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Mit der vorliegenden Veröffentlichung soll der Versuch unternommen werden, mathematischen Schulstoff aus konkreten Problemen herzuentwickeln. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen betriebswirtschaftliche Planungs- und Entscheidungsprobleme, wie sie von fast allen Wirtschaftsunternehmen zu lösen sind. Dabei wird im besonderen auf folgende Optimierungsprobleme eingegangen: Berechnung des Rohstoffbedarfs bei gegebenen Bestellungen, Aufarbeitung von vorhandenen Lagerbeständen und das Stücklistenproblem.
Fragestellungen der Standortplanung sollen den Mathematikunterricht der Schule bereichern, dort behandelt und gelöst werden. In dieser Arbeit werden planare Standortprobleme vorgestellt, die im Mathematikunterricht behandelt werden können. Die Probleme Produktion von Halbleiterplatinen, Planung eines Feuerwehrhauses und das Zentrallagerproblem, die ausnahmlos real und nicht konstruiert sind, werden ausführlich durchgearbeitet, so dass es schnell möglich ist, daraus Unterrichtseinheiten zu entwickeln.
Aufgrund der vernetzten Strukturen und Wirkungszusammenhänge dynamischer Systeme werden die zugrundeliegenden mathematischen Modelle meist sehr komplex und erfordern ein hohes mathematisches Verständnis und Geschick. Bei Verwendung von spezieller Software können jedoch auch ohne tiefgehende mathematische oder informatorische Fachkenntnisse komplexe Wirkungsnetze dynamischer Systeme interaktiv erstellt werden. Als Beispiel wollen wir schrittweise das Modell einer Miniwelt entwerfen und Aussagen bezüglich ihrer Bevölkerungsentwicklung treffen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der grundlegenden Untersuchung von Verfahren zur mechanischen Dispergierung agglomerierter Nanopartikel in Epoxidharz und der werkstofflichen Charakterisierung der daraus resultierenden Nanoverbundwerkstoffe. Dazu wurden Dispergierexperimente unter Verwendung eines Titandioxid-Nanopartikelpulvers mit Hilfe einer horizontalen und einer vertikalen Rührwerkskugelmühle durch systematische Variation von Dispergierparametern, wie beispielsweise der Rührwerksumfangsgeschwindigkeit, der Dispergierdauer, dem spezifischen Energieeintrag, dem Mahlkörperdurchmesser und dem Mahlkörperfüllgrad durchgeführt. Die Herausforderung liegt in der Erzielung möglichst geringer Partikelgrößen einhergehend mit einer homogenen Verteilung der Primärpartikel in der polymeren Matrix, ohne dabei die Molekülstruktur des verwendeten Epoxidharzes zu degradieren. Zur Ermittlung des Einflusses der einzelnen Dispergierparameter auf die Partikelgrößen und deren Häufigkeitsverteilungen wurden Proben der Suspension bestehend aus Epoxidharz und TiO2-Nanopartikeln während des Dispergierprozesses entnommen und nach dem Prinzip der dynamischen Lichtstreuung untersucht. Aus den Suspensionen wurden Nanoverbundwerkstoffe gefertigt, die umfangreich werkstoffwissenschaftlich durch mechanische, thermoanalytische und rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen charakterisiert wurden, um den Einfluss der Partikelgrößen und -verteilungen auf die Struktur und die Eigenschaften der Nanoverbundwerkstoffe zu ermitteln. Das erarbeitete Dispergierverfahren wurde anschließend zugrunde gelegt, um Nanopartikelpulver aus Titandioxid, Aluminiumdioxid und Zirkoniumdioxid in Epoxidharz zu dispergieren und dadurch Nanoverbundwerkstoffe mit gesteigerten Werkstoffeigenschaften zu fertigen. Diese wurden mechanischen und rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen unterzogen. Aufbauend auf den Erkenntnissen der vorangegangen Dispergierexperimente und theoretischen Betrachtungen wurde anhand eines Modells die Vorhersage erzielbarer Partikelgrößenverteilungen in Abhängigkeit physikalischer Einflussgrößen des Dispergierprozesses geprüft.
In dieser Arbeit wurden experimentelle und theoretische Untersuchungen zum (nahekritischen) Hochdruck-Mehrphasengleichgewicht ternärer Systeme bestehend aus Ethen, Wasser und einem bei Umgebungsbedingungen vollständig wasserlöslichen organischen Lösungsmittel durchgeführt. Die Untersuchungen behandeln die Grundlagen eines neuartigen Flüssig-flüssig-Extraktionsverfahrens für Naturstoffe. Dieses Extraktionsverfahren wird durch einen wässrig-organischen Flüssigphasensplit ermöglicht, der durch das Aufpressen eines Gases (in der Nähe seines kritischen Zustandes) auf eine homogene wässrig / organische Phase auftritt. Die Untersuchung des durch den Flüssigphasensplit erzeugten Dreiphasengleichgewichts (LLV) sowie der Verteilung ausgewählter Naturstoffe zwischen den beiden Flüssigphasen des Dreiphasengleichgewichts bilden den Schwerpunkt dieser Arbeit. Die Arbeit baut auf Untersuchungen von Wendland (1994) und Adrian (1997) auf. Wendland hat das Phasenverhalten der ternären Systeme Kohlendioxid + Wasser + (Aceton bzw. 2-Propanol) vermessen und umfangreiche Fortran-Routinen zur Beschreibung des ternären Phasenverhaltens sowie der binären Randsysteme entwickelt. Adrian (1997) hat die drei ternären Systeme Kohlendioxid + Wasser + (1- / 2-Propanol bzw. Propionsäure) sowie die Verteilung von zehn organischen Naturstoffen bzw. Modellkomponenten auf die koexistierenden flüssigen Phasen des Dreiphasengleichgewichts LLV in einem (teilweise beiden) der ternären Systeme Kohlendioxid + Wasser + (Aceton bzw. 1-Propanol) untersucht. In dieser Arbeit wurde größtenteils Ethen als nahekritisches Gas eingesetzt, da es im Gegensatz zu dem zuvor benutzten Kohlendioxid in wässrigen Lösungen undissoziiert vorliegt und somit nicht den pH-Wert der koexistierenden flüssigen Phasen bestimmt. Die experimentelle Untersuchung der Phasengleichgewichte erfolgte mit einer Phasengleichgewichtsapparatur, die nach der analytischen Methode arbeitet. In einer thermostatisierten Hochdrucksichtzelle (30 cm3) wurde ein Phasengleichgewicht zwischen mehreren koexistierenden Phasen eingestellt. An die Messzelle waren zwei externe Probenahmeschleifen angeschlossen, durch welche die (in der Zelle koexistierenden) Phasen gepumpt wurden und aus denen Proben für die Analyse mittels GC und HPLC entnommen wurden. Bei Temperaturen zwischen 293 und 333 K und Drücken bis 20.5 MPa wurde das Hochdruck-Mehrphasengleichgewicht (LLV) der beiden ternären Systeme Ethen + Wasser + (1- bzw. 2-Propanol) untersucht. Darüber hinaus wurden die Druck-Temperatur-Koordinaten kritischer Endpunktlinien in diesen beiden ternären Systemen bestimmt und weitere Untersuchungen zum generellen Phasenverhalten angestellt. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildeten Messungen zur Verteilung von Naturstoffen auf die koexistierenden flüssigen Phasen des Dreiphasengleichgewichts LLV: Es wurde u. a. die einzelne Verteilung dreier Paare chemisch ähnlicher Naturstoffe im ternären System Ethen + Wasser + 2-Propanol bei 293 und 333 K untersucht. Die Paare waren 2,5-Hexanediol / 2,5-Hexandion, N-Acetyl-Glukosamin / N-Acetyl-Mannosamin und D- / L-Phenylalanin. Im theoretischen Teil dieser Arbeit wurde das Phasenverhalten der ternären Systeme mit der kubischen Zustandsgleichung (EoS) von Peng und Robinson (1976) in der Modifikation von Melhem et al. (1989) kombiniert mit verschiedenen Mischungsregeln beschrieben. Hierbei wurde sowohl eine Vorhersage des ternären Phasenverhaltens aus Informationen zu den binären Randsystemen als auch die Korrelation des ternären Phasenverhaltens angestrebt. Auch aufgrund der teilweise sehr geringen Anzahl von binären Messpunkten, konnte das Verhalten des Systems Ethen + Wasser + 2-Propanol nicht aus den Informationen zu den binären Randsystemen vorhergesagt werden. Für das Verhalten des ternären Systems Ethen + Wasser + 1-Propanol stimmte die Vorhersage nur qualitativ mit den Messwerten überein. Die Wiedergabe des Phasenverhaltens der ternären Systeme verbesserte sich signifikant, wenn die binären Wechselwirkungsparameter an experimentelle Daten für das Dreiphasengleichgewicht der ternären Systeme angepasst wurden. Zur Korrelation der Verteilung der Naturstoffe auf die flüssigen Phasen des Dreiphasengleichgewichts (LLV) wurde eine Methode benutzt, die auf der Anpassung von Reinstoffparametern der Naturstoffe für die Peng-Robinson EoS basiert. Hierbei wurden die in der EoS benötigten Reinstoffparameter des Naturstoffes an die Ergebnisse der Verteilungsmessungen angepasst, wobei die Wechselwirkungsparameter des ternären Grundsystems übernommen und die Parameter für Wechselwirkungen des Naturstoffes mit dem ternären Grundsystem vernachlässigt wurden. Durch dieses Vorgehen beschreiben die Reinstoffparameter der Naturstoffe auch die Mischungseigenschaften. Durch eine Normierung der Mess- bzw. Rechenwerte auf die gemessenen bzw. berechneten ternären oberen und unteren Begrenzungspunkte des Dreiphasengleichgewichts wurde eine quantitative Beschreibung der Messwerte erhalten.
Lineare Optimierung ist ein wichtiges Aufgabengebiet der angewandten Mathematik, da sich viele praktische Probleme mittels dieser Technik modellieren und lösen lassen. Diese Veröffentlichung soll helfen, Schüler an diese Thematik heranzuführen. Dabei soll der Vorgang des Modellierens, also die Reduktion des Problems auf die wesentlichen Merkmale, vermittelt werden. Anschließend an den Modellierungsprozeß können durch Einsatz der Simplex-Methode die linearen Optimierungsprobleme gelöst werden. Verschiedene praktische Beispiele dienen der Veranschaulichung des Vorgehens.
Regenüberlaufbecken (RÜB) sind wichtige Bauwerke in Entwässerungsnetzen nach dem Mischverfahren. Sie tragen durch ihre Rückhaltewirkung dazu bei, den Schmutzaustrag in die Gewässer zu vermindern und die nachfolgende Kläranlage während der Niederschlagsereignisse zu entlasten. Obwohl nach einheitlichen Richtlinien bemessene Regenüberlaufbecken in großer An-zahl in Deutschland in Betrieb sind, ist über die Wirkung dieser recht teuren Bauwerke noch sehr wenig bekannt. Das gilt auch für alternative Anlagen wie hydrodynamische Abscheider und Kombinationsbauwerke, die in den letzten Jahren gebaut worden sind. Hier knüpft die vorliegende Arbeit an, deren Ziel es war, die Wirkung eines Kombinati-onsbauwerks in Bexbach/Rothmühle, bestehend aus Durchlaufbecken im Nebenschluss und zwei parallel beschickten hydrodynamischen Abscheidern als Trennbauwerke, zu untersuchen und modelltechnisch nachzubilden. Am Anfang der Arbeit steht ein Exkurs über Anlagen der Regenwasserbehandlung im Mischsystem und Faktoren, die für deren Reinigungswirkung maßgebend sind. Es wer-den die Grundlagen der Sedimentation und Ansätze zur Bilanzierung von Wirkungsgrad und Effektivität behandelt. Die Bedeutung des Bilanzierungszeitraums wird herausgestellt. Anschließend werden die Randbedingungen für die Untersuchungen des RÜB Bex-bach/Rothmühle sowie die Konzeption und der Betrieb des Bauwerks erläutert. Um die Wirkungsweise des Bauwerks zu ermitteln, wurden umfangreiche Messungen der Abflussquantität und -qualität an verschiedenen Punkten des Bauwerks durchgeführt. Die gemessenen Daten dienten dann als Grundlage zur Bestimmung der Wir-kungsgrade und Effektivitäten der einzelnen Anlagenteile sowie der Gesamtanlage für einige Entlastungsereignisse. Die Ergebnisse der Auswertungen über die Reinigungswirkung wurden mit den Resultaten ähnlicher Untersuchungen an anderen Anlagen verglichen und es wurde eine qualitative Wertung des untersuchten Bauwerks vorgenom-men. Im nächsten Schritt wurden sowohl die Ergebnisse der Untersuchungen als auch eines Tracerversuchs dazu genutzt, ein MATLAB/SIMULINK-Modell zur Nachbildung der Reinigungsvorgänge zu entwickeln. Durch die Verknüpfung dieses Modells mit dem Schmutzfrachtmodell WKosmoCOM gelang es, das Langzeitverhalten des Kombinati-onsbauwerks zu untersuchen. In einer vergleichenden Betrachtung der langfristigen Entlastungstätigkeit der unter-suchten Anlage mit der eines fiktiven Durchlaufbeckens im Nebenschluss herkömmli-cher Bauart wurde abgeschätzt, ob Speichervolumen durch den Einsatz der Kombinati-on von Wirbelabscheider und Durchlaufbecken eingespart werden kann. Die angesetzte Reinigungswirkung des fiktiven Durchlaufbeckens orientierte sich dabei an derjenigen, die für die Durchlaufbeckenstufe des untersuchten Bauwerks festgestellt wurde zuzüglich eines Aufschlags zur Verbesserung der Rückhaltewirkung. In mehreren Simulationsläufen auf der Basis des MATLAB/SIMULINK-Modells, gekoppelt mit dem Schmutzfrachtmodell WKosmoCOM, wurde das Volumen des fiktiven Beckens variiert, bis die Rückhaltewirkung der des realen Beckens entsprach. Der aus dem Vergleich resultierende Volumenunterschied ist ein Maß für das Einsparpotenzial. Die Simulationen erga-ben, dass die Reinigungswirkung des untersuchten Kombinationsbauwerks durch ein herkömmliches Durchlaufbecken erreicht wird, dessen Speichervolumen um etwa 17% größer ist.
In dieser Arbeit wird gezeigt, wie durch eine Automatisierung von Software-Entwicklungsaktivitäten sowohl Effizienz- als auch Qualitätsgewinne erzielt und komplexe Aktivitäten beherrschbar gemacht werden können. Dazu wird zunächst eine solide Basis für eine modellbasierte Software-Entwicklung geschaffen. Nach der Identifikation der Probleme der bisher üblicherweise eingesetzten Metamodellierung wird eine verbesserte Multiebenenmodellierung vorgeschlagen, welche die explizite Angabe der Instanziierbarkeit (Tiefe und Automatismus der Instanziierung) der Modellelemente erlaubt und damit eine deutliche Vereinfachung und bessere Verständlichkeit der Metamodelle ermöglicht. Zur operationalen Beschreibung von Modelltransformationen im Kontext dieser Multiebenenmodellierung wird sodann die Aktionssprache AL++ konzipiert. Insbesondere durch die Einführung von Sprachelementen für die Handhabung von Relationen und Attributen und die Aufnahme von Reflexionskonstrukten in die Sprache AL++ werden Transformationen kompakt und generisch beschreibbar. Anwendung finden diese Ansätze in der modellbasierten Entwicklung reaktiver Systeme. Dazu wird eine existierende Entwicklungsmethode erweitert, um eine durchgängige Automatisierung realisieren zu können. Die wichtigste Erweiterung ist dabei die modifizierte Automatenmodellierung, bei welcher erweiterte Endliche Automaten durch die Komposition getrennt modellierter Zustandsübergänge spezifiziert werden, was eine eindeutige Verfolgbarkeit zu den Anforderungen erlaubt. Eingesetzt werden obige Techniken für die statische Analyse von Spezifikationen, wobei insbesondere die automatische Detektion von Feature-Interaktionen (also die Feststellung kritischer Wechselwirkungen zwischen Produktmerkmalen) in dieser Form erstmalig für den Bereich der reaktiven Systeme durchgeführt wird. Daneben werden automatisierte dynamische Analysen auf der Basis generierter Prototypen betrachtet. Die Analyseergebnisse können automatisiert für die Modifikation und Neukonstruktion der Prototypen genutzt werden, womit Software-Entwicklungsexperimente vollständig in einem „virtuellen Labor“ durchgeführt werden können. Wichtigstes experimentelles Ergebnis ist, dass eine statische Parametrisierung einer „intelligenten“ Temperaturregelung möglich ist und daher eine Reduktion der notwendigen Produktmerkmale (und damit der Komplexität) erreicht werden kann. In Fallstudien wird am Ende der Arbeit nachgewiesen, dass alleine durch die automatische Erzeugung von Entwicklungsdokumenten und die konsistente Änderung vorhergehender Dokumente durch die in dieser Arbeit implementierten Werkzeuge ein Effizienzgewinn von 54 % erreicht werden kann. Die Erstellung der eingesetzten Werkzeuge hätte sich dabei bereits nach zwei ähnlichen Projekten bezahlt gemacht.
Modellierung und Simulation von Retentionsbodenfiltern zur weitergehenden Mischwasserbehandlung
(2011)
Retentionsbodenfilter zur weitergehenden Mischwasserbehandlung (RBF) können einen wichtigen Beitrag zum Gewässerschutz leisten, indem sie Entlastungsabflüsse aus konventionellen Regenüberlaufbecken reinigen. Die Filterdimensionierung erfolgt nach Stand der Technik vorwiegend durch die Beurteilung der hydraulischen Flächenbelastung. Um die dazu notwendigen Daten zu erhalten, sind Niederschlag-Abfluss- Berechnungen des Kanalnetzes erforderlich. Wird in Ergänzung die Einhaltung stofflicher Zielgrößen gefordert, sind Schmutzfrachtberechnungen anzuwenden. Vor dem Hintergrund biochemischer, naturnaher Prozesse in RBF erscheint es sinnvoller, die geeigneten Abmessungen des Filterbeckens vorwiegend anhand der stofflichen Belastung und der entsprechenden Reinigungsleistung zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit soll einerseits einer Erweiterung des Kenntnisstandes über die Prozesse in RBF dienen. Andererseits sollen vorhandene Prozessvorstellungen in Modellrechnungen überprüft werden. Eine detaillierte Nachbildung von Laborversuchen erfolgt mittels eines biokinetischen Reaktionsmodells, welches für Pflanzenkläranlagen entwickelt wurde. Der durch die Simulationsauswertung erweiterte Kenntnisstand wird zur Weiterentwicklung eines vereinfachten Retentionsbodenfilter-Moduls für Schmutzfrachtsimulationen verwendet. Am Ende soll ein Planungs- und Optimierungswerkzeug gewonnen werden, welches den derzeitigen Wissensstand abbildet und der Ingenieurpraxis gerecht wird. Die verwendete, ausgewertete Datengrundlage umfasste zunächst zwei mehrmonatige Messphasen am RBF Saarbrücken-Ensheim (Dittmer, 2006), zugehörige Säulenversuche im Labormaßstab (Woźniak, 2007) sowie die Ergebnisse eigener Versuche aus vorhergehenden Simulationsstudien. Während die eigenen Laboruntersuchungen in der vorliegenden Arbeit ergänzt wurden, erfolgte die wesentliche Erweiterung der Datengrundlage durch Vorlage von Messdaten aus einer zweijährigen Kampagne des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel (Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen) am RBF Oberelsungen. Die Auswertung dieser Rohdaten, der vergleichende Einschätzungen der beiden Filteranlagen und die geordnete Zusammenstellung aller weiteren Untersuchungen bilden die wesentlichen Vorarbeiten der Simulationsstudien. Als Ergebnis wird festgestellt, dass die beiden RBF sowohl untereinander als auch mit anderen Anlagen vergleichbar sind. Dadurch ist eine Zusammenführung von Aspekten verschiedenen Ursprungs möglich. Laborversuche sollten jedoch gesondert bewertet werden. Vor Anwendung des biokinetischen Reaktionsmodells CW2D werden die Modellteile der Hydraulik, des Stofftransportes und des Stoffrückhaltes getrennt betrachtet. In allen genannten Teilprozessen kann eine hohe Annäherung an Messwerte erzielt werden - ein Exkurs zu stark abweichenden Filtersubstraten für Pflanzenkläranlagen belegt die große Bandbreite des möglichen Modelleinsatzes. Die weitergehenden Prozesse des Stoffumsatzes wurden zur Nachbildung einzelner Hochlastereignisse in Laborversuchen mit Säulen verwendet, wobei ebenfalls eine Deckung mit der Datengrundlage erreicht werden kann. Eine langfristige Wiedergabe der Filterleistung gelingt bisher jedoch nicht. Als Ursache wird vor allem die Beschreibung der Trockenphasen herausgestellt. Mögliche Modellerweiterungen um Filtrationsprozesse organischer Partikel sowie vorgeschlagene Änderungen des biokinetischen Reaktionsmodells könnten hierzu Abhilfe schaffen. Die Weiterentwicklung eines RBF-Modells als Bestandteil der Schmutzfrachtmodellierung bezieht sich auf die Kernparameter CSB und NH4-N und in Ergänzung auf NO3-N. Zur Vorbereitung stofflicher Prozessbeschreibungen wird das hydraulische Modell optimiert. Bezüglich CSB erfordert die Wiedergabe der tatsächlichen Reinigungsleistung eine Unterteilung in gelöste und partikuläre Bestandteile. Es wird nachgewiesen, dass mittels konstanter, partikulärer Ablaufkonzentrationen sowie konstanter Wirkungsgrade für die gelösten Anteile die Filterleistung abgebildet werden kann. Eine Verbesserung der Ergebnisse wird durch die Beachtung von Trockenphaseneinflüssen erreicht. Bezüglich NH4-N wird der wesentliche Entwicklungsschritt mit einer zweistufig linearen Sorptionsisotherme eingeführt. Das neue Stickstoffmodell wird – ergänzt um die Berücksichtigung von Regenerationszeiten - in seiner Eignung belegt. In einer abschließenden Simulationsstudie zur Optimierung des RBFs Oberelsungen wird aufgezeigt, dass sich aus hydraulischen und stofflichen Kriterien unterschiedliche Dimensionierungen ableiten lassen.