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Mathematische Weiterbildung
(1984)
Ziel des Modellversuchs war es, zu untersuchen, welche Ergebnisse der mathematischen Forschung an Universitäten für den Praktiker besser zugänglich gemacht werden sollten und wie dies geschehen kann. Als Zielgruppen einer solchen Bildungsaufgabe waren insbesondere Ingenieure in den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen der Industrie und Studenten der Mathematik und Technik (im Sinne einer mehr praxisbezogenen Ausbildung) vorgesehen; in organisatorischer Hinsicht war an ein Fernstudium gedacht.
Bei den bisherigen Untersuchungen auf dem Gebiet der passiven Solarnutzung mit speicherfähigen gemauerten Ziegelwänden stellte sich heraus, daß direkt im Strahlengang der Sonnenstrahlung liegende Wandbauteile keine ausreichende Speicherwirkung haben. Ausreichend heißt: Schnelle Wärmeabführung in eine Wärmesenke, ausreichende Speicherkapazität als Tagesspeicher. Abhilfe schaffen hier Latentspeicher oder großvolumige Wasserspeicher. In unserem konkreten Fall stand ein Texxor-Latentspeicher mit 2 l Inhalt und 100 Wh Kapazität bei 27oC in einem Poroton-Formstein zur Verfügung.
In diesem Projekt soll die Bildung von Wirbeln bei der Strömung eines Gases um eine Ecke numerisch untersucht werden. Dabei sollen verschiedene numerische Verfahren getestet und die Ergebnisse mit Versuchsdaten verglichen werden. Ferner soll untersucht werden, wie gut sich diese Verfahren vektorisieren lassen, da kompliziertere zweidimensionale und selbst einfache dreidimensionale Probleme der Strömungsdynamik auf den heute üblichen Universalrechnern nicht mit vertretbarem Zeitaufwand zu lösen sind, besonders, wenn, wie an der Universität Kaiserslautern, nur eine relativ langsame Anlage (Siemens 7551/7561) zur Verfügung steht. Die numerischen Rechnungen werden auf der CYBER 205 in Karlsruhe durchgeführt.
Die Aufgabe dieses Projektes ist die Untersuchung des Schallfeldes, das sich in einem geschlossenen Quader bei Erregung durch eine punktförmige Schallquelle einstellt. Eine zentrale Rolle spielt hierbei die Wechselwirkung zwischen dem Schallfeld und den Quaderplatten, die zu Schwingungen angeregt werden und so dem Schallfeld Energie entziehen. Der Zweck dieser Untersuchung ist, Erkenntnisse für die Berechnung des Innendrucks zu Fahrzeugkarosserien zu gewinnen. Dies muß bei der Dimensionierung des Quaders und bei der Wahl des Plattenmaterials berücksichtigt werden. Numerische Berechnungen des Schalldrucks in einem Quader wurden beispielsweise in [1] durchgeführt. Das Ergebnis zeigt, daß zwei Arten von Resonanzen auftreten: Zum einen Strukturresonanzen, die durch Eigenschwingungen der Wände hervorgerufen werden und die von den Wandabmessungen und dem Plattenmaterial abhängen, zum anderen Hohlraumresonanzen, die auftreten, wenn die Luftwellenlänge in einem geeigneten Verhältnis zu den Abmessungen des Hohlraums steht. Es ist sehr zweifelhaft, welche Rückschlüsse gezogen werden können von den numerischen Resultaten in [1] auf kompliziertere Geometrien, wie sie bei Fahrzeugkarosserien vorliegen. Eine tiefere Einsicht in die Kopplung zwischen Schallfeld und Plattenschwingungen vor allem in den Resonanzbereichen ist nur zu erwarten, wenn die Berechnung dieser Wechselwirkung weitgehend analytisch durchgeführt wird. Eine solche analytische Berechnung ist das Ziel dieses Projektes.
In diesem Projekt soll die Bildung von Wirbeln bei der Strömung eines Gases um eine Ecke numerisch untersucht werden. Dabei sollen verschiedene numerische Verfahren getestet und die Ergebnisse mit Versuchsdaten verglichen werden. Ferner soll untersucht werden, wie gut sich diese Verfahren vektorisieren lassen, da komplizierte zweidimensionale und selbst einfache dreidimensionale Probleme der Strömungsdynamik auf den heute üblichen Universalrechnern nicht mit vertretbarem Zeitaufwand zu lösen sind. Die numerischen Berechnungen werden auf der CYBER 205 in Karlsruhe durchgeführt.
Zur Datenreduktion gemessener stochastischer Beanspruchungszeitfunktionen werden Zählverfahren eingesetzt. Mit den dabei entstehenden Beanspruchungskollektiven werden rechnerische Lebensdauerabschätzungen gemacht. Da diese mit großen Unsicherheiten behaftet sind, besteht der Wunsch, aus den Beanspruchungskollektiven on-line stochastische Beanspruchungszeitfunktionen zu rekonstruieren, damit ein experimenteller Lebensdauernachweis im Labor mit servohydraulischen Zylindern durchgeführt werden kann. In bezug auf die Lebensdauer der Bauteile unter stochastischer Beanspruchung wird heute dem zweiparametrigen Rainflow-Zählverfahren die größte Bedeutung beigemessen. Es werden ein gegenüber /1/ verbessertes Markov-Inversionsverfahren und ein Rekonstruktionsverfahren aus der symmetrischen und der unsymmetrischen Rainflow-Matrix vorgestellt. Anhand von Beispielen werden diese Inversionsverfahren, die jeweils unter allen Zeitfunktionen, die zu der betreffenden Matrix führen, mit gleicher Wahrscheinlichkeit eine auswählen, verglichen. Es zeigt sich dabei, daß im Hinblick auf die Lebensdauer von Bauteilen unter stochastischer Beanspruchung die Rainflow-Inversionen zu wesentlich besseren Ergebnissen führt als die Markov-Inversionen.
Bei einem von VDO entwickelten Navigationsgerät stehen unterschiedliche Verfahren zur Durchführung der Navigation zur Verfügung. Das Problem besteht darin, daß die von dem jeweiligen Verfahren erzielten Navigationsendpunkte von dem gewünschten Ziel mehr oder weniger stark abweichen. Diese Abweichungen hängen nicht nur von Anfangs- und Endpunkt der Testfahrt und vom Navigationsverfahren ab, sondern ändern sich auch bei der Wiederholung solcher Testfahrten. Ordnet man nun jedem Navigationsverfahren einen Parameter (vektor) zu und bezeichnet man die Menge aller betrachteten Parameter (werte) mit M (M kann zunächst endlich oder unendlich sein), so besteht das Ziel darin, den Parameter p*EM aufzufinden, für den das zugehörige Verfahren im Mittel am besten abschneidet. Hierzu ist es notwendig, zunächst ein Gütekriterium festzulegen.
Berechnung und Optimierung des Energiegewinnes bei Anlagen zur Lufterwärmung mittels Erdkanal
(1986)
Hallen wie Turnhallen oder Fabrikationshallen werden häufig mit Warmluft beheizt. Dazu steht ein Heizkessel mit Heißwasser bereit, das über einen Wärmetauscher (WT1) Luft erwärmt. Diese Warmluft wird über ein Gebläse in die Halle eingebracht. An anderer Stelle der Halle wird die Luft, die sich abgekühlt hat, wieder angesaugt. Diese wird im Wärmetauscher wieder auf Solltemperatur erwärmt und erneut eingeblasen. Aus hygienischen Gründen muß allerdings ein Teil der angesaugten Umluft ins Freie fortgeführt werden und stattdessen frische Außenluft zugeführt werden. Dies geschieht in einer Mischkammer. Diese Außenluft hat während der Heizperiode eine recht niedrige Temperatur, so daß ein beachtlicher Anteil der Heizenergie für ihre Erwärmung aufgebracht werden muß. Um Energie zu sparen, wird die Außenluft über einen Wärmetauscher WT2 durch die Fortluft vorgewärmt. Eine weitere Einsparung wäre möglich, wenn es gelänge, diese Außenluft auf irgendeine natürliche Art und Weise zusätzlich vorzuerwärmen.
Das Designproblem eines Kanals mit parallel eingeblasener Luft war der Ausgangspunkt für diese Untersuchung. Um ein Gefühl für das Verhalten von Strömungen in einem Kanal gemäß Abb. 1 zu bekommen, sollte von uns ein Verfahren entwickelt werden, welches für folgende Geometrie die relevanten strömungsdynamischen Daten liefert.; Durch die Schlitzdüsen wird Luft mit hoher Geschwindigkeit eingeblasen. Für die sich dann einstellende quasistationäre Strömung im Kanal K soll die Entwicklung der Geschwindigkeitsprofile in Abhängigkeit vom Abstand zum Schlitz berechnet und die strömungsdynamischen Größen abgeleitet werden. Von besonderem Interesse sind hier der Druckverlauf, der Impulsverlust und die Wandschubspannung sowie die sich daraus ergebende mittlere Ansauggeschwindigkeit. Dabei sollen Geometrie, Einblasgeschwindigkeit sowie die Wandrauhigkeit variabel gehalten werden. Auf Grund von Experimenten erwartet man qualitativ etwa folgende Profile: Abb. 2
Diese Arbeit entstand aus der Zusammenarbeit der Arbeitsgruppe Technomathematik der Universität Kaiserslautern mit der Firma AUDI AG in Ingolstadt. Die Hauptaufgabe bestand in der Modell-Entwicklung für das Zeitverhalten von Beanspruchungszeitfunktionen (BAZF). Daher werden auch die ursprünglichen Modellansätze, die sich aufgrund von Beobachtungen realer BAZFen als Irrwege herausstellten, und die Stufen der Anpassung an die Realität hier dargestellt. Die Überprüfung der Modelle habe ich vier Wochen lang vor Ort durchgeführt und anschließend die endgültigen entwickelt. Die bei AUDI erstellten Plots werden zur Rechtfertigung der Modelle beitragen. Das Ziel der Modell-Entwicklung war immer die praktische Anwendung, weshalb auch dieser Gesichtspunkt oft hereinspielt, besonders wenn es um die Realisierung auf dem Rechner geht. Über die Implementierung und die praktischen Ergebnisse wird in einer späteren Arbeit berichtet werden.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Algorithmus von Kalman zur Schätzung von gegenwärtigen und zukünftigen Zuständen in zeitdiskreten dynamischen Systemen. In der Literatur ist dieser Algorithmus allgemein als Kalman-Filter bekannt. Im Vordergrund der Betrachtungen stehen dabei die Schätzfehler des Kalman-Filters, insbesondere für den Fall, daß das benutzte Modell nicht mit dem realen System übereinstimmt. Es wird der Frage nachgegangen, welche Einflüsse die Modellfehler auf die Schätzfehler des Kalman-Filters haben. Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt, den man bei der Anwendung des Kalman-Filters beachten sollte, da man i.a. nicht davon ausgehen kann, daß Modell und reales System übereinstimmen.; Um diese Fragestellung stärker zu motivieren, werden im nächsten Abschnitt ein paar allgemeine Überlegungen zur Modellbildung angestellt. Danach werden einige Modelle zur Behandlung von Zeitreihen angesprochen. Zur Hinführung auf den Kalman-Filter wird dann in Kapital 2 das Problem des Schätzens etwas allgemeiner behandelt. In Kapitel 3 erfolgt dann eine Herleitung des Kalman-Filters und die Untersuchung der Fehlerprozesse für den Fall, daß Modell und reales System übereinstimmen. Da für die zeitliche Entwicklung der Fehlerprozesse die Stabilität des Kalman-Filters von Bedeutung ist, wird auch diese besprochen. In Kapitel 4 werden schließlich die Fehlerprozesse für den Fall behandelt, daß Modell und reales System nicht übereinstimmen.
Identifikation von Amplituden und Phasensprüngen im Intensitätsverlauf eines Nd-Yag Festkörperlasers
(1987)
Zeitreihen und Modalanalyse
(1987)
Die Arbeit ist zu verstehen als ein Teil im großen Projekt der Universität Kaiserslautern, das sich unter dem Namen Technomathematik um die dringend erforderliche Verständigung zwischen Technik und Mathematik bemüht.; Der große Leitfaden war das Buch von Natke: Einführung in Theorie und Praxis der Zeitreihen- und Modalanalyse, Schilderung der wesentlichen dort verwendeten Ideen der indirekten Systemidentifikation sowie des wahrscheinlichkeitstheoretischen und physikalisch-technischen Hintergrundes.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Behandlung Differential-Algebraischer Gleichungen (DAE" s). DAE" s treten beispielsweise bei der Modellierung der Dynamik mechanischer System, der Schaltkreissimulation sowie der chemischen Reaktionskinetik auf. Es werden Rosenbrock-Wanner ähnliche Verfahren zu deren Lösung hergeleitet und an technischen Modellen (Fahrzeugachse und Verstärker) getestet.