Universität Stuttgart
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Item Open Access Application-specific UML profiles for multidisciplinary product data integration(2011) Reichwein, Axel; Rudolph, Stephan (Priv.Doz. Dr.-Ing.)This thesis examines the suitability of the UnifiedModeling Language (UML) to establish a central product model for multidisciplinary product data integration. Computer-aided product design involves the use of specialized discipline-specific software applications in order to model and simulate various product aspects. Dependencies between models are thereby frequent as the same product information often appears redundantly in various engineering models. In addition, dependencies exist due to relationships between distinct features of various models. As a result, model modifications frequently require the update of dependent models. Data consistency between models is achieved automatically through model-to-model data exchange software. The use of a central product model enables to reduce the required number of data exchange connections. Central product models store product information which is spread across several models and achieve data consistency through data exchange connections between themselves and specific models as in a hub-and-spoke network. Central product models are especially useful for automatic data consistency in design scenarios which include a high number of inter-model dependencies and model modifications. The integration of geometry and therefrom derived models such as structural analysis or computational fluid dynamics models has already been successfully addressed in numerous central product models. However, the multidisciplinary integration of more diverse models, such as geometric, software, controller and multibody system models, currently presents a challenge. Although several central product models have been developed for multidisciplinary design, none has yet gained, in contrast to geometry-focused central product models, wide acceptance nor reached the status of an international standard. The unmanageable high number of diverse discipline- and application-specific modeling concepts hinders the development of a standardized holistic central product representation. This thesis investigates the possibility of establishing an interdisciplinary central product model based on the common modular structure of models from various disciplines. Most models which are edited with current state-of-the-art software applications are composed of modular components in order to support the exchange and reuse of model information. Models from different disciplines therefore share common modeling concepts for the specification of modular model components. However, there is yet no overarching modeling standard to describe the common characteristics of modular model components from various disciplines. Object-oriented modeling concepts currently mainly describe software modules called objects. Object-oriented modeling concepts are generic and can be used to represent modular components in general. The Unified Modeling Language (UML) has been since its emergence in 1997 the de facto standard for object-oriented modeling. This thesis examines the use of the object-oriented modeling concepts of the UML to uniformly describe widely used application-specific geometric, dynamic and multibody system models in a central product model. Application-specific model information was represented in UML through generic UML modeling concepts in combination with lightweight UML extensions in the form of stereotypes. UML profiles regrouped stereotypes which corresponded to a specific modeling application. The automatic translation of UML model information into the specific models and vice versa was implemented in order to test and validate the application-specific UML profiles. The UML-based central product model was used in several test cases to automatically generate consistent models for the simulation and evaluation of various product configurations. The test cases included models for the simulation of slider-crank mechanisms, the evaluation of cabin pressure control systems, the design of conveyor system configurations, the evaluation of satellite configurations and the generation of customized aircraft geometry. The workflows within the test cases included the automatic creation and modification of UML models as well as the invocation of data exchange connections. The workflows were described in executable UML activity diagrams or Java programs. The thesis demonstrates that the UML can be used beyond conventional software modeling to establish a central holistic product representation. The modeling concepts of geometric, dynamic and multibody system models were translated mostly according to one-to-one mappings into corresponding UML modeling concepts with their respective stereotype. As a result, the specific model information is easily recognizable in the UML-based central product model. Furthermore, the use of a UML-based central product model is facilitated for the many modelers who are already familiar with the widespread and standardized UML modeling language.Item Open Access Verbrennung von Aktiniden aus Leichtwasserreaktoren in modularen Hochtemperaturreaktoren zur Reduzierung langlebiger Nuklide(2012) Meier, Astrid; Lohnert, Günther (Prof. Ph.D.)In Leichtwasserreaktoren (LWR) entstehen langlebige und radiologisch toxische Nuklide, wie z. B. Plutonium und Minore Aktinide (Neptunium, Americium, Curium, ...), die nach der Brennelemententnahme für lange Zeit sicher verwahrt werden müssen. Zur Reduzierung des hochradioaktiven, langlebigen Materials wird unter anderem an der Umwandlung mittels Transmutation und Kernspaltung in kurzlebige Nuklide geforscht. Als Transmutationssyteme werden Generation-IV-Reaktoren und beschleunigergetriebene Systeme untersucht. Einer der Generation-IV-Reaktoren ist der grafitmoderierte, Helium gekühlte Hochtemperatur-Kugelhaufen-Reaktor (HTR). Die Vorteile des HTR ist zum einen die Brennelementstruktur, durch die hohe Abbrände möglich sind. Außerdem die inhärente Sicherheit, das heißt es ist möglich, den Reaktor ohne aktive Systeme in einen sicheren Zustand zu bringen, ohne dabei die Strukturen zu zerstören oder radioaktive Substanzen freizusetzen. In dieser Arbeit werden die aus den abgebrannten LWR-Brennelementen extrahierten Nuklide Plutonium, Neptunium und Americium zu neuem Brennstoff verarbeitet und in einen HTR eingesetzt. Das Ziel ist es, den Großteil der langlebigen Nuklide umzuwandeln, um damit die Menge langlebiger Nuklide und Toxizitäten im abgebrannten Brennelement zu reduzieren. Dafür wird der höchstmögliche Abbrand bestimmt. Die Grundidee stammt aus dem Projekt „Plutonium and Minor Actinides Waste Management“ (PuMA) der Europäischen Union. Die Definition der Brennelement- und Reaktorgeometrie werden aus diesem Projekt entnommen. Der Referenzreaktor ist nahezu identisch zum südafrikanischen Hochtemperaturreaktor mit 400 MW_th Leistung und fester Grafitinnensäule (Pebble Bed Modular Reactor PBMR-400). Es zeigt sich, dass der maximale mittlere Entladeabbrand unterhalb von 700 MWd/kg SM liegt und nicht wesentlich von der geometrischen Form der Kugelschüttung beeinflusst wird. Untersucht wird außerdem das Verhalten des mit Plutonium- und Minoren Aktiniden-Brennstoff gefüllten stationären HTR im Vergleich zu dem mit Uran-Brennstoff betriebenen. Durch den veränderten Spaltstoff ist das Verhalten des Reaktors unterschiedlich, z. B. bei Temperaturänderung oder im Störfall. Die Temperaturen in den Plutonium- und Minoren Aktiniden-Brennelementen sind weit über den erlaubten Grenztemperaturen. Dies resultiert aus der veränderten Abbrand- und Leistungsverteilung im Vergleich zum Uran beladenen Reaktor. Eine Änderung des Reaktorkonzepts zu dem vorgegebenen Referenzsystem ist daher notwendig. Mittels verschiedener Variationen wird nach Verbesserungen gesucht. Die veränderte Nuklidzusammensetzung, deren Radiotoxizitäten und die Wärmefreisetzung der abgebrannten Brennelemente werden ebenfalls analysiert. Direkt nach Brennelemententnahme sind die Radiotoxizitäten und die Nachzerfallsleistung größer als die des frischen HTR-Brennelements, während das Abklingen dieser Werte schneller erfolgt. Durch die Forderung eines Zwischenlagers wäre es möglich, die Größe des Endlagers zu reduzieren und dadurch die Gesamtkosten zu verringern.Item Open Access Interactive parallel post-processing of simulation results on unstructured grids(2014) Niebling, Florian; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Numerical simulations and the assessment of their results are constantly gaining importance in product design and optimization workflows in many different fields of engineering. The availability of massively parallel manycore computing resources enables simulations to be executed with accuracies posing very high requirements on the methods for interactive post-processing of the simulation results. A traditional post-processing of such large-scale simulation datasets on single workstations is often no longer possible due to the limited resources such as main memory, the low number of compute cores and the available network bandwidth to the simulation cluster. In this work, concepts and solutions are presented that enable interactive post-processing of large-scale datasets generated by fluid dynamic simulations on unstructured grids through the use of parallel manycore environments. A software architecture the parallel post-processing and visualization, as well as specific optimizations of frequently used methods for post-processing are introduced that enable the interactive use of parallel manycore resources. The implementation of the methods and algorithms is based on existing manycore devices in the form of programmable graphics hardware, which are no longer solemnly usable for computer graphics applications, but are getting increasingly interesting for general purpose computing. It will be shown, that methods for visualization of fluid simulation data such as the interactive computation of cut-surfaces or particle traces is made possible even for large-scale unstructured data. Additionally, an algorithm for the dense texture-based visualization of flow fields will be introduced that combines the presented methods for the extraction of cut-surfaces, isosurfaces and particle tracing. This algorithm for line integral convolution enables the interactive post-processing of flow fields on partitioned and distributed unstructured grids. The methods introduced in this thesis are evaluated using several large-scale simulation datasets from different fields of engineering in scientific and industrial applications.Item Open Access Dynamic water masks from optical satellite imagery(München : Verlag der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, 2019) Elmi, Omid; Sneeuw, Nico (Prof. Dr.-Ing.)Investigation of the global freshwater system has a vital role in critical issues e.g. sustainable development of water resources, acceleration of the hydrological cycle, variability of global sea level. Measurement of river streamflow is vital for such investigations as it gives a reliable estimate of freshwater fluxes over the continents. Despite such importance, the number of river discharge gauging station has been decreasing. At the same time, information on the global freshwater system has been increasing because of various types of ground observations, water-use information and spaceborne geodetic observations. Nevertheless, we cannot answer properly crucial questions about the amount of freshwater available on a certain river basin, or the spatial and temporal dynamics of freshwater variations and discharge, or the distribution of world’s freshwater resources in the future. The lack of comprehensive measurements of surface water storage and river discharge is a major impediment for a realistic understanding of the hydrological water cycle, which is a must for answering the aforementioned questions. This thesis aims to improve the methods for monitoring the surface extent of inland water bodies using satellite images. Satellite imaging systems capture the Earth surface in a wide variety of spectral and spatial resolution repeatedly. Therefore satellite imagery provides the opportunity to monitor the spatial change in shorelines, which can serve as a way to determine the water extent. Each band of a multispectral image reveals a unique characteristic of the Earth surface features like surface water extent. However selecting the spectral bands which provide the relevant information is a challenging task. In this thesis, we analyse the potential of multispectral transformations like Principal Component Analysis (PCA) and Canonical Correlation Analysis (CCA) to tackle this issue by condensing the information available in all spectral bands in just a few uncorrelated variables. Moreover, we investigate how the change between multispectral images at different epochs can be highlighted by using the transformations. This study proposes an automatic algorithm for extracting the lake water extent from MODIS images and generating dynamics lake masks. For improving the accuracy of the lake masks and computational efficiency of the algorithm, two masks are defined for limiting the search area. The restricting masks are developed according to DEM of the surrounding area together with a map of the long-term variation of pixel values. Subsequently, an unsupervised pixel-based classification algorithm is applied for defining the lake coastline. The algorithm particularly deals with the challenges of generating long time series of lake masks. We apply the algorithm on five lakes in Africa and Asia, each of which demonstrates a challenge for lake area monitoring. However in the validation section, we demonstrate that the algorithm can generate accurate dynamic lake masks. Rivers show diverse behaviour along their path due to the contribution of different parameters like gradient of the elevation, river slope, tributaries and river bed morphology. Therefore for generating accurate river reach mask, we need to consider additional sources of information apart from pixel intensity. The region-based classification algorithm that we propose in this study takes advantages of all types of available information including pixel intensity and spatial and temporal interactions. Markov Random Fields provide a flexible frame for interaction between different sources of data and constraint. To find the most probable configuration of the field, the Maximum A Posteriori solution for the MRF must be found. To this end, the problem is reshaped as an energy minimization. The energy function is minimized applying graph cuts as a powerful optimization technique. The uncertainty in the graph cuts solution is also measured by calculating the minimum marginal energies. The proposed method is applied to four rivers reaches with different hydrological characteristics. We validate the obtained river area time series by comparing with in situ river discharge and satellite altimetric water level time series. Moreover, in this study, we present river discharge estimation models using the generated river reach masks. Our aim is to find an empirical relationship between the average river reach width and river discharge. The statistics in the validation periods support the idea of using river width-discharge prediction models as a complementary technique to the other spaceborne geodetic river discharge prediction approaches.Item Open Access Ganzheitliche Datenerfassung für verbesserte Zuverlässigkeitsanalysen(2012) Leopold, Tobias; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Die Produktzuverlässigkeit stellt eine der wichtigsten Produktmerkmale dar, die weitestgehend während der Produktentstehung determiniert wird. Der darauf basierende Anspruch einer geringen Ausfallwahrscheinlichkeit von Produkten bedarf umfangreicher Zuverlässigkeitsanalysen während der Entwicklung und Herstellung eines Produkts. Der endgültige Nachweis, ob die Anstrengungen zur Erreichung und Sicherstellung der Produktzuverlässigkeit erfolgreich waren, kann abschließend erst während der Nutzungsphase des Produkts erfolgen. Somit muss der gesamte Produktlebenszyklus von Zuverlässigkeitsanalysen begleitet werden. Die Basis für aussagekräftige Zuverlässigkeitsanalysen sind, neben einer korrekten und zweckmäßigen Anwendung von Zuverlässigkeitsmethoden, die dafür notwendigen Zuverlässigkeitsdaten. Nur die Verbindung einer geeigneten Datenbasis mit bedarfsgerechten Analysemethoden erlaubt die Beantwortung wichtiger Fragestellungen der Zuverlässigkeitstechnik. Insbesondere die Zuverlässigkeitsdaten müssen dafür umfangreiche und teilweise sehr unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Neben einer Anforderungsanalyse müssen deshalb die potentiell zur Verfügung stehenden Zuverlässigkeitsdaten untersucht und bewertet werden. Um eine Vergleichbarkeit der Bewertungen verschiedener Datenquellen sicherzustellen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Bewertungsmodell für Zuverlässigkeitsdatenquellen entwickelt und angewandt, das auf wichtigen Anforderungen und Eigenschaften von Zuverlässigkeitsdaten beruht. Da im Allgemeinen nur eine begrenzte Anzahl an Zuverlässigkeitsdatenquellen zur Verfügung steht bzw. realisiert werden kann, muss in Abhängigkeit der Aufgabenstellung eine ideale Kombination von Zuverlässigkeitsdatenquellen für anschließende Zuverlässigkeitsanalysen bereitgestellt werden. Dabei ist neben dem Nutzen der Datenquellen zusätzlich der Aufwand zu berücksichtigen, der für deren Verwendung entsteht. Unter Berücksichtigung der umfangreichen Zusammenhänge wird in dieser Arbeit ein modularer Aufbau einer ganzheitlichen Zuverlässigkeitsdatenerfassung entwickelt. Nur durch die Kombination von verschiedenen Datenquellen, die unterschiedliche Anforderungen von unternehmerischen Aufgabenstellungen erfüllen, kann eine sinnvolle Datenbasis für Zuverlässigkeitsanalysen geschaffen werden. Zusätzlich sind Aspekte der Unternehmensintegration zu berücksichtigen, die sich in einem zentralen Zuverlässigkeitsmanagement sowie der Prozess- und Projektverankerung widerspiegeln.Item Open Access Adaptive Methoden zur Pfadverfolgung bei Entfestigung(2014) Pohl, Tanja; Bischoff, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung robuster und effizienter numerischer Kontrollmethoden zur Ermittlung statischer Gleichgewichtspfade. Insbesondere bei entfestigenden Strukturen versagen konventionelle Pfadverfolgungsmethoden häufig nach Erreichen von Traglastpunkten. Der Fokus der Arbeit liegt auf Adaptivitätskriterien, die den Auswertungsort eines Kontrollparameters in Abhängigkeit des Entfestigungsprozesses in jedem Lastschritt festlegen. Diese selbst-adaptierende Kontrollregion liefert die Grundlage für die Auswertung der Kontrollparameter der adaptiven Verzerrungskontrolle und der adaptiven Verschiebungskontrolle in der Prozesszone. Hierfür werden die äquivalenten Verzerrungen aller Gaußpunkte überwacht und mit Kriterien zur Bestimmung einer aktiven Prozesszone abgeglichen. Der identifizierte Gaußpunkt beziehungsweise das zugehörige Element bildet dann die Kontrollregion im aktuellen Lastschritt. In der adaptiven Verzerrungskontrolle sind die Kontrollgröße und der Parameter zur Identifikation der Kontrollregion identisch und direkt mit dem Schädigungsprozess verbunden. Die adaptive Verschiebungskontrolle in der Prozesszone beschreibt eine Verschiebungskontrolle des maximalen Inkrements der Elementverschiebungen in der Kontrollregion. Die Formulierung ist bis auf das Auswahlkriterium der Kontrollregion vom Schädigungsprozess entkoppelt. Die neu entwickelten Methoden weisen in den numerischen Beispielen wesentliche Verbesserungen im Bezug auf die Rechengeschwindigkeit gegenüber vergleichbar einsatzfähigen Methoden auf und vermeiden ungewollte künstliche Entlastungen.Item Open Access Numerische Untersuchungen zum Dichtmechanismus von Radial-Wellendichtungen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2025) Grün, Jeremias; Bauer, Frank (apl. Prof. Dr.-Ing.)In numerous applications, the tribological system rotary shaft seal is subjected to various dynamic loads on multiple scales. Trends and challenges towards electromobility have further increased the exposure of rotary shaft seals to extreme operating conditions and loads. The associated increasing demand for shorter development times with simultaneously growing requirements and changing conditions make the use of numerical models for the simulation of tribological systems inevitable. Within the scope of this study, a multiscale model has been developed for the transient simulation of the lubrication and sealing mechanism of rotary shaft seals. A multiscale finite element model divided into two subdomains provides the computation of the structural mechanics. The macroscopic subdomain is utilized to compute the large deformations of the sealing ring during mounting, while the second subdomain is used to determine the microscopic distortions of the surface roughness on the sealing edge. An efficient and automated modeling approach allows the direct integration of physical surface measurement data into the numerical model. A transient computational fluid dynamics model enables the simulation of the dynamic flow processes in the sealing gap on the microscale. Lubricant film thickness equations serve as an indirect coupling between structural mechanics and fluid mechanics. The temperature dependence of the lubricant data is taken into account in the fluid mechanics model and in the determination of the sealing gap height. An empirical model is introduced, in conjunction with the computational fluid dynamics model, to account for mixed lubrication effects, considering only the viscous portion of friction. Established test rig experiments, extended experimental approaches, and data from previous work validate and verify the developed and applied methods. The numerical analyses demonstrate reasonable outcomes and a high level of consistency between the numerical simulation results and experimental data across the scales under consideration. Deviations between the simulation and experimental results increase as the scale moves from macroscale to microscale, potentially due to various factors that have a more significant influence on the microscale and extrapolation errors. In conclusion, the multiscale analyses provide unique insights into the complex flow dynamics in the sealing gap of rotary shaft seals. This presents clear evidence of the active dynamic lubrication and sealing mechanism. Additionally, the model presents various possibilities for extension and application to other tribological problems.Item Open Access Techno-economic analysis of an instrument mix to decarbonize the electricity sector(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2024) Gillich, Annika; Hufendiek, Kai (Prof. Dr.-Ing.)Die Politiklandschaft zur Bekämpfung des Klimawandels wird zunehmend komplexer und damit auch ihre Analyse. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Bewältigung dieser Aufgabe, indem drei Kerninstrumente zur Dekarbonisierung des Stromsektors, nämlich CO2-Bepreisung, Förderung von erneuerbaren Energien und Kohleausstieg, systematisch bewertet werden. Dabei werden in drei Einzelanalysen ökonomische, technologische und Verteilungseffekte auf der Erzeugungsseite betrachtet, sowie Wechselwirkungen zwischen den Instrumenten. Die erste der Analysen beschäftigt sich mit ökonomischen Effekten eines Kohleausstiegs, der parallel zum EU ETS wirkt (sogenannte „overlapping policies“). Die zweite Analyse zeigt die kurzfristigen Effekte der drei Instrumente auf Marktpreise und Deckungsbeiträge einzelner Technologien auf. In der dritten Analyse wird die langfristige Rentabilität der Technologien in einem iterativen Ansatz untersucht, unter der Annahme von unzureichenden Knappheitspreisen im realen Markt. In allen drei Analysen kommt das lineare, systemkostenoptimierende Strommarktmodell E2M2 zum Einsatz, das für die jeweilige Fragestellung geeignet adaptiert wird. Die aus diesen Analysen abgeleiteten zentralen Empfehlungen für die Gestaltung eines Politikmixes im Stromsektor sind: Erstens sollte die Anzahl an Politikinstrumenten so gering wie möglich gehalten werden. Und zweitens sollte sich die Gestaltung und die Bewertung eines Instrumentenmix an dessen theoretisch optimalem Ergebnis orientieren. Die Berücksichtigung dieser Empfehlungen kann dazu beitragen, dass der Politikmix zur Dekarbonisierung des Stromsektors in Zukunft besser geeignet ist, die Klimaziele so effizient wie möglich zu erreichen.Item Open Access Entwicklung und Untersuchung eines Partikelverfahrens zur Simulation elektromagnetischer Wechselwirkungen in verdünnten Plasmaströmungen(2015) Stindl, Torsten; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)In einer Vielzahl von technischen Prozessen und Geräten, insbesondere in der Raumfahrt, spielen verdünnte Plasmaströmungen eine signifikante Rolle. Zur Erforschung, Auslegung und Optimierung dieser Prozesse und Geräte können numerische Plasmasimulationen einen wertvollen Beitrag liefern. Aufgrund der dünnen Plasmen und der damit verbundenen Ungültigkeit der Kontinuumsannahme werden Partikelverfahren verwendet. Gekoppelte PIC-DSMC-Verfahren zur Approximation der Boltzmanngleichung können sowohl elektromagnetische Interaktionen als auch Kollisionen der Partikel behandeln. Ein solches Verfahren wird derzeit in einer Kooperation zwischen dem Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) und dem Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart entwickelt, mit früheren Beteiligungen des Karlsruher Institut für Technologie (KIT), des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart (HLRS) und der German Research School der RWTH Aachen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Untersuchung von Teilen der PIC-Komponente dieses gekoppelten PIC-DSMC-Verfahrens und stellt die implementierten Verfahren und Techniken sowie die durch die Verifizierung und Untersuchung gewonnenen Erkenntnisse vor. Die theoretischen Grundlagen und physikalischen Zusammenhänge sowie die grundlegenden Gleichungen werden vorgestellt. Die Modellierung und Implementierung des PIC-Verfahrens wird erläutert und die räumlichen und zeitlichen Diskretisierungsmethoden sowie Randbedingungen des Verfahrens werden präsentiert. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Partikelbehandlung. Dazu gehören unter anderem die Partikellokalisierung und -verfolgung bezüglich des Rechengitters sowie die Randbehandlung der Partikel. Die entwickelten und vorgestellten Methoden ermöglichen eine zuverlässige und schnelle Verfolgung der Partikel auf unstrukturierten Gittern mit nicht planaren Flächen zwischen Gitterelementen. Dadurch wird allgemein die sichere Anwendung von Randbedingungen, für das PIC-Verfahren die korrekte Zuordnung der Partikel zu den Rechengitterelementen und für das DSMC-Verfahren die schnelle Erfassung der in einem Element befindlichen Partikel gewährleistet. Ein weiterer Aspekt der Partikelbehandlung ist die Deposition der Ladungen von den Partikeln auf das Rechengitter selbst, für die verschiedene Methoden präsentiert werden. Durch eine grundlegende Untersuchung dieser Methoden hinsichtlich Rechenaufwand, Ladungserhaltung und -verteilung wird deren Eignung für verschiedene Anwendungsbereiche und deren spezifischen Anforderungen identifiziert. Für die bisher verwendete Formfunktionsmethode wurde eine Alternative hoher Ordnung auf der Basis von B-Splines eingeführt, die durch die Verwendung eines kartesischen Hintergrundgitters zur Deposition zu einer signifikanten Reduzierung des Rechenaufwands führt. Da die Simulation der meisten Anwendungsfälle aufgrund der Notwendigkeit von hohen Partikelzahlen und hochaufgelösten Rechengittern sehr rechenintensiv ist und somit die Verwendung von parallelen Hochleistungsrechnern erfordert, ist das Verfahren voll parallelisiert. Die Methoden zurParallelisierung der einzelnen Teile des Verfahrens werden vorgestellt. Darüber hinaus wird die Skalierbarkeit und die Verteilung der Rechenlast gezeigt. Das PIC-Verfahren wird verifiziert und die Anwendbarkeit des Verfahrens am Beispiel der Simulation einer Strömung durch das Gitter eines Ionentriebwerks demonstriert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren und Techniken ermöglichen die parallele Simulation von dreidimensionalen verdünnten Plasmaströmungen auf komplexen Geometrien unter Verwendung des Discontinuous Galerkin Verfahrens hoher Ordnung, wofür die hierfür entwickelten und untersuchten Partikelbehandlungsmethoden einen wesentlichen Beitrag leisten.Item Open Access Entwicklung und Anwendung von Strömungsmessverfahren zur Untersuchung wandnaher Temperaturfelder(Stuttgart : Institut für Kernenergetik und Energiesysteme, 2016) Kuschewski, Mario; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die nichtisotherme Vermischung zweier Fluidströme in einem T-Stück im Hinblick auf die Erfassung hochqualitativer Messdaten zur Validierung von strömungsmechanischen Simulationsmodellen untersucht. Dafür wurde die modular konzipierte Teststrecke der Fluid-Struktur-Interaktions-Versuchsanlage der Universität Stuttgart verwendet. Diese stellt definierte strömungsmechanische Randbedingung für das T-Stück sicher und ermöglicht den flexiblen Einbau eines Thermoelementmoduls sowie zweier Optikmodule stromaufwärts und stromabwärts des T-Stücks. Das Thermoelementmodul ist für die Vermessung des wandnahen Temperaturfeldes mittels Thermoelementen vorgesehen. An den Optikmodulen ist der Einsatz nichtinvasiver optischer Messtechnik realisierbar. Zur Vermessung der Einströmrandbedingungen des T-Stücks wurde die planare laseroptische Geschwindigkeitsmesstechnik (PIV) eingesetzt. Mit ihrer Hilfe konnten sowohl die Geschwindigkeitsprofile als auch die Geschwindigkeitsspektren der Strömungen in den Einlaufsträngen des T-Stücks dokumentiert werden. Der dabei auftretende Messfehler wurde unter Berücksichtigung der besonderen optischen Gegebenheiten der Optikmodule unter der Betriebsrandbedingungen der Versuchsanlage experimentell und analytisch bestimmt. Als zweiter Schritt der Charakterisierung der nichtisothermen Vermischung im T-Stück wurden Thermoelementmessungen durchgeführt und ausgewertet. Auf Basis der entsprechenden Messdaten konnten sieben Strömungsformen nachgewiesen werden, die anschließend in drei Strömungsformenkarten zusammengefasst wurden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die empirischen Gesetzmäßigkeiten, welche isotherme Vermischungsvorgänge beschreiben, ungeeignet für die Charakterisierung der nichtisothermen Vermischung sind. Darüber hinaus wurden signifikante Einflüsse der temperaturbedingten Auftriebskräfte sowohl auf die mittleren Temperaturen als auch auf die effektiven Temperaturschwankungen in der Mischungszone nachgewiesen. Die o.g. Größen wurden auf Basis einer Dimensionsanalyse in Abhängigkeit von den Systemrandbedingungen und den selektierten dimensionslosen Kennzahlen beschrieben. Hierbei konnten unter anderem die Einflüsse des Impulsstromverhältnisses und der Dichteunterschiede auf die Temperaturschwankungen im Fluid gezeigt werden. Um nichtinvasive Temperaturmessungen in der Mischungszone des T-Stücks zu ermöglichen, wurde das Nahwand-LED-induzierte-Fluoreszenz-Messverfahren (NWLED-IF-Messverfahren) entwickelt. Letzteres ist ein neues nichtinvasives Verfahren, das erstmals die zweidimensionale Erfassung von Strömungsstrukturen in einer millimeterdünnen wandparallelen Fluidschicht nichtisothermer Strömungen ermöglicht. Die Identifikation von Rhodamin B als ein geeigneter fluoreszierender Farbstoffs für das NWLED-IF-Verfahren bei den vorgegebenen Randbedingungen (Temperaturen bis zu 150 °C und Drücken bis zu 7,5 MPa) erfolgte anhand einer Reihe systematischer Untersuchungen. Der Einsatz des NWLED-IF-Messverfahrens lieferte detaillierte Informationen über das mittlere und das instationäre Temperaturfeld in der Mischungszone. Anhand der gewonnenen Messdaten wurde nachgewiesen, dass die Temperaturschwankungsamplituden in der Mischungszone im direkten Zusammenhang mit den lokalen Temperaturgradienten stehen. Überdies wurden in der wandnahen Zone langgestreckte nichtisotherme Strukturen identifiziert und deren Temperatur, Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit für unterschiedliche Randbedingungen erfasst.