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Im ersten Teil der Arbeit sollte die im AK Gooßen entwickelte palladiumkatalysierte Kupplung von aktivierten Carbonsäurederivaten mit Boronsäuren zu Arylketonen weiterentwickelt und auf heterozyklische Carbonsäuren übertragen werden. Es zeigte sich jedoch, dass die ausgereifte Methode der Ketonsynthese mit NHS-Aktivestern nur unwesentlich zu verbessern war. Die bereits bekannten Bedingungen konnten nicht weiter optimiert werden, aber es gelang erstmalig Nicotinsäure mit Phenylboronsäure in einer Ausbeute von 55% zu 3-Benzoylpyridin kuppeln. Für andere Substrate gelang es trotz vieler Versuche nicht, die mit der bereits pubilizierten NHS-Aktivestermethode erreichten Ausbeuten weiter zu verbessern.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine effektive, einstufige Ketonsynthese, basierend auf dem Prinzip der decarboxylierenden Kreuzkupplung entwickelt. Dadurch konnte gezeigt werden, dass das Konzept der decarboxylierenden Kreuzkupplung nicht nur auf die Biarylsynthese beschränkt ist. Die Methode ist breit anwendbar auf eine große Zahl von Arylbromiden und 2-Oxocarbonsäuren. Sie verzichtet auf metallorganische Reagenzien und verwendet statt dessen 2-Oxocarboxylate als Quelle für Acylnucleophile. Diese sind teilweise großtechnisch als Zwischenprodukte in der Aminosäureherstellung verfügbar. Die gewünschten Arylketone wurden in guten Ausbeuten erhalten. Die Reaktion wurde erfolgreich im Großansatz, sowie unter Mikrowellenbedingungen durchgeführt.
Im dritten Teil der Arbeit wurde eine katalytische decarboxylierende Kreuzketonisierung entwickelt. Diese erlaubt eine abfallarme, salzfreie, regioselektive und nebenproduktarme Synthese von Arylalkylketonen aus gut verfügbaren, kostengünstigen Carbonsäuren. Als Koppelprodukte werden nur Wasser und CO2 gebildet. Die Carbonsäuren können aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden oder über Luftoxidation von Alkoholen oder Alkylarenen.
Einzig mit Eisenkatalysatoren wurden gute Selektivitäten für die Kreuzketoniserungsprodukte erzielt. Bei Verwendung von Dowtherm A als Lösungsmittel konnten hohe Ausbeuten mit verschiedenen Eisenvorstufen bei einer Temperatur von 250-270°C erreicht werden.
Die Durchführung einer Salzmetathese zur in situ Benzoaterzeugung und Verwendung von Triphenylsilan als Additiv ermöglichte erstmal eine Ketonsynthese mit katalytischer Menge von 20 mol% Eisen. Genauere Untersuchungen ließen vermuten, dass Magnetitnanopartikel, die sich in definiertem Größenbereich im Verlauf der Reaktion gebildet hatten, die eigentlichen Katalysatoren darstellen.
Wurden Magnetit-Nanopartikel direkt als Katalysator eingesetzt, lieferten diese höhere Ausbeuten bei einer vereinfachten Reaktionsdurchführung. Auf den Zusatz von Reduktionsmitteln kann bei Verwendung von Magnetit-Nanopartikeln als Katalysator ganz verzichtet werden. Nanopartikel mit einem Durchmesser von ca. 20 nm und einer engen Korngrößeverteilung bilden sich auch in situ beim Auflösen von Eisenpulver in den Carbonsäuresubstraten in Gegenwart von Dowtherm A unter kontrollierten Bedingungen. Durch die geringe Korngröße steht an der Oberfläche ausreichend Eisen(II) zur Verfügung, um die Kreuzketonisierung zu vermitteln. Die große Zahl an Nanopartikeln verhindert ein Disproportionieren des Eisen(II)oxids, das nach einem Katalysezyklus kurzfristig gebildet wird, da das Eisen in dieser Oxidationsstufe an der Oberfläche der Nanopartikel stabilisiert wird. So war es schließlich möglich, katalytische Kreuzketonisierungen durch Umsetzung von aliphatischen mit aromatischen Carbonsäuren mit Eisenspänen als Präkatalysatoren durchzuführen. Diese Reaktion wurde erfolgreich in Miniaturansätzen und im Multigramm-Maßstab durchgeführt.
Die Verbesserung der aerodynamischen Komponenten einer Gasturbine lässt nur noch wenig Spielraum zu einer Effizienzsteigerung offen. Eine Erhöhung der maximalen Temperatur des thermodynamischen Prozesses bietet weiteres Potential zur Leistungssteigerung. Diese Maßnahme führt zu Turbineneintrittstemperaturen, die eine thermische Belastung für die Turbinenkomponenten darstellt, welche auch durch moderne Werkstoffe nicht ertragen werden kann. Um einer thermische Ermüdung vorzubeugen kann eine Filmkühlung appliziert werden.
Eine Filmkühlung hat zunächst eine Reduktion des thermischen Wirkungsgrades zur Folge. Der benötigte Luftmassenstrom muss daher minimiert werden. Um mit minimalem Luftmassenstrom eine ausreichende Kühlung zu erreichen, ist vor der Auslegung der Filmkühlung die Kenntnis des lokalen Wärmeübergangs in der Turbine notwendig. Dieser wird von der Strömung in der Turbine bestimmt. Insbesondere die entstehenden Wirbelstrukturen verursachen starke Temperaturfluktuationen über den Bauteiloberflächen. Hier ist an erster Stelle das Wirbelsystem im Eckbereich von Schaufeln und Seitenwänden zu nennen. Der Wärmeübergang kann hier um bis zu 300% gegenüber der ungestörten Anströmung erhöht sein. Weiterhin tritt das Wirbelsystem mit der vorhandenen Filmkühlung in Interaktion, was eine Reduzierung der Kühlleistung zur Folge hat.
Die experimentelle Evaluierung der lokalen Kühlleistung, bemessen durch die Filmkühleffektivität, ist mit einem hohen Maß an Aufwand verbunden. Eine numerische Bestimmung der Filmkühleffektivität ist eine kostengünstige Alternative, bietet jedoch aufgrund der benötigten Modellierung der Turbulenz und der räumlichen und zeitlichen Diskretisierung zwei Fehlerquellen, deren Einfluss auf das Ergebnis einer Beurteilung bedarf.
Mit Turbulenzmodellen niedrigen Modellierungsgrades ist eine Abbildung des instationären Wirbelsystems im Eckbereich in guter Übereinstimmung mit dem Experiment möglich. Diese erfordern ein hohes Maß an Ressourcen. Im Zuge der Notwendigkeit einer Ressourcenersparnis besteht der Wunsch das Wirbelsystem mit Modellen hohen Modellierungsgrades zu bestimmen. In dieser Arbeit wird daher herausgestellt, welchen Anspruch das Wirbelsystem tatsächlich an seine Modellierung stellt. Zu diesem Zweck werden nicht nur verschiedene Turbulenzmodelle variierenden Modellierungsgrades gegenübergestellt, sondern auch der notwendige räumliche und zeitliche Diskretisierungsgrad diskutiert.
Die Strömungskonfiguration einer Filmkühlung im Eckbereich vor der Schaufelvorderkante kann als Superposition zweier Strömungskonfigurationen betrachtet werden. Diese sind das Ausblasen von Kühlluft aus einer diskreten Bohrung und die Entwicklung des Wirbelsystems im Eckbereich vor der Vorderkante aufgrund einer Grenzschichtströmung. Zunächst werden die Ansprüche der Einzelkonfigurationen an Turbulenzmodellierung und Diskretisierung geklärt. Anschließend wird die Superposition beider Fälle untersucht. Im Vergleich zeigt sich der Einfluss von Turbulenzmodellierung und Diskretisierung auf die Ergebnisse der Einzelkonfigurationen und weiterhin, ob diese Erkenntnisse auf die Bestimmung der Superposition angewendet werden können. Die Zielgröße der Berechnungen ist die lokale Filmkühleffektivität, beziehungsweise, im Fall der Untersuchung des Wirbelsystems ohne Filmkühlung, der lokale Wärmeübergang in die Seitenwand. Für die drei untersuchten Strömungskonfigurationen stehen experimentelle Daten zur Validierung zur Verfügung.
Während das Ausblasen aus einer diskreten Bohrung mit einem RANS Modell, dem k-\epsilon Modell, gut abgebildet werden kann, ist die Entwicklung des Wirbelsystems im Eckbereich vor der Schaufelvorderkante und der damit einhergehende Wärmeübergang durch ein hybrides Modell, das DES Modell, gut repräsentiert. In Verbindung mit dem k-\epsilon Modell zeigt sich für die Untersuchung des Ausblasens eine grobe Diskretisierung bei stationärer Berechnung als förderlich für die Abbildung der experimentellen Filmkühleffektivität. Dies liegt in der vorhandenen numerischen Diffusion begründet.
Die Wiedergabe vorhandener Wirbelstrukturen ist essentiell zur Prognose der Filmkühleffektivitätsverteilung und des Wärmeübergangs im Eckbereich vor der Vorderkante. Dies bedarf der Verwendung eines geeigneten Modells in Verbindung mit einer ausreichenden Diskretisierung. Daher zeigt sich hier das DES Modell als geeignet.
Die Entwicklung der Filmkühleffektivität im Fall des Ausblasens von Kühlluft in ein bestehendes Wirbelsystem ist von den entstehenden Wirbelstrukturen bestimmt. Die Ergebnisse des DES Modells in Verbindung mit dem Netz größter Knotendichte weisen daher hier die beste Übereinstimmung mit dem Experiment auf.
Das Drilltragverhalten von Fertigteilplatten mit Ortbetonergänzung wird im Wesentlichen durch vertikale Elementfugen beeinflusst. Die DIN 1045-1 erlaubt die Berechnung der Schnittgrößen derartiger Platten unter Ansatz voller Drillsteifigkeit auch für den Fall, dass sich vertikale Elementfugen im Drillbereich \((0,3 *l_{min})\) der Platte befinden. Ein Aufklaffen der horizontalen Verbundfuge zwischen Fertigteilplatte und Ortbeton wird in diesem Fall beidseits der Fuge durch randparallele Gitterträger verhindert.
In der vorliegenden Arbeit wird das Tragverhalten von Fertigteilplatten mit Ortbetonergänzung physikalisch nichtlinear, unter Berücksichtigung wirklichkeitsnahen Werkstoffverhaltens, mit dreidimensionalen FEM-Ansätzen modelliert. Dazu wird zunächst ein Ansatz zur Berücksichtigung des Tension-Stiffening Effekts in dreidimensionalen FE-Berechnungen entwickelt. Damit gelingt die numerische 3D-Simulation des Tragverhaltens von Stahlbetonfertigteilplatten mit Ortbetonergänzung und insbesondere auch die Erfassung des Einflusses vertikaler Elementfugen auf die Schnittgrößen.
Eigene FE- Simulationen, in denen der Bewehrungsstahl als eindimensionales Stabelement diskretisiert worden ist, führten im Lasteinleitungsbereich der Bewehrung lokal zum vorzeitigen Versagen einiger Betonelemente. Abliegende Querschnittsbereiche konnten somit nicht zum Lastabtrag herangezogen werden. In einer aufwendigen dreidimensionalen Simulation in der auch die Bewehrung inklusive Rippen dreidimensional modelliert worden ist, konnte das experimentell ermittelte Tragverhalten unter Berücksichtigung des Tension-Softening Verhaltens im Beton nachgebildet werden.
Diese Art der Modellierung ist außerordentlich zeit- und rechenintensiv. Es wird daher zur näherungsweisen Beschreibung des Tension-Stiffening Effekts in dreidimensionalen FE- Modellen ein vereinfachter Ansatz entwickelt, der nach den genaueren Berechnungen und experimentellen Ergebnissen kalibriert wird und das Tragverhalten “verschmiert“ beschreibt. Dies erfolgt zunächst für das einachsige Tragverhalten eines Stahlbetonzugstabs und wird im Anschluss für das zweiachsige Tragverhalten von Stahlbetonplatten erweitert.
Mit dem entwickelten Modell sind zweiachsig gespannte Fertigteilplatten mit Ortbetonergänzung berechnet worden. Die Berechnungsergebnisse sind an drei Platten experimentell im Labor für Konstruktiven Ingenieurbau der TU Kaiserslautern abgesichert worden.
Die physikalisch nichtlinearen 3D-FEM Berechnungen haben gezeigt, dass die Tragfähigkeit einer zweiachsig gespannten Fertigteilplatte mit Ortbetonergänzung durch eine obere Eckbewehrung nur geringfügig gesteigert werden kann (ca. 6%). Dies bestätigt die Ergebnisse von Gersiek (1990) an quadratischen Stahlbetonplatten in Ortbetonbauweise.
Weiter konnte sowohl im Versuch als auch in nichtlinearen Berechnungen gezeigt werden, dass bei Anordnung vertikaler Elementfugen im Drillbereich \((0,3 *l_{min})\) gemäß DIN1045-1 die Tragwirkung der Platte sichergestellt ist. Der Rissverlauf unterscheidet sich nur geringfügig von einer Platte ohne Fugen in den Fertigteilplatten.
Many real life problems have multiple spatial scales. In addition to the multiscale nature one has to take uncertainty into account. In this work we consider multiscale problems with stochastic coefficients.
We combine multiscale methods, e.g., mixed multiscale finite elements or homogenization, which are used for deterministic problems with stochastic methods, such as multi-level Monte Carlo or polynomial chaos methods.
The work is divided into three parts.
In the first two parts we study homogenization with different stochastic methods. Therefore we consider elliptic stationary diffusion equations with stochastic coefficients.
The last part is devoted to the study of mixed multiscale finite elements in combination with multi-level Monte Carlo methods. In the third part we consider multi-phase flow and transport equations.
The automatic analysis and retrieval of technical line drawings is hindered by many challenges such as: the large amount of contextual clutter around the symbols within the drawings, degradation, transformations on the symbols in drawings, large databases of drawings
and large alphabets of symbols. The core tasks required for the analysis of technical line
drawings are: symbol recognition, spotting and retrieval. The current systems for performing these tasks have poor performance due to the mentioned challenges. This dissertation
presents a number of methods that address these challenges. These methods achieve both
accurate and efficient symbol spotting and retrieval in technical line drawings, and perform
significantly better than state-of-the-art methods on the same problems. An overview of
the key contributions of this dissertation is given in the following.
First, this dissertation presents a geometric matching-based method for symbol recognition
and spotting. The method performs recognition in the presence of large amounts of contextual clutter, and provides precise localization of the recognized symbols. On standard
databases such as GREC-2005 and GREC-2011, the method achieves up to 10% higher
recall and up to 28% higher precision than state-of-the-art methods on the spotting task,
and achieves up to 7% higher recognition accuracy on the isolated recognition task. The
method is based on a geometric matching approach, which is flexible enough to incorporate
improvements on the matching strategy, feature types and information on the features. The
method also includes an adaptive preprocessing algorithm that deals with a wide variety
of noise types.
In order to improve the performance of the spotting method when dealing with degraded
drawings, two novel methods are presented in this dissertation. Both methods are based on
combining geometric matching with machine learning techniques. The geometric matching
is used to automatically generate training data that contain information on how well the
features of the queries are matched in both the true and the false matches found by the
spotting method. The first method learns the feature weights of the different query symbols
by linear discriminant analysis (LDA). The weighted query features are used in the spotting
method and result in 27% higher average precision than the original method, with a speedup
factor of 2. The second method uses SVM classification as a post-spotting step to distinguish
the true from the false matches in the spotting method. The use of the classification step
further improves the average precision of the spotting method by 20.6%.
This dissertation also presents methods for content analysis of line drawings. First, a
method for accurate and consistent detection (95.8%) of regions of interest (ROIs) is presented. The method is based on statistical feature grouping. The ROI-finding method is
identified as an important part of a symbol retrieval system: the better the detected ROIs,the higher the performance of a retrieval system. The ROI-finding method is also used to
improve the performance of the geometric-based spotting system.
Second, a symbol clustering method for building a compact and accurate representation of
a large database of technical drawings is presented. This method uses the output from the
ROI-finding method as input, and uses geometric matching as a similarity measure. The
method achieves high accuracy (90.1% recall, 94.3% precision) in forming clusters of symbols. The representatives of the clusters (34 symbols) are used as key entries to a symbol
index, which is identified as the outcome of an off-line stage of a symbol retrieval system.
Finally, an efficient and high performing large scale symbol retrieval system is presented
in this dissertation. The system follows the bag of visual words (BoVW) model, but with
using methods that are suitable to line drawings. The system uses the symbol index to
represent a database of drawings. During the on-line query retrieval stage, the query is
analyzed by the ROI-finding method, matched with the key entries of the symbol index via
geometric matching, and finally, a spatial verification step is performed on the retrieved
matches. The system achieves a query lookup time that is independent of the size of the
database, and is instead dependent on the size of the symbol index. The system achieves up
to 10% higher recall and up to 28% higher precision than state-of-the-art spotting systems
on similar databases.
Overall, these contributions are major advancements in the research of graphics recognition.
The hope is that, such contributions provide the basis for the development of reliable and
accurate performing applications for browsing, querying or classification of line drawings
for the benefit of end users.