Universität Stuttgart
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Item Open Access Eine OSLC-Plattform zur Unterstützung der Situationserkennung in Workflows(2015) Jansa, PaulDas Internet der Dinge gewinnt immer mehr an Bedeutung durch eine starke Vernetzung von Rechnern, Produktionsanlagen, mobilen Endgeräten und weiteren technischen Geräten. Derartige vernetzte Umgebungen werden auch als SMART Environments bezeichnet. Auf Basis von Sensordaten können in solchen Umgebungen höherwertige Situationen (Zustandsänderungen) erkannt und auf diese meist automatisch reagiert werden. Dadurch werden neuartige Technologien wie zum Beispiel "Industrie 4.0", "SMART Homes" oder "SMART Cities" ermöglicht. Komplexe Vernetzungen und Arbeitsabläufe in derartigen Umgebungen werden oftmals mit Workflows realisiert. Um eine robuste Ausführung dieser Workflows zu gewährleisten, müssen Situationsänderungen beachtet und auf diese entsprechend reagiert werden, zum Beispiel durch Workflow-Adaption. Das heißt, erst durch die Erkennung höherwertiger Situationen können solche Workflows robust modelliert und ausgeführt werden. Jedoch stellen die für die Erkennung von Situationen notwendige Anbindung und Bereitstellung von Sensordaten eine große Herausforderung dar. Oft handelt es sich bei den Sensordaten um Rohdaten. Sie sind schwer extrahierbar, liegen oftmals nur lokal vor, sind ungenau und lassen sich dementsprechend schwer verarbeiten. Um die Sensordaten zu extrahieren, müssen für jeden Sensor individuelle Adapter programmiert werden, die wiederum ein einheitliches Datenformat der Sensordaten bereitstellen müssen und anschließend mit sehr viel Aufwand untereinander verbunden werden. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein Konzept erarbeitet und entwickelt, mit dessen Hilfe eine einfache Integration von Sensordaten ermöglicht wird. Dazu werden die Sensoren über eine webbasierte Benutzeroberfläche oder über eine programmatische Schnittstelle in einer gemeinsamen Datenbank registriert. Die Sensordaten werden durch REST-Ressourcen abstrahiert, in RDF-basierte Repräsentationen umgewandelt und mit dem Linked-Data Prinzip miteinander verbunden. Durch die standardisierte Schnittstelle können Endbenutzer oder Anwendungen über das Internet auf die Sensordaten zugreifen, neue Sensoren anmelden oder entfernen.Item Open Access Thermodynamic analysis and numerical modeling of supercritical injection(2015) Banuti, Daniel; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Although liquid propellant rocket engines are operational and have been studied for decades, cryogenic injection at supercritical pressures is still considered essentially not understood. This thesis intends to approach this problem in three steps: by developing a numerical model for real gas thermodynamics, by extending the present thermodynamic view of supercritical injection, and finally by applying these methods to the analysis of injection. A new numerical real gas thermodynamics model is developed as an extension of the DLR TAU code. Its main differences to state-of-the-art methods are the use of a precomputed library for fluid properties and an innovative multi-fluid-mixing approach. This results in a number of advantages: There is effectively no runtime penalty of using a real gas model compared to perfect gas formulations, even for high fidelity equations of state (EOS) with associated high computational cost. A dedicated EOS may be used for each species. The model covers all fluid states of the real gas component, including liquid, gaseous, and supercritical states, as well as liquid-vapor mixtures. Numerical behavior is not affected by local fluid properties, such as diverging heat capacities at the critical point. The new method implicitly contains a vaporization and condensation model. In this thesis, oxygen is modeled using a modified Benedict-Webb-Rubin equation of state, all other involved species are treated as perfect gases. A quantitative analysis of the supercritical pseudo-boiling phenomenon is given. The transition between supercritical liquid-like and gas-like states resembles subcritical vaporization and is thus called pseudo-boiling in the literature. In this work it is shown that pseudo-boiling differs from its subcritical counterpart in that heating occurs simultaneously to overcoming molecular attraction. In this process, the dividing line between liquid-like and gas-like, the so called Widom line, is crossed. This demarcation is characterized by the set of states with maximum specific heat capacity. An equation is introduced for this line which is more accurate than previous equations. By analyzing the Clausius-Clapeyron equation towards the critical limit, an expression is derived for its sole parameter. A new nondimensional parameter evaluates the ratio of overcoming molecular attraction to heating: It diverges towards the critical point but shows a significant pseudo-boiling effect for up to reduced pressures of 2.5 for various fluids. It appears reasonable to interpret the Widom-line, which divides liquid-like from gas-like supercritical states, as a definition of the boundary of a dense supercritical fluid. This may be used to uniquely determine the radius of a droplet or the dense core length of a jet. Then, a quantitative thermodynamic analysis is possible. Furthermore, as the pseudo-boiling process may occur during moderate heat addition, this allows for a previously undescribed thermal jet disintegration mechanism which may take place within the injector. This thermal jet break-up hypothesis is then applied to an analysis of Mayer’s and Branam’s nitrogen injection experiments. Instead of the constant density cores as predicted by theory, the majority of their cases show an immediate drop in density upon entering the chamber. Here, three different axial density modes are identified. The analysis showed that heat transfer did in fact take place in the injector. The two cases exhibiting a dense core are the cases which require the largest amount of power to reach the pseudo-boiling temperature. After this promising application of pseudo-boiling analysis, thermal break-up is tested numerically. By accounting for heat transfer inside the injector, a non dense-core injection can indeed be simulated for the first time with CFD. Finally, the CFD model is applied to the A60 Mascotte test case, a reactive GH2/LOX single injector operating at supercritical pressure. The results are compared with experimental and other researcher’s numerical data. The flame shape lies well within the margins of other CFD results. Maximum OH* concentration is found in the shear layer close to the oxygen core and not in the shoulder, in agreement with experimental data. The axial temperature distribution is matched very well, particularly concerning position and value of the maximum temperature.Item Open Access Kontextszenarien der deutschen Energiewende : eine Datenerhebung zur Analyse gesellschaftlich-politischer Rahmenbedingungen einer sozio-technischen Transformation(2015) Weimer-Jehle, Wolfgang; Prehofer, Sigrid; Hauser, WolfgangDieser Bericht beschreibt eine Expertenerhebung zum sozio-technischen Kontext der deutschen Energiewende und stellt ausgewählte Ergebnisse vor. Wesentliche sozio-technische Treiber des Energiesystems und dessen Entwicklung wurden identifiziert sowie alternative Zukünfte für jeden Treiber auf Basis von Literaturanalyse und Expertenbefragungen abgeleitet. Die wechselseitigen Beziehungen zwischen den möglichen Zukünften der Treiber wurden in einer Reihe von Experteninterviews unter Verwendung der Cross-Impact Bilanz Analyse abgeschätzt. Eine vorläufige Evaluation der Rohdaten ergab insgesamt 565 konsistente Kontextszenarien. Bevor jedoch endgültige Ergebnisse abgeleitet werden können, ist eine weitere Konsolidierung der Daten notwendig.Item Open Access Visualization challenges in distributed heterogeneous computing environments(2015) Panagiotidis, Alexandros; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)Large-scale computing environments are important for many aspects of modern life. They drive scientific research in biology and physics, facilitate industrial rapid prototyping, and provide information relevant to everyday life such as weather forecasts. Their computational power grows steadily to provide faster response times and to satisfy the demand for higher complexity in simulation models as well as more details and higher resolutions in visualizations. For some years now, the prevailing trend for these large systems is the utilization of additional processors, like graphics processing units. These heterogeneous systems, that employ more than one kind of processor, are becoming increasingly widespread since they provide many benefits, like higher performance or increased energy efficiency. At the same time, they are more challenging and complex to use because the various processing units differ in their architecture and programming model. This heterogeneity is often addressed by abstraction but existing approaches often entail restrictions or are not universally applicable. As these systems also grow in size and complexity, they become more prone to errors and failures. Therefore, developers and users become more interested in resilience besides traditional aspects, like performance and usability. While fault tolerance is well researched in general, it is mostly dismissed in distributed visualization or not adapted to its special requirements. Finally, analysis and tuning of these systems and their software is required to assess their status and to improve their performance. The available tools and methods to capture and evaluate the necessary information are often isolated from the context or not designed for interactive use cases. These problems are amplified in heterogeneous computing environments, since more data is available and required for the analysis. Additionally, real-time feedback is required in distributed visualization to correlate user interactions to performance characteristics and to decide on the validity and correctness of the data and its visualization. This thesis presents contributions to all of these aspects. Two approaches to abstraction are explored for general purpose computing on graphics processing units and visualization in heterogeneous computing environments. The first approach hides details of different processing units and allows using them in a unified manner. The second approach employs per-pixel linked lists as a generic framework for compositing and simplifying order-independent transparency for distributed visualization. Traditional methods for fault tolerance in high performance computing systems are discussed in the context of distributed visualization. On this basis, strategies for fault-tolerant distributed visualization are derived and organized in a taxonomy. Example implementations of these strategies, their trade-offs, and resulting implications are discussed. For analysis, local graph exploration and tuning of volume visualization are evaluated. Challenges in dense graphs like visual clutter, ambiguity, and inclusion of additional attributes are tackled in node-link diagrams using a lens metaphor as well as supplementary views. An exploratory approach for performance analysis and tuning of parallel volume visualization on a large, high-resolution display is evaluated. This thesis takes a broader look at the issues of distributed visualization on large displays and heterogeneous computing environments for the first time. While the presented approaches all solve individual challenges and are successfully employed in this context, their joint utility form a solid basis for future research in this young field. In its entirety, this thesis presents building blocks for robust distributed visualization on current and future heterogeneous visualization environments.Item Open Access Construction of a super-competent Bacillus subtilis 168 using the PmtlA-comKS inducible cassette(2015) Rahmer, Regine; Morabbi Heravi, Kambiz; Altenbuchner, JosefCompetence is a physiological state that enables Bacillus subtilis 168 to take up and internalize extracellular DNA. In practice, only a small subpopulation of B. subtilis 168 cells becomes competent when they enter stationary phase. In this study, we developed a new transformation method to improve the transformation efficiency of B. subtilis 168, specially in rich media. At first, different competence genes, namely comK, comS, and dprA, were alone or together integrated into the chromosome of B. subtilis 168 under control of mannitol-inducible PmtlA promoter. Overexpression of both comK and comS increased the transformation efficiency of B. subtilis REG19 with plasmid DNA by 6.7-fold compared to the wild type strain 168. This transformation efficiency reached its maximal level after 1.5 h of induction by mannitol. Besides, transformability of the REG19 cells was saturated in the presence of 100 ng dimeric plasmid or 3000 ng chromosomal DNA. Studying the influence of global regulators on the development of competence pointed out that important competence development factors, such as Spo0A, ComQXPA, and DegU, could be removed in REG19. On the other hand, efficient REG19 transformation remained highly dependent on the original copies of comK and comS regardless of the presence of PmtlA-comKS. Finally, novel plasmid-free strategies were used for transformation of REG19 based on Gibson assembly.Item Open Access Inferring object hypotheses based on feature motion from different sources(2015) Fuchs, SteffenPerception systems in robotics are typically closely tailored to the given task, e.g., in typical pick-and-place tasks the perception systems only recognizes the mugs that are supposed to be moved and the table the mugs are placed on. The obvious limitation of those systems is that for a new task a new vision system must be designed and implemented. This master's thesis proposes a method that allows to identify entities in the world based on motion of various features from various sources. This is without relying on strong prior assumptions and to provide an important piece towards a more general perception system. While entities are rigid bodies in the world, the sources can be anything that allows to track certain features over time in order to create trajectories. For example, these feature trajectories can be obtained from RGB and RGB-D sensors of a robot, from external cameras, or even the end effector of the robot (proprioception). The core conceptual elements are: the distance variance between trajectory pairs is computed to construct an affinity matrix. This matrix is then used as input for a divisive k-means algorithm in order to cluster trajectories into object hypotheses. In a final step these hypotheses are combined with previously observed hypotheses by computing the correlations between the current and the updated sets. This approach has been evaluated on both simulated and real world data. Generating simulated data provides an elegant way for a qualitative analysis of various scenarios. The real world data was obtained by tracking Shi-Tomasi corners using the Lucas-Kanade optical flow estimation of RGB image sequences and projecting the features into range image space.Item Open Access Mechanistische Untersuchung zu intermizellaren Wechselwirkungen in lyotropen Flüssigkristallphasen(2015) Schörg, Florian; Gießelmann, Frank (Prof. Dr.)Intermizellare Wechselwirkungen sind für die Bildung lyotroper Flüssigkristallphasen von grundlegender Bedeutung. In dieser Arbeit wurde die Existenz dynamischer Hydrathüllen in mizellaren Systemen gezeigt, die für die Vermittlung intermizellarer Wechselwirkungen über Lösungsmittelschichten hinweg verantwortlich sein können. Als geeignetes Modellsystem wurden hierfür binäre Mischungen des quartären Ammoniumsalzes Cetylethyldimethylammoniumbromid mit Wasser ausgewählt. Durch Messungen mittels dynamischer Lichtstreuung konnten die mizellaren Dimensionen wässriger CEDAB-Lösungen bestimmt werden. Die Untersuchung dynamischer Hydrathüllen erfolgte mittels Absorptionsmessungen im Ferninfrarot-Bereich nach der ATR-Methode. Dabei zeigte sich, dass die Mizellen das sie umgebende Wasserstoffbrückennetzwerk stark beeinflussen und es tatsächlich zur Ausbildung dynamischer Hydrathüllen kommt. Der Übergang in die nematische Phase findet erst statt, wenn das gesamte Lösungsmittel in dynamischen Hydrathüllen gebunden ist und diese zu überlappen beginnen. Anders als bei den für die Entwicklung des Messverfahrens herangezogenen wässrigen Glucose-Lösungen ist im Falle des CEDAB-Systems der Absorptionskoeffizient des Hydratwassers geringer als jener der freien Wassers. Dies kann als eine Schwächung der Wasserstoffbrückenbindungen in den dynamischen Hydrathüllen verstanden werden, die aus der Molekülstruktur resultiert. Die Reichweite des Solvateinflusses auf das Wasserstoffbrückennetzwerk ist jedoch unabhängig davon, ob dieser in einer Stärkung oder einer Schwächung des Wasserstoffbrückennetzwerks resultiert. Durch die Untersuchung wässriger Lösungen des nichtionischen Zuckertensids C8Gluco konnte gezeigt werden, dass in geeigneten lyotropen Systemen auch eine Stärkung der Wasserstoffbrückenbindungen in den dynamischen Hydrathüllen möglich ist. Diese fiel jedoch nicht so deutlich aus wie im Falle des Glucose-Systems, was wiederum auf die Struktur der Moleküle und die Mizellbildung zurückzuführen ist. So stehen im Falle des C8Gluco-Systems für jedes Solvatmolekül weniger als halb so viele Hydroxygruppen für die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Lösungsmittel zur Verfügung. Eines der eindrucksvollsten Beispiele für die Bedeutung intermizellarer Wechselwirkungen ist die chirale Induktion in lyotropen Flüssigkristallphasen, die üblicherweise durch das Hinzufügen chiraler Moleküle als Dotierstoff hervorgerufen werden kann. In dieser Arbeit wurden erstmals helikale Nanopartikel als Dotierstoffe eingesetzt, die um ein Vielfaches größer waren als die Mizellen der lyotropen Wirtsphase. Die Nano-Helices wurden in lyotrop-nematischen Phasen dispergiert, eine einheitliche Probenorientierung konnte durch das Anlegen eines externen Magnetfelds erreicht werden. Durch polarisationsmikroskopische Untersuchungen konnte in den untersuchten Systemen die Bildung helikaler Überstrukturen gezeigt werden. Deren Ganghöhen liegen im Bereich weniger Millimeter, was unter Berücksichtigung der geringen Nanopartikelkonzentrationen in den Lösungen für ein beeindruckendes chirales Induktionsvermögen spricht. Die etablierten Mechanismen der chiralen Induktion in lyotropen Systemen können aufgrund der Größenverhältnisse zwischen den Nanopartikeln und den um zwei bis drei Größenordnungen kleineren Mizellen nicht zur Anwendung gebracht werden. Um die beobachteten Chiralitätseffekte zu erklären wurde deshalb auf ein von Ferrarini und Nordio entwickeltes Modell für die chirale Induktion in thermotropen Flüssigkristallen zurückgegriffen. Dieses beruht auf einem von der chiral verzerrten Oberfläche des Dotierstoffs auf den lokalen Direktor ausgeübten Drehmoment, das innerhalb der Wirtsphase aufgrund von deren Elastizität weitergegeben werden kann. Insgesamt liefert die vorliegende Arbeit wichtige Erkenntnisse für das Verständnis intermizellarer Wechselwirkungen in lyotropen Systemen. Mit der ATR-Ferninfrarot-Spektroskopie wird erstmals eine neue Methode für die Untersuchung der Hydratation von Mizellen präsentiert, die bei der weiteren mechanistischen Aufklärung des intermizellaren Informationstransports eine wichtige Rolle spielen könnte. Die verwendeten TiO2-Nano-Helices zeigen hingegen ein bemerkenswertes chirales Induktionsvermögen bei der Verwendung als Dotierstoffe in lyotropen Flüssigkristallphasen und erzeugen in orientierten Proben helikale Überstrukturen mit sehr großen Ganghöhen. Somit liefert diese Arbeit wichtige Grundlagen für weitere Untersuchungen, die dabei helfen können, die Mechanismen der Bildung lyotroper Flüssigkristallphasen und der chiralen Induktion in diesen besser zu verstehen.Item Open Access Aufwandsschätzung bei Geschäftsprozessmodellerstellung(2015) Milutinovic, AleksandarGeschäftsprozessmanagement-Projekte im Allgemeinen und Modellierungsprojekte im Speziellen besitzen noch keine angewandte und wissenschaftlich gestützte und untersuchte Methode zur Aufwandsschätzung. Insbesondere gibt es für die Phase der Modellerstellung innerhalb des Geschäftsprozessmanagement-Lebenszyklus keine Aufwandsschätzungen, während der Bereich der Implementierung von Geschäftsprozessmodellen erste Ansätze zu Aufwandschätzungen in der Literatur aufzeigt. Diese Arbeit gibt einen Überblick über Schätzmethoden, den aktuellen Stand der Literatur aus angrenzenden und entfernten Forschungsfeldern und entwickelt basierend darauf eine Methode namens BPM COCOMO zur Aufwandsschätzung bei der Erstellung von Geschäftsprozessmodellen. Es wird eine Adaption von COCOMO vorgenommen und eine weitere Untersuchung und Validierung dieses Modells vorgeschlagen. Keywords: geschäftsprozessmodellierung, aufwandsschätzung, gpm, bpm, bpmn, function point, cocomo, modellierung, aufwand, kostenItem Open Access Robust Quasi-Newton methods for partitioned fluid-structure simulations(2015) Scheufele, KlaudiusIn recent years, quasi-Newton schemes have proven to be a robust and efficient way for the coupling of partitioned multi-physics simulations in particular for fluid-structure interaction. The focus of this work is put on the coupling of partitioned fluid-structure interaction, where minimal interface requirements are assumed for the respective field solvers, thus treated as black box solvers. The coupling is done through communication of boundary values between the solvers. In this thesis a new quasi-Newton variant (IQN-IMVJ) based on a multi-vector update is investigated in combination with serial and parallel coupling systems. Due to implicit incorporation of passed information within the Jacobian update it renders the problem dependent parameter of retained previous time steps unnecessary. Besides, a whole range of coupling schemes are categorized and compared comprehensively with respect to robustness, convergence behaviour and complexity. Those coupling algorithms differ in the structure of the coupling, i.\,e., serial or parallel execution of the field solvers and the used quasi-Newton methods. A more in-depth analysis for a choice of coupling schemes is conducted for a set of strongly coupled FSI benchmark problems, using the in-house coupling library preCICE. The superior convergence behaviour and robust nature of the IQN-IMVJ method compared to well known state of the art methods such as the IQN-ILS method, is demonstrated here. It is confirmed that the multi-vector method works optimal without the need of tuning problem dependent parameters in advance. Furthermore, it appears to be especially suitable in conjunction with the parallel coupling system, in that it yields fairly similar results for parallel and serial coupling. Although we focus on FSI simulation, the considered coupling schemes are supposed to be equally applicable to various kinds of different volume- or surface-coupled problems.Item Open Access Precipitation of nitrides in iron-based binary and ternary alloys; influence of defects and transformation-misfit stresses(2015) Akhlaghi, Maryam; Mittemeijer, Eric Jan (Prof. Dr. Ir.)The initial microstructure of the unnitrided specimen has a significant influence on the nitriding response of binary Fe-Me (Me: Mo or Al) alloys specimens. This effect was not investigated until now for the case of nitrided ternary Fe-Me1-Me2 alloys, the role of the initial microstructure was studied upon nitriding Fe-4.1 at.% Cr-7.9 at.% Al specimens. To this end, the recrystallized and cold-rolled specimens were nitrided at low nitriding temperature of 400 °C. Upon precipitation of misfitting coherent nitrides during nitriding of thin-foils of binary Fe-Me (Me: Cr and V) alloys, a hydrostatic tensile lattice-stain component results from the elastic accommodation of volume misfit of nitrides and ferrite matrix. The change of the ferrite-matrix lattice parameter can be traced upon precipitation of the nitrides by X-ray diffraction measurements. The theory originally developed for the case of imperfections (by Eshelby) in solids can be applied for quantitatively describing the lattice-parameter changes of the matrix, the nitrides and the aggregate (matrix+ nitrides) as function of volume fraction and type of nitrides.