Universität Stuttgart
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Item Open Access Intrinsisch lockingfreie Schalenformulierungen(Stuttgart : Institut für Baustatik und Baudynamik, Universität Stuttgart, 2018) Oesterle, Bastian; Bischoff, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)Angesichts einer stetig steigenden Anzahl komplexer Diskretisierungsverfahren beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit intrinsisch lockingfreien Schalenformulierungen. Aus der Literatur bekannte Konzepte versuchen stets die durch die Diskretisierung entstehenden Locking-Effekte zu beseitigen oder abzumindern. Tritt Locking jedoch gar nicht auf, ist dessen Beseitigung obsolet. Deshalb sollen die hier vorgestellten Schalenformulierungen numerische Locking-Effekte bereits auf Theorieebene vermeiden, ungeachtet vom verwendeten Diskretisierungsschema. Die Vermeidung von Locking bereits vor der Diskretisierung verspricht ein breites Anwendungsspektrum für diverse Diskretisierungsverfahren im Bereich von Computersimulationen physikalischer Vorgänge. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der intrinsischen Vermeidung von Querschublocking in Formulierungen für Strukturtheorien. Über hierarchische Reparametrisierung der kinematischen Gleichungen kann Querschublocking im Rahmen einer primalen Methode a priori vermieden werden. Das Konzept wird gleichermaßen für schubweiche Balken-, Platten- und Schalenformulierungen demonstriert, wobei jeweils zwei hierarchische Parametrisierungen unterschieden werden. Der zweite theoretische Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der intrinsischen Vermeidung aller geometrischen Locking-Effekte, vor allem aber von Membranlocking. Es wird ein neuartiges, reparametrisiertes gemischtes Prinzip vorgestellt, in dem ausschließlich Verschiebungsgrößen als Primärvariablen auftreten. Diese Reparametrisierung führt dazu, dass die für gemischte Methoden notwendige Wahl geeigneter Spannungs- oder Verzerrungsräume entfällt. Die daraus resultierende intrinsische Vermeidung geometrischer Locking-Effekte verspricht ein breites Anwendungsspektrum dieser Methode.Item Open Access Entwicklung eines Brenners mit Luft- und Brennstoffstufung zur emissionsarmen Biomasseverbrennung in Kleinfeuerungsanlagen(2018) Barth, Fritz; Baumbach, Günter (apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiges feuerungstechnisches Konzept zur emissionsarmen Verbrennung von festen Biomassebrennstoffen entwickelt und erprobt. Das feuerungstechnische Konzept grenzt sich gegenüber dem Stand der Wissenschaft und Technik in den folgenden Punkten ab: 1. Kombination von Luft- und Brennstoffstufung durch die räumliche Trennung der Entgasung, der vollständigen Verbrennung des Gas-Luftgemisches und des Abbrands des Entgasungsrückstandes (Primärkoks), 2. Gewinnung eines Reduktionsgases aus der Umsetzung des Primärkokses und Einsatz dieses Reduktionsgases als Stufenbrennstoff (kein Einsatz eines separaten Sekundärbrennstoffs notwendig) sowie 3. Anwendung des Blaubrennerkonzepts auf ein mit Biomasse befeuertes Brennersystem, d.h. Umstellung von Diffusions- auf Vormischflamme. Zur Evaluierung des entwickelten Feuerungskonzepts wurde ein Brennersystem gebaut und untersucht. Gemäß diesem Konzept wird die Verbrennungsluft dreifach gestuft im Bereich der Entgasung, des Primärkoksabbrandes sowie der Verbrennung des Gasgemisches zugeführt. Als Brennstoffe wurden Pellets aus Stroh- und Getreidereststoffen sowie aus Holz eingesetzt. Für die NOx-Konzentration zeigte sich eine starke Abhängigkeit sowohl von der Gesamtluftzahl als auch von den Teilluftzahlen. Die besten Ergebnisse wurden bei sehr geringem Luftüberschuss erzielt. Die NOx-Konzentration konnte bei Senkung der Gesamtluftzahl von 1,6 auf 1,1 um über 40 % reduziert werden. Bis zu einer Gesamtluftzahl von 1,2 wurden stabil niedrige CO-Emissionen von ca. 40 mg/m³ i.N. (13 Vol.-% O2) ermittelt. Die Partikelkonzentration konnte - verglichen mit den Ergebnissen aus Messungen, die bei anderen Feuerungsanlagen unter Verwendung ähnlicher Brennstoffe durchgeführt wurden - um 50 % reduziert werden. Durch Zugabe des Reduktionsgases kann ebenfalls eine Senkung der NOx-Konzentration erzielt werden. Bei Vorliegen optimaler Bedingungen (Temperatur > 700 °C im Reduktionsbereich, geringer Oxidationsgrad des Primärkokses) konnte die NOx-Konzentration um über 40 % verringert werden. Die Reduktionswirkung des Reduktionsgases war brennstoffübergreifend nachweisbar. Die Möglichkeit der Anwendung des Blaubrennerkonzepts auf den Versuchsbrenner konnte grundsätzlich bestätigt werden. Die Hauptschwierigkeit in der Umsetzung des Vormischflammenbetriebs lag in der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Pyrolysegas-Luftgemisches in der Mischzone. Zu Beginn der Versuche kam es häufig zum Abreißen der Flamme. Die Häufigkeit der Flammenabrisse konnte nach Einführung eines Flammenhalters reduziert werden, jedoch zeigte sich das Brennersystem im Betrieb mit Vormischflamme weiter sehr instabil bei der Änderung von Betriebsrahmenbedingungen (z.B. Abzug des Primärkokses, Druckschwankungen). Ein langfristig stabiler Betrieb mit Vormischflamme erfordert die Entwicklung einer speziell angepassten Regelung für den Betrieb mit Vormischflamme und die Installation einer Zündeinrichtung für den Fall des Abreißens der Flamme.Item Open Access Reducing the uncertainty of lidar measurements in complex terrain using a linear model approach(2018) Hofsäß, Martin; Clifton, Andrew; Cheng, Po WenIn complex terrain, ground-based lidar wind speed measurements sometimes show noticeable differences compared to measurements made with in-situ sensors mounted on meteorological masts. These differences are mostly caused by the inhomogeneities of the flow field and the applied reconstruction methods. This study investigates three different methods to optimize the reconstruction algorithm in order to improve the agreement between lidar measurements and data from sensors on meteorological masts. The methods include a typical velocity azimuth display (VAD) method, a leave-one-out cross-validation method, and a linear model which takes into account the gradients of the wind velocity components. In addition, further aspects such as the influence of the half opening angle of the scanning cone and the scan duration are considered. The measurements were carried out with two different lidar systems, that measured simultaneously. The reference was a 100 m high meteorological mast. The measurements took place in complex terrain characterized by a 150 m high escarpment. The results from the individual methods are quantitatively compared with the measurements of the cup anemometer mounted on the meteorological mast by means of the three parameters of a linear regression (slope, offset, R2) and the width of the 5th–95th quantile. The results show that expanding the half angle of the scanning cone from 20◦ to 55◦ reduces the offset by a factor of 14.9, but reducing the scan duration does not have an observable benefit. The linear method has the lowest uncertainty and the best agreement with the reference data (i.e., lowest offset and scatter) of all of the methods that were investigated.Item Open Access Reliability study and thermal performance of LEDs on molded interconnect devices (MID) and PCB(2018) Soltani, Mahdi; Freyburger, Moritz; Kulkarni, Romit; Mohr, Rainer; Groezinger, Tobias; Zimmermann, AndréItem Open Access Mathematical modeling of the pituitary-thyroid feedback loop: role of a TSH-T3-shunt and sensitivity analysis(2018) Berberich, Julian; Dietrich, Johannes W.; Hoermann, Rudolf; Müller, Matthias A.Despite significant progress in assay technology, diagnosis of functional thyroid disorders may still be a challenge, as illustrated by the vague upper limit of the reference range for serum thyrotropin (TSH). Diagnostical problems also apply to subjects affected by syndrome T, i.e. those 10% of hypothyroid patients who continue to suffer from poor quality of life despite normal TSH concentrations under substitution therapy with levothyroxine (L-T4 ). In this paper, we extend a mathematical model of the pituitary-thyroid feedback loop in order to improve the understanding of thyroid hormone homeostasis. In particular, we incorporate a TSH-T3 –shunt inside the thyroid, whose existence has recently been demonstrated in several clinical studies. The resulting extended model shows good accordance with various clinical observations, such as a circadian rhythm in free peripheral triiodothyronine (FT3). Furthermore, we perform a sensitivity analysis of the derived model, revealing the dependence of TSH and hormone concentrations on different system parameters. The results have implications for clinical interpretation of thyroid tests, e.g. in the differential diagnosis of subclinical hypothyroidism.Item Open Access Estimation of the depth limit for percussion drilling with picosecond laser pulses(2018) Förster, Daniel J.; Weber, Rudolf; Holder, Daniel; Graf, ThomasItem Open Access Optimierte Auslegung von Flanschverbindungen mit GFK-Flanschen unterschiedlicher konstruktiver Gestaltung unter Berücksichtigung des spezifischen Werkstoffverhaltens(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2018) Moritz, Stephanie; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)Gestiegene Anforderungen (höhere Temperaturen, aggressive Medien) an Flanschverbindungen aus glasfaserverstärken Kunststoffen (GFK) haben dazu geführt, die Materialeigenschaften dieser Verbindungen näher zu untersuchen um das mechanische Verhalten im Betrieb besser beschreiben zu können. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Erarbeitung einer verbesserten Auslegung, die an den Werkstoff GFK angepasst ist. Mithilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen an Flanschverbindungselementen aus GFK konnte ein optimierter Festigkeits- und Dichtheitsnachweis erbracht werden. Die vorgeschlagenen Ansätze lassen sich einfach in bestehende Normen integrieren und können dazu beitragen diese Verbindungen für den Betrieb sicher auszulegen.Item Open Access Assessment of altimetric river water level time series densification methods(2018) Xia, ZhugeNowadays, collecting and analysing water level time series recorded by gauging stations or by satellite altimetry is crucial for the geodetic and environmental purposes, such as modelling ocean circulation and monitoring climate change. Since the 1970s, a large number of gauging stations has been removed. This has made altimetry increasing more important. However, data collected by individual altimetric satellites are limited, i.e., the temporal resolution is limited to the repeat cycle of satellites, and the spatial resolution is constrained to the distribution of virtual stations. In order to overcome these limitations, methods have been developed to combine all available altimetric satellite missions along a river to construct a new densified time series. This is referred to as densification. To our knowledge, there are only two proven densification methods applied to the river for now. The first is a hydraulic statistic densification method developed by Tourian et al. (2016). The other is the kriging densification method published by Boergens et al. (2017). However, each of them is realized under different circumstances, which makes them incomparable with each other. In this work, we implement the two densification methods and apply them under similar conditions. The various densified water level time series are compared and analysed both visually and statistically. Results reveal different characteristics of the two densification methods.Item Open Access Load sensitivity analysis for a floating wind turbine on a steel semi-submersible substructure(2018) Müller, Kolja; Faerron Guzman, Ricardo; Cheng, Po Wen; Galván, Josean; Sánchez Lara, Miren; Rodríguez Arías, Raúl; Manjock, AndreasThe site-specific load verification for floating offshore wind turbines requires the consideration of the complex interaction of the different system components and their environment. Sensitivity analyses help reducing the simulation amount for both fatigue and ultimate load analysis significantly by highlighting relevant load parameters and increase the understanding for the system behavior in its real environment. Aligned with work in the H2020 project LIFES50+, this study investigates different approaches for global sensitivity analysis using quasi-random sampling for the independent variables. Two different load case groups are analyzed: (1) fatigue loads during power production, (2) ultimate loads during power production and severe sea state. The considered system is the public DTU 10MW turbine’s rotor-nacelle assembly, installed on the public NAUTILUS-10 floating structure. Load simulations are performed by using FAST v8. Simulations are set up based on the LIFES50+ Site B (medium severity). A comparison is made to a similar study with a different platform (Olav Olsen semi-submersible) in order to observe if similar conclusions can be reached for the different floater types.Item Open Access Sea surface altimetry using GNSS-R(2018) Li, FanxiangThe Global Navigation Satellite Systems Reflectometry (GNSS-R) aims to retrieve information about the Earth surface by analyzing the signals emitted by GNSS transmitters (such as GPS, GLONASS, GALILEO and COMPASS...), and captured by an elevated platform after the signal has rebounded off of the oceans, lakes, land or ice and snow. The sea surface altimetry is an essential oceanic application of the GNSS-R. In this thesis, a method is introduced to solve this altimetric problem. Besides, a set of experimental data based on the campaign "Gold Test" carried out over the Mediterranean Sea in 2005 provided by the Institut de Ciències de l’Espai (ICE) is tested.