Universität Stuttgart
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Item Open Access Microbial biostabilization in fine sediments(2022) Gerbersdorf, Sabine Ulrike; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)Microbial biostabilization has increasingly received attention over the last years due to its significance for the dynamics of fine sediments in fluvial and coastal systems with implications for ecology, economy and human-health. This habilitation thesis highlights the contributions of the applicant and her team to this multi-disciplinary research area and is based on eight core publications that are presented in seven chapters. First, the topic of biofilm and biostabilization is introduced and second, the materials and methods applied are presented before own research findings are discussed. To start with, the stabilization potential of heterotrophic bacterial assemblages has been emphasised as well as the adhesive properties of the protein moieties within the EPS (extracellular polymeric substances) that are more significant than previously thought. Furthermore, the engineering potential of estuarine prokaryotic and eukaryotic assemblages has been studied separately and combined to reveal the effective cooperation of mixed biofilm that resulted in highest substratum stabilization although the effects were not clearly synergistic (=more than additive). The significance of biostabilization could be evidenced as well for freshwaters where highest adhesive capacity and sediment stability occurred during spring. Microbial community composition differed accordingly to result in mechanically highly diverse biofilm. Moreover, the importance of two of the most influential abiotic conditions, light intensity and hydrodynamics, was shown for biofilm growth, species composition and functionality - here biostabilization. In order to test adhesive properties at the relevant mesoscale (mm-cm) but non-destructively and highly sensitive, MagPI (Magnetic Particle Induction) has been applied. The last chapter concerns technical aspects to further improve its performance while demonstrating the impact of material and geometry and the importance of both, magnetic field strength and field gradient for the physics of the MagPI approach.Item Open Access Modeling the long-term behavior of structural timber for typical serviceclass-II-conditions in South-West Germany(2010) Schänzlin, Jörg; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)Creep deformation influences the serviceability limit state as well as the ultimate limit state of timber structures. In order to consider this time-dependent behavior, creep coefficients and rheological models have been developed by various researchers. Comparing the rheological models, quite different temporal deformations are evaluated for a duration of load of 50 ears. In order to find the model, which is most suitable to the situation in the region of Tübingen, South-West Germany, the existing deformations of several beams in roof structures in opened, protected but not heated buildings are measured. By loading the structure the elastic global stiffness of the particular element is determined. So creep coefficients can be evaluated, which should have been used by the engineer in order to get the existing deflection fter 50 years. Within the region of Tübingen, on average a creep coefficient of 2.23 was found based on these measurements. However, the standard deviation of 0.97 is quite large. For the numerical evaluation of the time-dependent behavior Toratti’s model is modified, so that it matches the measured deformations. This modified model is verified by an additional set of measurements in the region of Breisgau-Hochschwarzwald, where the influence of the snow on the creep coefficient has to be taken into account. However, the application of the modified model takes too much time due to the numerical solutions of the single time steps. By means of a case study, functions are fitted to the results of the models in order to develop “simple” functions for the determination of the creep coefficient with respect to the main influences. The creep deformation influences the ultimate limit state especially in composite structures or elements subjected to compression. For this reason, the influence of the increased creep strain is approximated for columns, in order to reach the same safety level as proposed in the current regulations in DIN 1052. Additionally, the design procedure for timber-concrete-composite structures is modified in order to consider the increased creep coefficients.Item Open Access Advanced methods for a sustainable sediment management of reservoirs(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Haun, Stefan; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)As a result of an increasing demand on storing water, sustainable reservoir management will become more and more important in the future. Minimizing, or in the best case avoiding, the loss of storage due to sedimentation is a challenging task because each reservoir has unique boundary conditions. Hence, not every management strategy is suitable for a given reservoir. Due to the combination of state of the art measurement methods and hydro‐morphodynamic models, reservoir sedimentation can be better predicted in the future and the success of sediment management strategies can be assessed. The development of advanced measurement methods makes it possible to obtain data with a high accuracy, but also with a high spatial and temporal resolution. The combination of recent measurement approaches with reliable hydro‐morphodynamic numerical prediction models, enhances a highly accurate prediction and understanding of governing processes. This opens new possibilities for an objective selection of important parameters, essential spatial domains as well as for the temporal resolution of measurements. This will finally lead to more reliable predictions about the future of reservoirs that provide water for human life, health and wealth. The presented scientific work gives an overview of recent developments to investigate hydromorphological processes in reservoirs.Item Open Access Mikropolare Zweiphasenmodelle : Modellierung auf der Basis der Theorie Poröser Medien(2000) Diebels, Stefan; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit wird eine Theorie zur Beschreibung von Mehrphasenmaterialien vorgestellt. Grundlage der Modellierung ist die Theorie Poröser Medien, die um Elemente der mikropolaren Theorie erweitert wird, um den Einfluß der Mikrostruktur erfassen zu können. Dazu werden für Mischungen aus einer beliebigen Anzahl von Konstituierenden die kinematischen Beziehungen einer finiten Theorie und die notwendigen Bilanzgleichungen diskutiert. Besondere Berücksichtigung kommt dabei den Erweiterungen aufgrund der vom Verschiebungsfeld unabhängigen Rotationen zu, die durch die mikropolare Erweiterung Eingang in die Theorie finden. Aus einer allgemeinen Bilanz können in einfacher Weise die Strukturen abgeleitet werden, die die Partialbilanzen der einzelnen Konstituierenden mit den Bilanzen der Mischung als Ganzes verknüpfen. Für ein Zweiphasenmodell bestehend aus einem elastischen porösen Festkörperskelett und einem viskosen Porenfluid wird dann durch die Auswertung der Clausius-Duhem-Ungleichung ein thermodynamisch konsistentes Modell formuliert. Dabei kommt der Aufstellung einer Evolutionsgleichung für die Volumenanteile besondere Bedeutung zu, da diese im Fall kompressiblen Materialverhaltens der Konstituierenden nicht aus kinematischen Überlegungen folgt. Schließlich wird das Modell konkretisiert. Für das Festkörperskelett wird eine Verzerrungsenergiefunktion angegeben, während anhand einer Dimensionsanalyse gezeigt wird, daß die Extraspannungen des Porenfluids gegenüber den Wechselwirkungskräften zwischen Fluid und Festkörper vernachlässigbar sind. Einige numerische Beispiele zeigen die Anwendbarkeit des Modells und demonstrieren den Einfluß der verschiedenen bei der Modellierung berücksichtigten Effekte.Item Open Access Weak or strong : on coupled problems in continuum mechanics(2010) Markert, Bernd; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)The present work aims at giving a concise introduction to the vast field of coupled problems, particularly to those of importance in engineering and physics. Therefore, the common terminology and an appropriate classification of coupled equation systems is presented accompanied by some mathematical and computational issues. Attention is focused on volumetrically coupled multi-field formulations arising from the continuum mechanical treatment of multi-physics problems, but also geometrically coupled problems are addressed. Based on actual problems in the areas of poroelastodynamics, continuum biomechanics, and fluid-saturated porous media in general both the theoretical modeling by means of coupled continuum equations as well as the efficient numerical solution in the context of the finite element method (FEM) are presented and discussed in a problem-oriented fashion.Item Open Access Kraft-Wärme-Kopplung im Wärmemarkt Deutschlands und Europas : eine Energiesystem- und Technikanalyse(2014) Blesl, Markus; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Im Wärmemarkt stehen seit Jahren unterschiedlichste Wärmeversorgungstechnologien auf Basis fossiler und erneuerbarer Energieträger, sowie Strom und Fernwärme untereinander als auch mit Einsparoptionen im Wettbewerb. Ein Großteil des Endenergieverbrauchs in Deutschland und der EU27 wird heute und zukünftig für die Deckung der Wärmenachfrage aufgewendet. Der Wärmemarkt steht damit im Fokus energiepolitischer und –wirtschaftlicher Fragestellungen. Ziel der Ausführungen ist es, mögliche Einflussfaktoren auf den Wärmemarkt in Deutschland und Europa zu analysieren. Die Auswirkungen hinsichtlich der Struktur der eingesetzten Energieträger und Technologien bis zum Jahr 2050 werden untersucht. Ein Schwerpunkt wird hierbei auf die Untersuchung der Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Fernwärme gelegt. Die Bewertung der KWK und Fernwärme und deren Vergleich zur getrennten Erzeugung hängen von der gewählten Versorgungsaufgabe ab. Entsprechend werden unterschiedliche Rangfolgen gekoppelter und ungekoppelter Wärmeversorgungstechnologien bei einer Analyse mit Hilfe von CO2-Vermeidungskosten, der ganzheitlichen Bilanzierung und einer para-metrisierten Versorgungsaufgabe ermittelt. Für die Beurteilung der energetischen, umweltseitigen und kostenseitigen Implikationen un-terschiedlicher Versorgungssysteme im Wärmemarkt wird eine detaillierte länderspezifische Untersuchung mittels einer Energiesystemanalyse durchgeführt. Hierfür wird das paneuropäi-sche Energiesystemmodell TIMES PanEU entwickelt, in welchem sowohl länderspezifische und sektoral differenzierte Versorgungstechnologien des Wärmemarktes als auch die beste-henden Versorgungsstrukturen modelliert sind. Die Entwicklung der Wärmenachfrage auf Nutzenergieebene wird basierend auf Simulationsergebnissen vorgegeben. So reduziert sich beispielsweise der spezifische Wärmebedarf des Gebäudebestandes in Deutschland bis zum Jahr 2050, trotz regulatorischer Vorgaben z. B. hinsichtlich des Gebäudestandards sowie de-ren Fortschreibung, aufgrund der aktuellen energetischen Sanierungszyklen und -quoten le-diglich auf Neubaustandard des Jahres 2007. Die Ergebnisse der Szenarienanalysen mit dem Energiesystemmodell TIMES PanEU zeigen, dass fossile Energieträger in wesentlich größerem Maße als Elektrowärmeanwendungen und der Einsatz von erneuerbaren Energien im Wärmemarkt von politischen Vorgaben (z.B. einem Treibhausgasminderungsziel) beeinflusst werden. Die Rolle der Fernwärme wird in erheblicher Weise dadurch bestimmt, ob diese quasi CO2-frei erzeugt werden kann. Optionen hierfür bestehen in Form von KWK-Anlagen auf Basis fossiler Energieträger mit CO2-Abscheidung und Speicherung, auf Basis von Geothermie oder Biomasse sowie durch Wärmepumpen und Solarthermie. Das technische und wirtschaftliche Potenzial dieser Erzeugungsoptionen ist ein limitierender Faktor für den Ausbau der Fern- und Nahwärmeversorgung in Deutschland.Item Open Access The role of interfacial areas in two-phase flow in porous media : bridging scales and coupling models(2010) Niessner, Jennifer; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing. habil.)This habilitation deals with a thermodynamically consistent modeling of two-phase flow in porous media which is extremely relevant for the understanding, the prediction, and optimization of the processes in many environmental, technical, and biological systems. Among these are the storage of carbon dioxide in the subsurface, methane migration from abandoned coal mines, the migration of radioactive gases from nuclear waste disposal sites (environmental systems), the processes in fuel cells and heat exchangers (technical systems) or the interaction between blood vessels and interstitial space (biological systems) which is very important for cancer therapy. The presented thermodynamically consistent model of two-phase flow in porous media is the first to numerically account for the extremely important role of phase-interfacial areas. This is put into practice through use of a rational thermodynamics approach by Hassanizadeh and Gray [1990] which not only includes interfaces as parameter in the equations, but additionally as entities allowing the formulation of conservation equations for interfaces. To be exact, conservation equations of mass, momentum, energy, and entropy are formulated on the pore scale for phases and interfaces and volume-averaged to the macro scale. The entropy productions of the entropy conservation equations are used to formulate the second law of thermodynamics. A speciality of the approach is the fact that thus, constitutive relationships do not need to be empirically formulated, but can be obtained by exploiting the residual entropy inequality. The aim of this work is to make the thermodynamically consistent and physically-based model accessible to numerical modeling allowing to represent effects which could otherwise not (or only using completely empirical approaches) be described. Among these are capillary hysteresis as well as the kinetics of mass and energy transfer between phases as these transfer processes take place across interfaces and thus, are highly dependent on them. Based on indicators and dimensionless quantities, the integration of the interfacial-area-based model into a multi-scale multi-physics framework is shown. This allows for the solution of the physically-based and thermodynamically consistent model whenever this is necessary and the solution of the empirical, but less costly, classical model wherever and whenever the physical situation allows. With such an approach, computing times and the amount of data needed can be drastically reduced.Item Open Access Scale dependence of flow and transport parameters in porous media(2006) Neuweiler, Insa; Helmig, Rainer (Prof. Dr.)The study discusses the problem of the influence of spatial scales on modeling of flow and transport processes in porous media. As soil and rock formations are usually heterogeneous, this problem is strongly coupled to the question as to how information about structure is transported over length scales. On different length scales different driving forces determine flow and transport processes. In order to derive an appropriate model for a certain scale of interest it is crucial to include information about the impact of structure on smaller scales into the model. The transfer from a detailed heterogeneous model to an equivalent model on a larger scale, where averaged properties are described, is called upscaling. To derive an upscaled model the following questions have to be addressed: • What are the relevant time scales and length scales? • What are the relevant processes on the scale, where heterogeneities are resolved? • How does the upscaled model look like? • What are the effective parameters for the upscaled model? As detailed information about the parameter distribution in the heterogeneous model is in most cases not known or it is not possible to deal with the exact distribution, further questions have to be addressed: • How can the effective parameters be approximated based on incomplete knowledge about the parameter distribution? • What are the relevant quantities to characterize the heterogeneous distribution and how can they be taken into account? Upscaling for different two-phase flow problems in porous media is discussed in the study.Item Open Access Mathematische Modellbildung und numerische Simulation von Gas-Flüssigkeits-Blasenströmungen(2004) Sokolichin, Alexander; Eigenberger, Gerhart (Prof. Dr.-Ing.)Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines mathematischen Modells, das eine zutreffende und effiziente numerische Simulation von Gas-Flüssigkeits-Reaktoren mit Blasenströmungen ermöglicht. Da ein mathematisches Modell aus einem System von nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen besteht, die auf numerischen Wege gelöst werden,ist die Validierung des Modells nur dann möglich, wenn die Simulationsergebnisse nicht zu sehr durch numerische Fehler beeinflußt werden. Bei der numerischen Behandlung der partiellen Differentialgleichungen stellt die Diskretisierung der konvektiven Terme ein besonders schwieriges Problem dar. Während die linearen Verfahren erster Ordnung an einem hohen numerischen Fehler infolge der numerischen Diffusion leiden, führen die linearen Verfahren höherer Ordnung zu einem unphysikalischen Verlauf der Lösungsprofile. Wegen der auftretenden Oszillationen im Lösungsprofil können diese Verfahren zum Lösen von konvektionsdominanten Problemen nicht eingesetzt werden, wenn die zu transportierende Größe physikalisch keine negativen Werte annehmen darf (wie z.B. Konzentration, Gasgehalt, turbulente kinetische Energie usw.). In der letzten Zeit wurde eine Reihe von neuen nichtlinearen Diskretisierungsverfahren entwickelt, die auf dem sog. TVD-Konzept (Total Variation Diminishing) basieren. Sie liefern oszillationsfreie Profile und sind auf glatten Lösungen bis zur dritten Ordnung genau. Eine ausführliche Auseinandersetzung mit dem TVD-Konzept ist ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit. Da die TVD-Verfahren nicht nur zur Berechnung von Zweiphasenströmungen sondern auch allgemein zur Diskretisierung von beliebigen konvektionsdominanten Gleichungen eingesetzt werden können, und damit für ein breites Spektrum verfahrenstechnischer Anwendungen von Interesse sind, werden sie im ersten Teil der Arbeit behandelt. Zunächst wird am Beispiel einer eindimensionalen linearen Konvektionsgleichung mit einer konstanten Konvektionsgeschwindigkeit die Herleitung der TVD-Diskretisierung ausführlich erläutert. Anschließend wird die Verallgemeinerung des TVD-Konzepts auf komplexere lineare und nichtlineare ein- und mehrdimensionale hyperbolische Gleichungen diskutiert. Dabei werden die Vorteile der TVD-Verfahren gegenüber den linearen Diskretisierungsmethoden an 11 Testfällen veranschaulicht. Die Fragen der Modellbildung und numerischen Simulation von blaseninduzierten Strömungen werden dann im zweiten Teil dieser Arbeit behandelt. Zur Diskretisierung der Modellgleichungen werden die im ersten Teil entwickelten TVD-Verfahren eingesetzt. Ausgehend von einem sogenannten Basismodell des Euler-Euler-Typs, das nur solche Terme im Modell berücksichtigt, deren Existenz und mathematische Darstellung weitgehend akzeptiert ist, wird das Modell im engen Wechselspiel mit Experimenten validiert und weiterentwickelt. Es werden dazu unterschiedliche Konfigurationen von lokal begasten Blasensäulen, Schlaufenapparaten und gleichmäßig begasten Blasensäulen simuliert. Zu den ausführlich untersuchten Fragen gehört der Einfluß der unterschiedlichen Kräfte, insbesondere der Widerstandskraft, der "added mass force" und der "lift force" auf die Blasenbewegung, sowie die Frage der Erfassung und der Auswirkung von Turbulenz in der Gas-Flüssigkeitsströmung. Die Turbulenz äußert sich dabei zum einen in der Erhöhung der effektiven Viskosität der Flüssigphase und zum anderen in der Dispersion der Gasblasen, wobei die Gasblasen selber maßgeblich zur Turbulenz in der Flüssigphase beitragen. Als Ergebnis folgt, daß das typisch instationäre Strömungsverhalten in lokal begasten Blasensäulen mit niedrigem Gasgehalt gut vorhergesagt werden kann, wenn die instationären, dreidimensionalen Modellgleichungen mit den entwickelten numerischen Verfahren gelöst werden. Dazu reicht bei lokaler Begasung ein Turbulenzansatz nach dem Standard-k-epsilon-Modell aus. Bei vollständiger Begasung und höherem Gasgehalt muß dagegen die blaseninduzierte Turbulenz mitberücksichtigt werden. Bisherige Modellansätze dafür erlauben zwar eine zutreffende Beschreibung nach vorheriger Anpassung der entsprechenden Modellparameter aber noch keine sichere Vorausberechnung.Item Open Access Biomimetische Grenzflächen mittels hierarchisch strukturierter Systeme zur molekularen Erkennung(2004) Tovar, Günter; Roduner, Emil (Prof. Dr.)So genannte biomimetische Grenzflächen wurden mit Hilfe synthetischer und biologischer Materialien als hierarchisch strukturierte Multischichtsysteme aufgebaut, chemisch und strukturell analysiert und für molekulare Erkennungsreaktionen eingesetzt. Als funktionelle Schichten an der Festkörperoberfläche ahmen die synthetischen Konstrukte das biologisch zentrale Prinzip der molekularen Erkennung an der Fest/Flüssig-Grenzfläche nach. Über drei unterschiedliche Wege wurden biologische Makromoleküle mit spezifischen Bindestellen chemisch kontrolliert an ultradünn organisch beschichteten anorganischen oder polymeren Festkörperoberflächen verankert. Alternativ dazu wurden synthetische Bindestellen während der Synthese polymerer Festkörper durch molekulares Prägen induziert. Die so erzeugten Funktionsmaterialien wurden entweder unmittelbar in bioanalytischen Verfahren eingesetzt oder zunächst zu mesoskopischen Strukturen weiterverarbeitet und dann als bioanalytische Funktionselemente verwendet. Die zur Oberflächenfunktionalisierung eingesetzten Moleküle, der Verlauf der Oberflächenreaktionen sowie die molekülspezifischen Bindeereignisse an den Oberflächen wurden mit Hilfe von auf die jeweiligen Materialien spezifisch angepassten Untersuchungsmethoden charakterisiert. Zur Analyse der chemischen Zusammensetzung und Struktur der Einzelmoleküle sowie deren Eigenschaften wurden Experimente mit Hilfe von FT-IR-Spektroskopie, 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie, Isotherme Titrationsmikrokalorimetrie (ITC), Verbrennungselementaranalyse (EA), MALDI-TOF-MS, Wilhelmy-Waage-Grenzflächenspannungsmessungen und der Langmuir-Blodgett-Filmwaage durchgeführt. Die Kolloide wurden mit Hilfe von Dynamischer Lichtstreuung (DLS), Zetapotenzialmessungen, ITC, Partikelladungstitrationsmessungen (PCD), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie (REM/TEM), konfokaler Fluoreszenzmikroskopie, 1H- und 13C-NMR, EA und MALDI-TOF-MS untersucht. Zur Charakterisierung der planaren Oberflächen wurden Untersuchungen mittels Null-Ellipsometrie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Kontaktwinkelmessungen, Optische Wellenleiterspektroskopie sowie AFM, REM, Licht- und Fluoreszenzmikroskopie durchgeführt. Durch den Einsatz dieses reichen Methodenspektrums konnten weitreichende Einsichten in Entstehung, Struktur und biomimetische Funktion der beschriebenen hierarchisch aufgebauten Materialien gewonnen werden. Die Molekül-spezifisch bindenden Oberflächen wurden nach zwei grundsätzlich verschiedenen Prinzipien aufgebaut: Entweder wurden durch chemische Prozesse an der Oberfläche reaktive Gruppen kontrolliert verankert, die mit Hilfe einer weiteren Reaktion biologische Rezeptormoleküle unter Erhalt deren biologischer Aktivität an der Oberfläche immobilisieren. Oder es wurden während der Entstehung der Festkörperoberfläche synthetische Erkennungsstellen für biologische Ligandenmoleküle durch eine Templatpolymerisation dargestellt. Diese chemischen Reaktionen zur Ausstattung der Oberflächen für die molekulare Erkennung fanden an sphärischen Kolloiden oder makroskopisch ausgedehnten planaren Trägern statt. Weiterhin wurden die mit molekularer Erkennungsfunktion ausgestatteten Kolloide zu Schichten an planaren Trägern abgeschieden. Dabei wurden diese Schichten mikrostrukturiert, so dass lateral aufgelöste Mikrostrukturen mit multifunktionaler Oberfläche entstanden. Die Kolloid-Multischichtsysteme wurden als Funktionselemente in bioanalytischen Verfahren zur spezifischen Molekülbindung eingesetzt. Kompositmembranen mit molekular erkennenden Kolloiden als Selektoren wurden zur spezifischen Festphasenextraktion in Membranverfahren eingesetzt. Die hier präsentierte Forschung an den dargestellten neuartigen nanoskopisch strukturierten Systemen führt zu einem weitreichenden Erkenntnisgewinn über die Struktur-Funktionsbeziehungen chemischer Systeme mit molekularer Erkennungsfunktion. Die vorliegende Arbeit leistet damit einen wesentlichen Beitrag zum weitergehenden Verständnis chemischer Funktionsmaterialien und erlaubt eine Erweiterung der Methoden zur Oberflächen-gestützten Analyse von Proben biologischen Ursprungs.