Universität Stuttgart
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Item Open Access Fatigue of Al thin films at ultra high frequencies(2005) Eberl, Christoph; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)Ultra high-cycle fatigue at frequencies in the GHz regime leads to a characteristic void and extrusion formation in patterned metal thin films. Resulting from the microstructural damage formation a significant degradation in form of a shift of the resonance frequency and failures by short circuits in Surface Acoustic Wave (SAW) test devices take place. To study fatigue at ultra high cycles, SAW test devices were used to test continuous and patterned Al thin films at ultra high frequencies. For stress amplitudes as low as 14 MPa lifetime measurements showed no fatigue limit for 400 nm Al thin films. The resulting damage sites appeared in regions of cyclic stress concentration as identified by Finite Element Analysis. In situ measurements revealed that the characteristic extrusion/void formation mechanism operates on a short time scale. The post-test analysis of microstructural changes reveals extrusion and void formation concentrated at grain boundaries. This finding and the observed grain growth indicates a high material flux at the grain boundaries induced by the cyclic load. Quantitative analysis also shows a correlation between extrusion density and electrical devices performance. This direct correlation shows a functional agreement with a common theory on the influence of crack density on intrinsic stresses in thin metal films. Advanced Finite Element (FEM) calculations simulate very well the sensitivity of the resonance frequency to damage structure in interconnects such as cracks, voids and extrusions. The experimentally observed linear correlation between damage density and frequency shift is reproduced by the FEM model. The estimation of the short circuit probability from the extrusion length distribution revealed an exponential dependency on the electrode distance. The observed damage formation is explained by the combined action of dislocation motion and stress-induced diffusion processes.Item Open Access Bemannte Missionen zum Mars mit kontinuierlichen Antrieben(2005) Schmidt, Tanja D.; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing habil.)Im Rahmen dieser Arbeit werden bemannte Missionen zum Mars für unterschiedliche Antriebskonzepte im Hinblick auf Flexibilität, kurze Gesamtmissionsdauern, kurze Transferzeiten und moderate Startmassen untersucht und verglichen. Die untersuchten Antriebskonzepte sind kontinuierliche elektrische Antriebe sowie chemische und nuklear-thermische Antriebe, die zur Kategorie der impulsiven Antriebe gehören. Die im Rahmen dieser Arbeit hierzu erstellten Programme bzw. Routinen zur Bahnsimulation und -optimierung werden vorgestellt. Es werden die Ergebnisse einer detaillierten, systematischen Bahnanalyse für helio- und planetozentrische Bahnen und für Rundreise-Missionen aufgezeigt. Speziell für die kontinuierlichen elektrischen Antriebe werden Variationen der Antriebsparameter (Schub, spezifischer Impuls und Triebwerkswirkungsgrad) durchgeführt und deren Einfluß auf Flugzeit und Startmasse bzw. Treibstoffmasse untersucht. Es werden die hierfür notwendigen minimalen Antriebsparameter für bemannte Marsmissionen ausgearbeitet und verschiedene elektrische Antriebskonzepte hinsichtlich Anwendbarkeit untersucht. Die atmosphärischen Flugsegmente einer solchen Mission werden im Rahmen dieser Arbeit mittels Literaturstudien untersucht. Die in der Literatur diskutierten Konzepte für Schwerlaststartraketen an der Erde, Marsaufstiegsfahrzeuge sowie Aermanöver-Vehikel für Mars und Erde werden hinsichtlich Anwendbarkeit für bemannte Marsmissionen evaluiert und Konzeptvorschläge ausgearbeitet. Neben dem Antriebssystem werden im Rahmen dieser Arbeit die Lebenserhaltung, Habitate und die Energieversorgung untersucht. Es werden Modelle für diese Subsysteme erstellt und verschiedene Konzepte miteinander verglichen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit wird ein Konzeptvorschlag einer bemannten Marsmission mit kurzer Gesamtmissionsdauer unter Verwendung kontinuierlicher elektrischer Antriebe vorgestellt.Item Open Access Modernization criteria assessment for water resources planning; Klamath Irrigation Project, U.S.(2008) Freeman, Beau J.; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing.)Agricultural irrigation is the largest consumer of diverted surface water and groundwater resources in the world, with major regions becoming critically water deficit. Agriculture in the western United States (US) and elsewhere has reached the point where the demands from irrigators, domestic users, and various commercial interests for allocated quantities and qualities are beyond acceptable levels for environmental needs in many river basins. Despite decades of investment in irrigation projects by governments, foreign lending agencies, and development banks in numerous countries, irrigation performance remains unsatisfactorily low and in many places progress is being reversed due to water logging, salinization, over-drafting of aquifers, environmental degradation, and infrastructure deterioration. Maintaining current irrigation practices will lead to worsening environmental and economic consequences. To restore healthy ecosystems and sustain irrigated agriculture, irrigation modernization should be promoted as a key component of basin-level water management to effectively balance competing water needs. Improvements in the technical and economic efficiency of irrigation water use through modernization increase the quantity and quality of freshwater available in a river basin. Significant public and private investments in modernization will be required to facilitate the precise control and monitoring of reallocated flows at different levels of irrigation systems, especially on a real-time basis, and thus provide excellent water delivery service to water districts, end-users, and other commercial and environmental stakeholders. This doctoral study investigates a specific problem that many irrigation professionals and water resources planners will face in the future: how to effectively analyze and make an assessment of irrigation modernization project-alternatives. Selecting the best modernization strategy to pursue from potential project-alternatives in water resources planning is a complex decision-making process. Irrigation modernization alternatives and their impacts involve a variety of diverse stakeholders in the selection of preferred engineering solutions based on subjectively defined criteria (quantitative and qualitative). As a consequence, technical feasibility, environmental, social/community, institutional, political, and economic factors have to be properly assessed as part of water resources planning. This research introduces a strategic decision analysis methodology for the definition, evaluation, ranking, and selection of appropriate modernization strategies in an engineering case study of the Klamath Irrigation Project (89,000 ha). In 2001 a combination of events occurred there that led to one of the most prominent conflicts over water supplies in the U.S. Due to stricter flow requirements put in place to protect fish species and a critical drought, irrigation water was unexpectedly withheld from the majority of farms in the Project, resulting in major economic losses, calling the basis for environmental restrictions into question, and generating intense political controversy. The composite programming approach is applied to develop a project ranking index based on standardized indicators – effective for analyzing the trade-offs associated with balancing technical and water conservation considerations with eco-system health, economics, and risk. This modernization criteria assessment requires defining the management objectives according to the nature of the internal processes and agro-hydrological features of the system, selection of alternative engineering solutions, selection of appropriate decision criteria relevant to the specific water-related problems, and the assignment of desirable and critical threshold values pertinent to each criterion. Input data consist of hydrologic, agronomic, engineering, economic, and political/policy information.Item Open Access Strukturelle Eigenschaften von Cu(In,Ga)(Se,S)2 Dünnschichten(2003) Kötschau, Immo Michael; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)In Cu(In,Ga)(S,Se)2-Dünnfilmen treten, je nach Wachstum, auf natürliche Weise teilweise recht große Zusammensetzungsgradienten auf. Einerseits wurde an In-reichem Material eine Cu-arme Oberflächendefektschicht entdeckt, andererseits sorgt die Dynamik Cu-reicher Wachstumsprozesse für einen über die gesamte Schichtdicke veränderlichen Ga- oder S-Gehalt. Die gezielte Beeinflussung der tiefenabhängigen Konzentration von Ga und S kann unter anderem dazu genutzt werden, Rekombinationsverluste innerhalb der Solarzelle zu minimieren. Solches "Bandgap-Engineering" führte bereits zu entscheidenden Verbesserungen des Wirkungsgrades von Cu(In,Ga)(S,Se)2-Solarzellen. Für die gezielte quantitative Untersuchung der tiefenabhängigen Zusammensetzung in Dünnfilmen standen bisher ausschließlich nicht zerstörungsfreie Methoden zur Verfügung. Insbesondere können die mit Sputtermethoden erzielten Tiefenprofile der Zusammensetzung aufgrund des Sputterprozesses selbst stark fehlerbehaftet sein. Wegen dieser Problematik entwickelt diese Arbeit eine alternative Methode. Es hat sich gezeigt, dass sich Röntgenbeugungsspektren von Cu(In,Ga)(S,Se)2-Dünnfilmen, gemessen unter streifendem Einfall (Grazing Incidence X-Ray Diffraction; GIXRD), korrekt mittels eines Schichtenabsorptionsmodells, in welchem über die Absorption gewichteter Anteile aus unterschiedlich tiefen Schichten das Beugungsspektrum als Summe über alle Schichten berechnet wird, beschreiben lassen. Eine quantitative Auswertung von Strukturdaten, insbesondere die Verfeinerung von Zusammensetzungstiefenprofilen, ist damit möglich. Um die Gültigkeit der Modellierung einzugrenzen, erfolgte die Betrachtung und ausführliche Diskussion aller in der Praxis vorkommender apparate- und probenspezifischer Effekte. Während die Wechselwirkung von Oberflächenrauigkeiten und Brechung durch einfache Transformationen zu kompensieren sind, können beispielsweise tiefenabhängige Unterschiede der bevorzugten Orientierung Probleme aufwerfen, wenn über ihre Tiefenabhängigkeit keine Daten vorliegen. Prinzipiell ist jedoch die Untersuchung der Einflüsse aller Eingangsparamter, seien sie apparatebedingt oder durch die Probe selbst verursacht, möglich, solange alle übrigen Parameter bekannt sind. Eine eindeutige Verfeinerung von Tiefenprofilen muss dabei immer die Voraussetzung erfüllen, dass ein und derselbe Eingangsparametersatz gleichzeitig alle unter verschiedenen Einfallswinkeln gemessenen Spektren hinreichend genau beschreibt. Die Verfeinerung von Zusammensetzungstiefenprofilen erfolgt praktisch durch den Vergleich gemessener und simulierter Spektren, wobei dies in der jetzigen Fassung des dafür entwickelten Simulationsprogrammes (Thin Film X-Ray Diffraction Absorption Utility; TFXDAU) interaktiv geschieht. Die Eindeutigkeit der Anpassung hängt vom Umfang der a priori zur Verfügung stehenden Eingangsparameter ab. Liegen beispielsweise aufgrund des Wachstumsprozesses Informationen über mögliche Tiefenprofile bereits vor, lassen sich geeignete Modellfunktionen (Diffusionsprofile, Stufenfunktionen etc.) schrittweise durch vergleichende Simulationen anpassen. So gelang es, einen mehrstufigen S-Se-Gradienten des Anionen-Untergitters in einer Cu(In,Ga)(S,Se)2-Schicht detailgenau nachzuweisen. Die Veränderungen, die sich dabei gegenüber dem mit Sekundärionen-Massenspektrometrie gemessenen Tiefenprofil ergaben, ließen sich auf Messartefakte zurückführen, die der Sputterprozess selbst verursacht hat. Ebenso war ein In-Ga-Gradient im Kationen-Untergitter einer Cu(In,Ga)Se2-Schicht mit einer Tiefenauflösung von unter 50nm nachzuweisen. Die Gradierungen erstrecken sich dabei immer über die ganze Schichtdicke. In diesem Sinne erreicht diese Arbeit ihr eigentliches Ziel: die Entwicklung einer Methode, mit der die Tiefenabhängigkeiten der strukturellen Eigenschaften, welche auf das Engste mit den elektronischen Eigenschaften (Verlauf der Bandkanten) in Verbindung stehen, zu bestimmen sind. Als "Nebenprodukt" eignet sich diese Modellierung dazu, die integralen Ga- und S-Gehalte an homogenen Proben bis auf 2% genau zu bestimmen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Möglichkeiten des Schichtenabsorptionsmodells noch nicht ausgeschöpft sind. Oberflächennahe Zusammensetzungsgradienten zeigen in Beugungsspektren, die unter kleinsten Einfallswinkeln gemessen werden, noch deutliche Auswirkungen. Die Existenz der immer wieder ins Spiel gebrachten Cu-armen Oberflächendefektschicht war mit Hilfe der Modellierung Cu-armer Oberflächen eindeutig nachzuwiesen. Überdies ließ sich ein Zusammenhang zwischen integralem Cu-Gehalt und der mittleren Dicke der Cu-armen Oberflächendefektschicht belegen.Item Open Access Temporary melt retention in the reactor pit of the European pressurized water reactor (EPR)(2005) Nie, Markus; Lohnert, Günter (Ph.D., Prof.)The EPR is provided with a core catcher to preserve the integrity of the containment also in case of a postulated severe accident with core melting. The principal conceptual idea behind the core catcher is to spread the melt on a large area located lateral to the reactor pit and to cool it at both, the melt upper and lower surface. A key element with respect to achieving a coolable melt configuration in the spreading area is the temporary melt retention in the reactor pit. This measure aims to decouple the long-term stabilisation from in-vessel processes, RPV failure mode and corresponding melt discharge as well as associated uncertainties. Its specific objectives are (i) to accumulate the melt in cases of sequential melt releases and (ii) to unify and to condition the spectrum of in-vessel melt characteristics at the time of and for spreading. The temporary melt retention is achieved by layers of sacrificial concrete attached to the sidewalls of the pit and placed on top of the melt gate, through which the melt must erode. Temporary melt retention terminates after the melt contacts and opens the melt gate, which blocks the access to the spreading area. The principal objective of this work is to provide evidence that the goals of the temporary melt retention can be adequately fulfilled. Given this focus, the MCCI programme COSACO is developed to analyse the interactions between the core melt and sacrificial concrete. The innovative phenomenological approach underlying to COSACO constitutes a coherent description of the mutual dependency between thermal hydraulics and thermochemical phenomena. Modelling of these phenomena employs real solution thermochemistry. The validation of the program against representative experiments proofs the suitability of the new approach on the basis of adequately reproducing the principal experimental data. Notably, the agreement was obtained without employing additional parameters adjustable to experiments. The analysis of the temporary melt retention exploits the inherent characteristic of the MCCI pool to establish a coupled system with the bottom structures of the RPV due to exchange of radiant heat. In parallel, the effect of different initial amounts of melt involved in the initial melt pour as well as of the decay heat level is parametrically investigated. The analyses has identified that the ablation front progression is inherently self-regulating, as it adapts to the amount of released melt and to the actual decay heat level. Given these characteristics, it is demonstrated that an effective accumulation of the melting core in the pit is achieved independent of the scenario. The refractory layer backing the walls of sacrificial concrete and the fixed position of the melt gate constitute a geometrical constraint for melt front progression in sideward and downward direction. This constraint restricts the ablatable amount of concrete as well as the surface/volume ratio of the melt. Thanks to this characteristic, the terminal spectrum of melt compositions and melt states is predicted to be highly unified. At the same time, these states exhibit properties which are well-suited for melt spreading.Item Open Access An extended biphasic description of the inhomogeneous and anisotropic intervertebral disc(2009) Karajan, Nils; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)It is the aim of this contribution to develop a finite element model, which is as simple as possible, but at the same time complex enough to capture many of the occurring tissue properties of the intervertebral disc (IVD). In order to better understand these properties from an engineering point of view, the needed basic anatomical knowledge is briefly reviewed in the beginning of this treatise, thereby addressing the lumbar spine with focus on the IVD and its material properties. In particular, the IVD appears as the largest avascular part of the body and its microstructure leads to an electro-chemically active material with anisotropic, inhomogeneous and strongly dissipative behaviour. In the following main part of this work, the complete continuum-mechanical modelling process is extensively discussed as well as the numerical treatment of the resulting governing equations. Starting from the thermodynamically consistent Theory of Porous Media (TPM), two phases and three components are introduced for the description of IVD tissue. In particular, this is the extracellular matrix (solid skeleton) carrying fixed negative charges which is saturated by a pore fluid consisting of a solvent (liquid) as well as anions and cations of a dissolved salt. Following the idea of superimposed continua, an individual motion function is introduced for each of the constituents, whereas the components of the pore fluid are always expressed relative to the deforming solid skeleton. In order to capture the finite kinematics of the inelastic solid skeleton, its deformation gradient is multiplicatively split into inelastic and elastic parts. Next, the materially independent balance equations are derived from the respective master balances and accustomed to the soft biological tissue under study. In order to keep the resulting set of equations as simple as possible, while still keeping the ability to reproduce osmotic effects, an assumption according to Lanir is made. In this context, the tissue is regarded to be always immediately in electro-chemical equilibrium, which allows to describe the electro-chemically active tissue using only an extended biphasic model. Applying van't Hoff's law finally allows to compute the occurring osmotic pressure as a function of the solid displacement. Moreover, in order to characterise the inhomogeneous anisotropic and viscoelastic solid skeleton as well as the viscous pore fluid, several constitutive equations need to be formulated, thereby depending on a thermodynamically admissible set of process variables. Herein, the endangerment of postulating nonphysical constitutive assumptions is avoided by strictly following the restrictions resulting from the evaluation of the entropy inequality. Finally, the chosen constitutive functions of the solid skeleton are based on Ogden-type strain energy functions, which automatically include several simpler material laws. The viscoelastic contribution is based on a generalised Maxwell model which is dominated by the concept of internal variables with linear evolution equations. Finally, the superimposed dissipative effect of the viscous pore fluid is captured using the famous Darcy filter law. As a last step, the applicability of the derived model is proven with realistic computations of the IVD. Herein, the resulting set of governing partial differential equations is discretised in time and space using the finite difference method and the mixed finite element method, respectively. The theoretically introduced material parameters are determined using experimental data as well as material parameters obtained from a vast collection of related literature sources. Since many parameters appear in a coupled manner, their identification is often only possible via inverse computations. Following this, a numerical sensitivity analysis is carried out yielding an indication for the relevant parameters in experiments concerning a motion segment in a short-duration compression-flexion experiment as well as in long-term loading situations. Subsequently, the efficiency of the implementation is demonstrated by a parallel simulation of a lumbar spine segment carried out on 84 processors simultaneously, thereby exhibiting almost one million degrees of freedom.Item Open Access Zur Materialermüdung infolge Stegatmung(2000) Spiegelhalder, Ulrike; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)Geschweißte Stahlträger mit schlanken Stegblechen haben im Verhältnis zu ihrem Eigengewicht eine sehr hohes Tragvermögen und ermöglichen sehr leichte und wirtschaftliche Konstruktionen. Unter Belastung verformen sich die schlanken Stegbleche aus ihrer Ebene heraus. Diese Beulverformungen haben keinen Einfluß auf die statische Grenztraglast des Trägers. Bei Stahlbrücken können die Stegblechverformungen jedoch nach genügender Anzahl von Überfahrten zu Ermüdungsrissen entlang der Schweißnähte und schließlich zum Versagen des Bauteils führen. Das Trag- und Ermüdungsverhalten von Stahlträgern mit schlanken Stegen ist dargestellt und theoretisch und experimentell untersucht. Mit Hilfe der Erkenntnisse aus eigenen Ermüdungsversuchen an vier großen Stahlträgern werden umfangreiche numerische Parameterstudien durchgeführt. Schwerpunkte der Untersuchungen sind die Anfangsverformung der Stegbleche und die Belastung reine Biegung, reine Querkraft und die gemeinsame Wirkung von reiner Biegung mit Querkraft. Aus den Untersuchungsergebnissen wird ein Bemessungsmodell für rissefreie geschweißte Stahlträger mit schlanken Stegen unter häufig wiederholter Belastung abgeleitet.Item Open Access Abflusskonzentration in mesoskaligen Einzugsgebieten unter Berücksichtigung des Sickerraumes(2006) Rojanschi, Vlad; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil.)Die physikalisch-basierte Modellierung der Abflusskonzentrationsprozesse in einem Einzugsgebiet wird üblicherweise auf die Modellierung von drei strickt von einander abgetrennten Teilen, dem Boden- (Wurzel-) Raum, dem Grundwasserraum und den Oberflächengewässern, reduziert. Dieses Schema vernachlässigt allerdings, dass sich zwischen dem Boden- und dem Grundwasserraum ein weiterer Bereich befindet, der hier als Sickerraum bezeichnet wird und der aus demjenigen Teil der ungesättigten Zone besteht, der nicht dem Bodenraum zugerechnet wird. Für größere Einzugsgebiete treten im Sickerraum, der bis zu mehreren hundert Metern mächtig sein kann, auch kleinere schwebende gesättigte Bereiche auf, was dazu führt, dass die Strömungsrichtung im Sickerraum nicht nur vertikal, sondern auch horizontal ist. Die Vernachlässigung der dort stattfindenden Prozesse schränkt die Aussagekraft des Gesamtmodells deutlich ein. Deshalb wurde die Modellierung der Abflusskonzentration unter Berücksichtigung der hydrologischen Rolle des Sickerraumes als Hauptthema dieser Arbeit ausgewählt. Untersuchungseinheiten sind das Einzugsgebiet der Oberen Donau (bis zum Pegel Passau-Achleiten, 77.000 km2), das ein Forschungschwerpunkt des BMBF-Projektverbundes GLOWA ist, und zwei ausgewählte Teileinzugsgebiete(Ammer und Naab). Der erste Schritt ist eine umfassende Untersuchung über die Anwendbarkeit von Ganglinienanalyseverfahren für die Abtrennung des Grundwasser- und Sickerraumabflusses von der gemessenen Gesamtabflussganglinie. Ein numerisches Programm, das erstmals zwölf relevante Ganglinienanalyseverfahren in einem einheitlichen Rahmen implementiert, wurde hier entwickelt und auf Ganglinien aus dem gesamten Gebiet der Oberen Donau angewandt. Die Analyse der Ergebnisse, ihrer Abhängigkeit von der Raum und Zeitskala, sowie ihrer Verbindung zu den Gebietseigenschaften führte zu neuen Erkenntnissen über die Verfahren. Eine Schätzung des Grundwasser- und Sickerraumabflusses konnte damit für jedes Teileinzugsgebiet berechnet werden. Die Analyse zeigt aber auch, dass die Verfahren mit Inkonsistenzen und Willkürlichkeiten behaftet sind, was nicht zu einer Anwendung ihrer Ergebnisse für quantitative Aussagen ermutigt. Im zweiten Schritt wurde ein neues Modellkonzept, das die explizite Betrachtung des Sickerraumes ermöglicht und damit die Modellierungslücke zwischen dem Bodenwasserhaushalts- und dem Grundwassermodell schließt, entwickelt, implementiert und auf das Gebiet der Ammer angewandt. Nicht nur die Modellgüte, sondern auch die Unsicherheit der Modellergebnisse und bei der Bestimmung der Modellparameter, die generalisierte und einzelne Sensitivität des Modells im Parameterraum, sowie die Wechselbeziehungen zwischen den Modellparametern wurden ausführlich untersucht. Mehrere Modellversionen mit unterschiedlichen Graden an Konzeptualisierung wurden dabei verglichen. Trotz der allgemein guten Anpassung der Modellergebnisse an die Modelldaten, konnten anhand der inversen Modellierung auf Grund der strukturellen Unsicherheit des Modells und der Eingangsdaten keine gut bestimmten Parameterwerte für den Sickerraum berechnet werden. Das führte dazu, dass interne Modellergebnisse wie der Grundwasserabfluss und der Sickerraumabfluss auch von einer großen Unsicherheit behaftet waren. Die allgemeine Erkenntnis ist, dass nur die Modellergebnisse, die anhand von Messdaten direkt geprüft werden können, als validiert und aussagekraftig gelten sollten. Um das Problem der strukturellen Unsicherheit zu lösen, wurde in einem dritten Schritt die Methode der inversen Modellierung erweitert und verbessert. Ein Regionalisierungsverfahren, dass die Modellparameter mit den Gebietseigenschaften mit Hilfe von linearen Beziehungen verbindet, wurde in den Kalibrierungsprozess direkt integriert. Der Ansatz wurde auf die Einzugsgebiete der Ammer und der Naab angewandt und lieferte gute Modellergebnisse und führte gleichzeitig zu einer viel geringeren strukturellen Unsicherheit des Modells. Durch die Interpretation der linearen Beziehungen konnten auch Schlüsse über die physikalische Plausibilität des Modells gezogen werden.Item Open Access Einfluss der Wellenoberfläche auf das Dichtverhalten von Radial-Wellendichtungen(2005) Kunstfeld, Thomas; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)Für ein zuverlässig funktionierendes Dichtsystem Radial-Wellendichtung ist die Wellenoberfläche von entscheidender Bedeutung. Als tribologischer Partner des Dichtrings ist die Wellenoberfläche direkt durch die gegebenenfalls vorhandene Eigenförderung und indirekt durch die Beeinflussung der Dichtringförderung für die Gesamtfunktion ausschlaggebend. Dieser Bedeutung wird durch strenge Vorgaben hinsichtlich der Herstellung und Ausprägung der Wellenoberfläche in den gültigen Normen Rechnung getragen. Kostenreduktion und Prozessoptimierung erfordern Alternativen zu dem Jahrzehnte alte Fertigungsverfahren für Wellenoberflächen härten und im Einstich schleifen. Im Rahmen dieser Arbeit sollten einerseits in Frage kommende alternative Wellenoberflächen untersucht werden, und andererseits eine Vorgehensweise entwickelt werden, mit der entsprechende Wellenoberflächen hinsichtlich ihrer Eignung als Gegenlauffläche für Radial-Wellendichtringe erprobt und beurteilt werden können. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit eine vierstufige Vorgehensweise entwickelt. Ausgehend von der berührungslos optisch vermessenen 3D-Oberflächentopografie werden dabei für die vorliegende Wellenoberfläche anhand eines auf der Bildverarbeitung beruhenden Verfahrens charakteristische Kennkurven ermittelt. Anhand dieser Kennkurven kann die Oberflächenstruktur beurteilt, und durch typische Merkmale klassifiziert werden. Im zweiten Schritt wird der Förderwert der Wellenoberflächen in beiden Drehrichtungen gemessen. Gilt die untersuchte Wellenoberfläche weiterhin als geeignet, wird im dritten Schritt ein erster Funktionstest im Dichtsystem durchgeführt. Im vierten und letzten Schritt wird die Funktionalität des Dichtsystems über einen längeren Zeitraum beobachtet, um die Langzeiteigenschaften abzusichern. Dazu wird die vom Autor entwickelte modifizierte Zweikammermethode eingesetzt. Durch die Messung des Systemförderwerts in regelmäßigen Abständen, kann dessen Veränderung und somit die Veränderung der Dichtfunktion im Betrieb vermessen werden. Die eingesetzte Wellenoberfläche, aber auch alle übrigen Systemkomponenten können so hinsichtlich der Auswirkung auf die Dichtfunktion und Langzeiteigenschaften beurteilt werden. Dadurch sind künftig weitreichende Untersuchungen am Dichtsystem mit der Option, in das Dichtsystem „hineinzublicken“, möglich. Der Schwerpunkt der so untersuchten alternativen Fertigungsverfahren lag im Bereich der Drehverfahren. Es wurden Parameterstudien für längsgedrehte Wellenoberflächen unter Verwendung von ungehärteten und gehärteten Werkstoffen durchgeführt. Variiert wurde: Vorschub, Schneidenradius, Einfluss von Maschinen- bzw. Werkzeugschwingungen und Schneidenverschleiß. Zusätzlich wurden Nachbearbeitungsverfahren und Drehverfahren ohne axialen Vorschub, wie das Tangentialdrehen und das Drehen im Einstich untersucht. Grundsätzlich sind die längsgedrehten Wellenoberflächen, hart oder weich, als Gegenlauffläche für Radial-Wellendichtringe geeignet. Speziell die längs-hartgedrehten Wellenoberflächen zeigen kein drehrichtungsabhängiges Förderverhalten und geringe Förderwerte. Die längs-weichgedrehten Wellenoberflächen zeigen ein teilweise von der Drehrichtung abhängiges Förderverhalten, welches jedoch keine negativen Auswirkungen auf das Dichtverhalten hatte. Auch die ohne axialen Vorschub hartgedrehten Wellenoberflächen sind geeignet, wobei die sehr „glatten“ Oberflächen zu geringen Förderwerten der Wellenoberfläche und des Dichtrings führen. Die durch Bandfinishen oder Kurzhubhonen hervorgerufenen, sehr feinen und meist schräg zur Wellenachse gerichteten, Riefenstrukturen sind äußerst förderintensiv. Sie können zu großer Leckage oder ungünstigen Schmierungsbedingungen im Dichtsystem führen. Diese Verfahren sind damit keine taugliche Alternative. Die makroskopische Drehwendel hat offensichtlich keinen Einfluss auf die Fördereigenschaft der Wellenoberfläche, eingebrachte Mikrostrukturen jedoch zeigen einen erheblichen Einfluss. Daraus kann abgeleitet werden, dass die Fördereigenschaften der Wellenoberfläche fast ausschließlich von deren „Mikrostruktur“ bestimmt werden, die größenordnungsmäßig deutlich unterhalb z.B. einer Drehwendel (Steigung ca. 0,05 bis 0,3 mm) liegt. Anhand der hier vorgestellten Vorgehensweise können beliebige Wellenoberflächen dichtungstechnisch geprüft und beurteilt werden. Künftig ist eine direkte Kennwertbildung aus den vorliegenden charakteristischen Kennkurven denkbar. Zur Verbesserung der Aussagemöglichkeiten sind weitere Erfahrungswerte hinsichtlich der Auswirkungen bestimmter Oberflächenstrukturen, Ausprägungen (z.B. Breiten-Längenverhältnis) etc. nötig. Dazu bietet unter anderem die Beobachtung des Systemförderwerts im Betrieb weit reichende Untersuchungsmöglichkeiten.Item Open Access Investigation of evapotranspiration concepts in hydrological modelling for climate change impact assessment(2007) Hartmann, Gabriele Maria; Bárdossy, András (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. rer. nat. )Climate change (CC) will impact water resources. Assessing the extent of these impacts in due time is an important task, as it forms the basis for decision making. Unfortunately, the extent of this forecasted impact depends very much on data and tools used for this task. Although such methods might work well with present climatic conditions, it has to be doubted whether their results can still be relied upon in a changed climate. The uncertainties in the forecasts are partly of meteorological and partly of hydrological origin. Whereas the uncertainties of GCMs are well known and often discussed, the problems of hydrological models in this context are seldom investigated. In particular the uncertainty in process representation within the hydrological models must be revised. This dissertation focuses on the representation of the evapotranspiration (ET) process, because this process will be strongly influenced by CC. For this purpose, the suitability of nine different ET models was investigated. In a theoretical investigation, the sensitivity of the ET models to only a small change in temperature was found to be very different. Thus the question had to be raised as to how the resulting ET from these models will change with the entire predicted CC. Therefore a spatially distributed hydrological model based on the HBV concept was set up and the results of the different ET models were used consecutively as input to the hydrological model. The modelling was applied on the Upper Neckar catchment, a mesoscale river in southwestern Germany with a basin size of about 4,000 km2. This catchment was divided into 13 subcatchments with different subcatchment characteristics. The suitability of the different ET approaches was checked by calibrating the hydrological model on different climatic periods and then applying the model on other climatic periods. Thus, different 10-year periods with different climatic conditions were compiled: 10 cold, 10 warm, 10 wet and 10 dry years from the time series 1961–1990 were collected. The first step was to adapt the model to the same period it was calibrated to. Then the model was applied to other 10 years, i.e. the model calibrated on for example, the cold years was used on the warm years. The transferability was also checked by applying the models on the period 1991–2000. For the investigation of the impact of CC, the calibration of the model must meet special requirements. Apart from the selection of proper periods for calibration and validation, this also concerns the establishment of a suitable objective function. Such a function is the Nash Sutcliffe efficiency. Usually it is calculated comparing observed and modelled daily values. In this study it is shown that problems in the transfer from one climatic condition to the other cannot be detected on the base of daily values. Therefore parameter sets were optimized by an automatic calibration procedure based on Simulated Annealing, which considered the model performance on different time scales simultaneously (days up to years). As the results show, some of the ET models, which work well under stationary conditions, are not able to reproduce changes in a realistic manner. The results also show that calibrating a hydrological model that is supposed to handle short as well as long term signals becomes an important task; the objective function especially has to be chosen very carefully.