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A Lagrangian particle scheme is applied to the projection method for the incompressible Navier-Stokes equations. The approximation of spatial derivatives is obtained by the weighted least squares method. The pressure Poisson equation is solved by a local iterative procedure with the help of the least squares method. Numerical tests are performed for two dimensional cases. The Couette flow, Poiseuelle flow, decaying shear flow and the driven cavity flow are presented. The numerical solutions are obtained for stationary as well as instationary cases and are compared with the analytical solutions for channel flows. Finally, the driven cavity in a unit square is considered and the stationary solution obtained from this scheme is compared with that from the finite element method.
»Denn nichts ist für den Menschen als Menschen etwas wert, was er nicht mit Leidenschaft tun kann«
(2001)
Vortrag anlässlich der Verleihung des Akademiepreises des Landes Rheinland-Pfalz am 21.11.2001 Was macht einen guten Hochschullehrer aus? Auf diese Frage gibt es sicher viele verschiedene, fachbezogene Antworten, aber auch ein paar allgemeine Gesichtspunkte: es bedarf der »Leidenschaft« für die Forschung (Max Weber), aus der dann auch die Begeisterung für die Lehre erwächst. Forschung und Lehre gehören zusammen, um die Wissenschaft als lebendiges Tun vermitteln zu können. Der Vortrag gibt Beispiele dafür, wie in angewandter Mathematik Forschungsaufgaben aus praktischen Alltagsproblemstellungen erwachsen, die in die Lehre auf verschiedenen Stufen (Gymnasium bis Graduiertenkolleg) einfließen; er leitet damit auch zu einem aktuellen Forschungsgebiet, der Mehrskalenanalyse mit ihren vielfältigen Anwendungen in Bildverarbeitung, Materialentwicklung und Strömungsmechanik über, was aber nur kurz gestreift wird. Mathematik erscheint hier als eine moderne Schlüsseltechnologie, die aber auch enge Beziehungen zu den Geistes- und Sozialwissenschaften hat.
Free Surface Lattice-Boltzmann Method To Model The Filling Of Expanding Cavities By Bingham Fluids
(2001)
The filling process of viscoplastic metal alloys and plastics in expanding cavities is modelled using the lattice Boltzmann method in two and three dimensions. These models combine the regularized Bingham model for viscoplastic with a free-interface algorithm. The latter is based on a modified immiscible lattice Boltzmann model in which one species is the fluid and the other one is considered as vacuum. The boundary conditions at the curved liquid-vacuum interface are met without any geometrical front reconstruction from a first-order Chapman-Enskog expansion. The numerical results obtained with these models are found in good agreement with available theoretical and numerical analysis.
In this paper mathematical models for liquid films generated by impinging jets are discussed. Attention is stressed to the interaction of the liquid film with some obstacle. S. G. Taylor [Proc. R. Soc. London Ser. A 253, 313 (1959)] found that the liquid film generated by impinging jets is very sensitive to properties of the wire which was used as an obstacle. The aim of this presentation is to propose a modification of the Taylor's model, which allows to simulate the film shape in cases, when the angle between jets is different from 180°. Numerical results obtained by discussed models give two different shapes of the liquid film similar as in Taylors experiments. These two shapes depend on the regime: either droplets are produced close to the obstacle or not. The difference between two regimes becomes larger if the angle between jets decreases. Existence of such two regimes can be very essential for some applications of impinging jets, if the generated liquid film can have a contact with obstacles.
To simulate the influence of process parameters to the melt spinning process a fiber model is used and coupled with CFD calculations of the quench air flow. In the fiber model energy, momentum and mass balance are solved for the polymer mass flow. To calculate the quench air the Lattice Boltzmann method is used. Simulations and experiments for different process parameters and hole configurations are compared and show a good agreement.
To simulate the influence of process parameters to the melt spinning process a fiber model is used and coupled with CFD calculations of the quench air flow. In the fiber model energy, momentum and mass balance are solved for the polymer mass flow. To calculate the quench air the Lattice Boltzmann method is used. Simulations and experiments for different process parameters and hole configurations are compared and show a good agreement. Keywords: Melt spinning, fiber model, Lattice Boltzmann, CFD.
This paper details models and algorithms which can be applied to evacuation problems. While it concentrates on building evacuation many of the results are applicable also to regional evacuation. All models consider the time as main parameter, where the travel time between components of the building is part of the input and the overall evacuation time is the output. The paper distinguishes between macroscopic and microscopic evacuation models both of which are able to capture the evacuees' movement over time. Macroscopic models are mainly used to produce good lower bounds for the evacuation time and do not consider any individual behavior during the emergency situation. These bounds can be used to analyze existing buildings or help in the design phase of planning a building. Macroscopic approaches which are based on dynamic network flow models (minimum cost dynamic flow, maximum dynamic flow, universal maximum flow, quickest path and quickest flow) are described. A special feature of the presented approach is the fact, that travel times of evacuees are not restricted to be constant, but may be density dependent. Using multicriteria optimization priority regions and blockage due to fire or smoke may be considered. It is shown how the modelling can be done using time parameter either as discrete or continuous parameter. Microscopic models are able to model the individual evacuee's characteristics and the interaction among evacuees which influence their movement. Due to the corresponding huge amount of data one uses simulation approaches. Some probabilistic laws for individual evacuee's movement are presented. Moreover ideas to model the evacuee's movement using cellular automata (CA) and resulting software are presented. In this paper we will focus on macroscopic models and only summarize some of the results of the microscopic approach. While most of the results are applicable to general evacuation situations, we concentrate on building evacuation.
The objective of this paper is to bridge the gap between location theory and practice. To meet this objective focus is given to the development of software capable of addressing the different needs of a wide group of users. There is a very active community on location theory encompassing many research fields such as operations research, computer science, mathematics, engineering, geography, economics and marketing. As a result, people working on facility location problems have a very diverse background and also different needs regarding the software to solve these problems. For those interested in non-commercial applications (e. g. students and researchers), the library of location algorithms (LoLA can be of considerable assistance. LoLA contains a collection of efficient algorithms for solving planar, network and discrete facility location problems. In this paper, a detailed description of the functionality of LoLA is presented. In the fields of geography and marketing, for instance, solving facility location problems requires using large amounts of demographic data. Hence, members of these groups (e. g. urban planners and sales managers) often work with geographical information too s. To address the specific needs of these users, LoLA was inked to a geographical information system (GIS) and the details of the combined functionality are described in the paper. Finally, there is a wide group of practitioners who need to solve large problems and require special purpose software with a good data interface. Many of such users can be found, for example, in the area of supply chain management (SCM). Logistics activities involved in strategic SCM include, among others, facility location planning. In this paper, the development of a commercial location software tool is also described. The too is embedded in the Advanced Planner and Optimizer SCM software developed by SAP AG, Walldorf, Germany. The paper ends with some conclusions and an outlook to future activities.
In the Finite-Volume-Particle Method (FVPM), the weak formulation of a hyperbolic conservation law is discretized by restricting it to a discrete set of test functions. In contrast to the usual Finite-Volume approach, the test functions are not taken as characteristic functions of the control volumes in a spatial grid, but are chosen from a partition of unity with smooth and overlapping partition functions (the particles), which can even move along prescribed velocity fields. The information exchange between particles is based on standard numerical flux functions. Geometrical information, similar to the surface area of the cell faces in the Finite-Volume Method and the corresponding normal directions are given as integral quantities of the partition functions. After a brief derivation of the Finite-Volume-Particle Method, this work focuses on the role of the geometric coefficients in the scheme.
Given a public transportation system represented by its stops and direct connections between stops, we consider two problems dealing with the prices for the customers: The fare problem in which subsets of stops are already aggregated to zones and "good" tariffs have to be found in the existing zone system. Closed form solutions for the fare problem are presented for three objective functions. In the zone problem the design of the zones is part of the problem. This problem is NP hard and we therefore propose three heuristics which prove to be very successful in the redesign of one of Germany's transportation systems
We examine the feasibility polyhedron of the uncapacitated hub location problem (UHL) with multiple allocation, which has applications in the fields of air passenger and cargo transportation, telecommunication and postal delivery services. In particular we determine the dimension and derive some classes of facets of this polyhedron. We develop some general rules about lifting facets from the uncapacitated facility location (UFL) for UHL and projecting facets from UHL to UFL. By applying these rules we get a new class of facets for UHL which dominates the inequalities in the original formulation. Thus we get a new formulation of UHL whose constraints are all facet–defining. We show its superior computational performance by benchmarking it on a well known data set.
Within this paper we review image distortion measures. A distortion measure is a criterion that assigns a "quality number" to an image. We distinguish between mathematical distortion measures and those distortion measures in-cooperating a priori knowledge about the imaging devices ( e.g. satellite images), image processing algorithms or the human physiology. We will consider representative examples of different kinds of distortion measures and are going to discuss them.
As the sustained trend towards integrating more and more functionality into systems on a chip can be observed in all fields, their economic realization is a challenge for the chip making industry. This is, however, barely possible today, as the ability to design and verify such complex systems could not keep up with the rapid technological development. Owing to this productivity gap, a design methodology, mainly using pre designed and pre verifying blocks, is mandatory. The availability of such blocks, meeting the highest possible quality standards, is decisive for its success. Cost-effective, this can only be achieved by formal verification on the block-level, namely by checking properties, ranging over finite intervals of time. As this verification approach is based on constructing and solving Boolean equivalence problems, it allows for using backtrack search procedures, such as SAT. Recent improvements of the latter are responsible for its high capacity. Still, the verification of some classes of hardware designs, enjoying regular substructures or complex arithmetic data paths, is difficult and often intractable. For regular designs, this is mainly due to individual treatment of symmetrical parts of the search space by backtrack search procedures used. One approach to tackle these deficiencies, is to exploit the regular structure for problem reduction on the register transfer level (RTL). This work describes a new approach for property checking on the RTL, preserving the problem inherent structure for subsequent reduction. The reduction is based on eliminating symmetrical parts from bitvector functions, and hence, from the search space. Several approaches for symmetry reduction in search problems, based on invariance of a function under permutation of variables, have been previously proposed. Unfortunately, our investigations did not reveal this kind of symmetry in relevant cases. Instead, we propose a reduction based on symmetrical values, as we encounter them much more frequently in our industrial examples. Let \(f\) be a Boolean function. The values \(0\) and \(1\) are symmetrical values for a variable \(x\) in \(f\) iff there is a variable permutation \(\pi\) of the variables of \(f\), fixing \(x\), such that \(f|_{x=0} = \pi(f|_{x=1})\). Then the question whether \(f=1\) holds is independent from this variable, and it can be removed. By iterative application of this approach to all variables of \(f\), they are either all removed, leaving \(f=1\) or \(f=0\) trivially, or there is a variable \(x'\) with no such \(\pi\). The latter leads to the conclusion that \(f=1\) does not hold, as we found a counter-example either with \(x'=0\), or \(x'=1\). Extending this basic idea to vectors of variables, allows to elevate it to the RTL. There, self similarities in the function representation, resulting from the regular structure preserved, can be exploited, and as a consequence, symmetrical bitvector values can be found syntactically. In particular, bitvector term-rewriting techniques, isomorphism procedures for specially manipulated term graphs, and combinations thereof, are proposed. This approach dramatically reduces the computational effort needed for functional verification on the block-level and, in particular, for the important problem class of regular designs. It allows the verification of industrial designs previously intractable. The main contributions of this work are in providing a framework for dealing with bitvector functions algebraically, a concise description of bounded model checking on the register transfer level, as well as new reduction techniques and new approaches for finding and exploiting symmetrical values in bitvector functions.
Die Tyrosinphosphorylierung von Proteinen ist ein wichtiges Schlüsselelement bei der Regulation zellulärer Signalwege und wird durch antagonistisch wirkende Proteintyrosin-kinasen und Proteintyrosinphosphatasen in einem dynamischen Gleichgewicht gehalten. Trotz der Erkenntnis, dass Phosphatasen an der Regulation essentieller zellulärer Vorgänge beteiligt sind, ist über die Funktion und Regulation individueller Phosphatasen nur wenig bekannt. In der vorliegenden Arbeit sollte die physiologische Rolle der Proteintyrosinphosphatase BDP1 untersucht werden. Einen Schwerpunkt bildete hierbei die Negativregulation der Rezeptortyrosinkinase HER2 sowie der HER2-vermittelten Signaltransduktion durch BDP1. Es konnte gezeigt werden, dass die Überexpression von BDP1 die Liganden-induzierte Tyrosinphosphorylierung von HER2 und des Adaptorproteins Gab1 inhibierte und die Aktivierung von MAP-Kinasen reduzierte. Dagegen erhöhte die Unterdrückung der endogenen BDP1-Expression den Phosphorylierungsstatus von HER2. Die Koexpression von BDP1 und HER2 in Brustkrebszelllinien sowie die Assoziation von HER2 mit einer Substrat-bindenden Mutante von BDP1 deuten zusätzlich darauf hin, dass BDP1 ein Regulator der Aktivität von HER2 ist und damit die erste Phosphatase, die mit der Kontrolle des HER-Signals in Verbindung gebracht wird. Weiterhin wurde die BDP1-Expression während der schwangerschaftsinduzierten Differenzierung der murinen Brustdrüse analysiert. Die Untersuchungen zeigten, dass BDP1 in duktalen und alveolaren Brustepithelzellen exprimiert wird. Die Expression der Phosphatase konnte während der Differenzierung der Brustepithelzelllinie HC11 durch Prolaktin und Dexamethason induziert werden. Zusammen mit der Existenz von Stat5- und Glukokortikoidrezeptor-Bindestellen in der Promotorregion von bdp1 sowie der verminderten Expression der Phosphatase im Brustgewebe Stat5-defizienter Mäuse weist dies auf eine Expressionskontrolle des BDP1-Gens durch Schwangerschaftshormone hin und suggeriert eine Rolle der Phosphatase im Differenzierungsprozess der Brustdrüse. Im letzten Teil der Arbeit wurde die Bindung von BDP1 an das Adaptorprotein Grb2 untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Interaktion zur Hyperphosphorylierung der Phosphatase führte. Dies konnte zumindest teilweise auf eine Grb2-vermittelte Wechselwirkung von BDP1 mit der Tyrosinkinase c-Abl zurückgeführt werden. Zusammengenommen liefern die vorgestellten Ergebnisse neue Daten zur Funktion, Expression und Regulation von BDP1 und tragen entscheidend zur Charakterisierung der biologischen Funktion dieser Phosphatase bei.
Die obligat endocytisch in Paramecium lebenden bakteriellen Symbionten der Gattung Caedibacter können bislang weder außerhalb ihrer Wirtszellen kultiviert noch genetisch transformiert werden. Entsprechend limitiert sind unsere Möglichkeiten der Erforschung oder gar Nutzung dieser Bakterien. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Methoden zur Isolierung der Endosymbionten aus Paramecien etabliert und Strategien zur genetischen Transformation von Paramecium-Endosymbionten getestet. Es zeigte sich, dass eine Transformation außerhalb der Wirtszellen nicht möglich ist, da die Bakterien nicht in vitro selektiert werden können und eine Reinfektion der Symbionten entsprechender aposymbiontischer Wirtszellen auf dem vermuteten Infektionsweg scheiterte. Die Transformation der Endosymbionten sollte daher direkt in den Paramecien erfolgen. Es wurden Verfahren entwickelt, mit deren Hilfe die Transformation der Endosymbionten mittels Elektroporation bzw. Partikelbombardement innerhalb der Wirtszellen getestet wurde. Die zu diesen Versuchen eingesetzten Plasmide verfügten über verschiedene Replika mit nachweislich weitem Wirtsspektrum. Als Markergene dienten zum einen ein Streptomycinresistenz-Gen und zum anderen zwei Varianten des Green Fluorescent Protein. Es zeigte sich, dass die Transformation von Caedibacter derzeit noch nicht möglich ist. Weiterhin wurde untersucht, ob der Promotor des RebC-Locus aus Caedibacter für eine Kontrolle einer heterologen Genexpression unter natürlichen Bedingungen in Frage kommt. Durch Studien mit Hilfe von Promotorsonden-Vektoren, in die die entsprechende Sequenz vor ein GFP-Gen kloniert wurde, konnte in E. coli gemessen werden, inwieweit unterschiedliche physiologische Stressbedingungen zu einer Aktivierung des RebC-Promotors führen. Die Promotorstudien erfolgten nach zwei unterschiedlichen Verfahren. Unter den getesteten Stressfaktoren bewirkten Hunger und Hitzeschock die stärkste Aktivierung des untersuchten Promotors. Die erhaltenen Ergebnisse liefern einen Hinweis darauf, dass die R-Körpersynthese in Caedibacter in der Natur unter Mangel- bzw. Stressbedingungen erfolgt.
The article is concerned with the modelling of ionospheric current systems from induced magnetic fields measured by satellites in a multiscale framework. Scaling functions and wavelets are used to realize a multiscale analysis of the function spaces under consideration and to establish a multiscale regularization procedure for the inversion of the considered vectorial operator equation. Based on the knowledge of the singular system a regularization technique in terms of certain product kernels and corresponding convolutions can be formed. In order to reconstruct ionospheric current systems from satellite magnetic field data, an inversion of the Biot-Savart's law in terms of multiscale regularization is derived. The corresponding operator is formulated and the singular values are calculated. The method is tested on real magnetic field data of the satellite CHAMP and the proposed satellite mission SWARM.
Die Grundgleichungen der Physikalischen Geodäsie (in der klassischen Formulierung) werden einer Multiskalenformulierung mittels (sphärisch harmonischer) Wavelets unterzogen. Die Energieverteilung des Störpotentials wird in Auflösung nach Skala und Ort durch Verwendung von Waveletvarianzen beschrieben. Schließlich werden zur Modellierung der zeitlichen Variationen des Schwerefeldes zeit- und ortsgebundene Energiespektren zur Detektion lokaler sowie periodischer/saisonaler Strukturen eingeführt.
Ausgehend von den Batterien nach dem Stand der Technik werden die Einflüsse auf diese untersucht. Es stellt sich heraus, dass vor allem Batterien für den Einsatz in der Traktion und in stationären Anlagen nur mit nicht zu vernachlässigenden Toleranzen gefertigt werden können. Dazu kommt der Einfluss durch den Betrieb, der in Verbindung mit der Fertigungstoleranz und der Lagerbeanspruchung eine Überwachung der Batterie mit einem elektronischen Überwachungs- und Steuergerät, einem sogenannten Batteriemanagementsystem, zwingend notwendig macht. Nur damit kann die aktuelle Qualität einer Batterie erhalten oder verbessert werden. Es folgt eine Klassifizierung von Batteriemanagementsystemen, die ihrerseits in elektrisches Batteriemanagement, thermisches Batteriemanagement und Ladeausgleich aufgeteilt werden. Für diese drei Teileinheiten werden jeweils eine Reihe von Topologien definiert. Das Batteriemanagementsystem mit verteilten Datenerfassungseinheiten und Energiezuführung für den Ladeausgleich wird als Beispiel für eine Geräteentwicklung detailliert beschrieben. Grundlegend für Batteriemanagementsysteme sind deren Algorithmen. Nach der Definition der elektrischen und thermischen Betriebsbereiche verschiedener Batterien werden typische Algorithmen für den Lade- und Entladebetrieb vorgestellt. Weiter werden Verfahren zur Bestimmung des aktuellen Ladezustandes einer Batterie diskutiert. Im Falle eines Betriebes in einem Inselnetz geht in die aktuelle Qualität einer Batterie auch der Isolationswiderstand mit ein. Näher beschrieben wird ein Gerät zur Messung des Isolationswiderstandes. Das Batteriemanagement fordert eine hohe Genauigkeit bei der Datenerfassung. Es werden typische Datenerfassungseinheiten und Sensoren auf ihre Fehlerquellen und die daraus resultierenden Toleranzen untersucht. Weiter werden Kalibrierungsmöglichkeiten diskutiert. Ein weiterer Punkt ist der Test von Batteriemanagementsystemen. Ein Test mit einer realen Batterie nimmt eine längere Zeit in Anspruch. Außerdem besteht dabei die Gefahr einer Schädigung der Batterie. Es wird ein rechnergestütztes System zum Test des elektrischen Batteriemanagements vorgestellt. Abschließend werden integrierte Batteriemanagementsysteme, die im Gerätebereich Anwendung finden, klassifiziert. Es wird gezeigt, dass diese integrierten Lösungen als Ersatz für Datenerfassungseinheiten bei Batterien im Traktions- und Stationärbetrieb eingesetzt werden können. Insgesamt wird nachgewiesen, dass elektronische Überwachungs- und Steuergeräte unabhängig vom Batterietyp und der Einsatzart zum Erhalt oder zur Verbesserung der aktuellen Qualität von Batterien nicht nur sinnvoll sondern für neuere Batterietechnologien unbedingt notwendig sind.
Das Plasmid pKAP298 aus Caedibacter taeniospiralis, einem obligaten Parasiten aus Paramecium tetraurelia, wurde in Gänze sequenziert, analysiert und annotiert, mögliche vom Plasmid kodierte Funktionen wurden charakterisiert. Es konnten Plasmid-Fragmente mit Transkriptions-Aktivität identifiziert werden, eine Transkriptions-Aktivitätskarte bildet die Basis zur weiteren Identifizierung der aktiven ORFs. Anhand der Transkriptions-Aktivität und den identifizierten putativ kodierenden ORFs auf dem Plasmid pKAP298 konnten neue Hinweise auf ein wahrscheinlich auf dem Plasmid lokalisiertes Toxin-Gen gegeben werden. Aus Ähnlichkeiten zu schon bekannten Sequenzen konnte die Hypothese, dass pKAP298 aus einem Bakteriophagen evolvierte, gestützt und erweitert werden