product or process design. In addition to changes of specific energy consump-tion a change of product value is also considered from the manufacturer`s as well as from the cus-tomer's point of view. It can be shown that an assessment of such changes using the established specific energy consumption can lead to misinterpretations. The formation of process-specific case studies and the evaluation of the resulting changes in energy consumption illustrate this fact
Molecular microbial eukaryote diversity in five rift valley lakes and description of three ciliates species from lake Bogoria, Kenya
No full textDie molekulare Diversität, Phylogenie und taxonomische Zusammensetzung von Protisten-Gesellschaften aus fünf Rift Valley Seen in Kenia wurden mit klassischer Mikroskopie und der 454 Pyrosequenzierungs-Technik untersucht. Insgesamt erhielt ich 96.555 Amplikons (Durchschnittslänge 250 bp), von denen 33,8% Metazoen und andere Nicht-Zielorganismen waren. Die restlichen eukaryotischen Amplikons wurden taxonomischen Einheiten (operational taxonomic units – OTUs) zugeordnet, die durch den besten Treffer für jedes Amplikon des Basic Local Alignment Search Toolfür Nukleotide (BLAST) in der National Center for Biotechnology Information Datenbank (NCBI) definiert wurden. Die taxonomische Vielfalt der Protisten war hoch und die 18s-rRNA-Amplikons wurden neun hochrangigen taxonomischen Gruppen zugeordnet. Die 746 eingruppierten OTUs hatten eine Übereinstimmung mit den Referenzsequenzen von 97%. Die meisten gefundenen Sequenzen wurden den Alveolata zugeordnet (27,2% der Gesamtsequenzen, zumeist Ciliophora). Weitere taxonomische Gruppen, denen viele Sequenzen zugeordnet wurden, waren: Stramenopiles (14,2%), Fungi (11,2%), Chlorophyta (11,1%) und Cryptophyta (9%). Auch nicht weiter klassifizierte Sequenzen (unclassified environmetal Sequentes – ES) machten mit 13,2% einen größen Teil der Gesamtsequenzen aus. Nach der Analyse über rarefaction ergab sich bei einem Level von je 1000 Einzelsequenzen eine Zuordnung zu 13 bis 148 OTUs pro Probe. Die Diverstität der Protisten zeigte spezifische räumliche Verteilungsmuster in den Seen, die mit vorliegenden Umweltvariablen, insbesondere dem Salzgehalt, korrelierten. Vertiefende Analysen mit dem Fokus auf Ciliaten und Chlorophyta zeigten eine Vielfalt, die durch eine hohe Anzahl von Amplikons in den Süßwasserseen gekennzeichnet war. Des Weiteren führe ich eine taxonomische Beschreibungen der drei Ciliatenspezies (Frontonia alkalina sp. cand., Euplotes endoroisi sp. cand. und Condylostoma bogoriense sp. cand.) aus dem Lake Bogoria basierend auf morphologischen Merkmalen durch. Die vorliegende Arbeit gibt einen breiten Überblick über die molekulare Vielfalt der Protisten-Gesellschaften der fünf untersuchten Seen, die den Bereich von Süßwasser bis mesosalin umfassen (0,3 - 34,1 ‰ Salzgehalt). Sie zeigt die Rift Valley Seen als wichtiges Reservoir eukaryotisch-protistischer Vielfalt und macht deutlich, dass unser Verständnis der Community-Struktur und molekularen Diversität mikrobieller Eukaryoten in diesen tropischen Seen noch begrenzt ist.The molecular diversity, phylogeny and taxonomic composition of protist communities from five Rift Valley lakes in Kenya were investigated using classical microscopy and 454 pyrosequencing techniques. Overall, I obtained 96,555 amplicons (average length 250 bp) of which 33.8 % were metazoan and other non-target organisms. The remaining eukaryotic protist amplicons were assigned to operational taxonomic units (OTUs) defined by the best match for each amplicon using the Basic Local Alignment Search Tool (BLAST) of nucleotides from the National Center for Biotechnology Information (NCBI) database. Protistan taxonomic richness was high, and the 18SSU rRNA gene amplicons were assigned to nine high-rank taxa grouped into 746 representative OTUs at 97% similarity to the reference sequences. The most abundant sequences were affiliated to Alveolata (27.2 % of total sequences, mostly Ciliophora). Other abundant sequences were: Stramenopiles (14.2 %), Fungi (11.2 %), Chlorophyta (11.1 %), Cryptophyta (9 %) and 13.2 % unclassified environmental sequences (ES). Following rarefaction to 1000 reads per lake, the amplicons yielded between 13 – 148 OTUs per sample. The protistan diversity exhibited specific spatial distribution patterns in the lakes as a function of the environmental variables, notably salinity. In-depth analyses focussing on ciliates and chlorophytes revealed a diversity characterized by a high number of amplicons in the freshwater lakes. Additionally, I provide here a taxonomic descriptions of three ciliate species (Frontonia alkalina spec. candidatus., Euplotes endoroisi spec. candidatus. and Condylostoma bogoriense spec. candidatus), from Lake Bogoria, based on morphological characters. This work gives a broad overview of the molecular diversity of protistan eukaryotic assemblages from the five lakes spanning a range from freshwater to mesosaline (0.3 – 34.1 ‰ salinity). It unveils the alkaline – saline Rift Valley lakes as an important reservoir of eukaryotic protists diversity and shows that our understanding of the community structure and molecular diversity of microbial eukaryotes in these tropical lakes is still limited