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Ausgelöst durch gestiegene Leichtbauanforderungen kommen im Automobilbau vermehrt
Verbund- und Hybridbauweisen zum Einsatz. Verschiedene Materialien werden
gemäß den jeweiligen spezifischen Anforderungen einzelner Bauteile bzw. Baugruppen
ausgewählt, um ihr Potential bezogen auf das Gewicht und die (mechanische)
Funktionalität optimal auszuschöpfen. Hierbei kann auch bei Großserienanwendungen
neben der klassischen Blechschalenbauweise der Einsatz von Kunststoffen
und Faserverbundwerkstoffen zielführend sein. Allerdings sind entwicklungsspezifische
Besonderheiten zur funktionalen Absicherung bzw. Auslegung derartiger
Konzepte zu bewältigen. Dabei sind sowohl die Anforderungen an die Steifigkeit und
die (Betriebs-)Festigkeit als auch die Vorgaben an die passive Sicherheit maßgebend.
Bauteile aus kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen, die im
Spritzgussverfahren hergestellt werden, stellen hier eine besondere Herausforderung
dar. Das mechanische Verhalten ist von zahlreichen Faktoren wie lokal unterschiedlichen
Faserorientierungen, viskosen Effekten und Umgebungseinflüssen
abhängig.
Um Zeit und Kosten zu sparen, ist im heutigen Produktentwicklungsprozess von
Fahrzeugen bzw. bei der Auslegung der einzelnen Bauteile die Berechnung aller
relevanten Lastfälle mittels numerischer Simulationen unumgänglich. Die Weiterentwicklung
der Methoden und Modelle zur Simulation von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen
sind in den letzten Jahren verstärkt durch verschiedene
Forschungsprojekte vorangetrieben worden. Dabei spielt auch die einhergehende
Charakterisierung der Werkstoffe eine tragende Rolle. Ziel dieser Arbeit ist, die
verfügbaren Methoden zur Berechnung und Charakterisierung von Spritzgussbauteilen
aus kurzfaserverstärkten Kunststoffen aufzuzeigen, weiterzuentwickeln und
anhand wissenschaftlicher Experimente zu validieren. Hierbei werden quasi-statische
und crashrelevante Versuche mit verschiedenen Probekörpern durchgeführt und
analytisch weiterverarbeitet. Im Anschluss werden diese zum Aufbau ausgewählter
Rechenmodelle eines expliziten FE-Solvers genutzt. Angewendet werden dabei
sowohl rein phänomenologische als auch integrative mikromechanische Simulationsmethoden
mit isotropen und anisotropen elasto-plastischen bzw. elasto-viskoplastischen
Ansätzen.
Das Ziel dieser Arbeit war, den Einfluss der textilen Parameter von Multifilamentgeweben
auf die Permeabilität zu bestimmen. Einer sehr umfangreichen Permeabilitätsstudie
wurden grundsätzliche Untersuchungen vorangestellt, die beantworten, mit
welchen Einschränkungen textile Modelle und Kapillarmodelle zur Berechnung der
Permeabilität eingesetzt werden können, worin sich Permeabilitätsmessergebnisse
ermittelt über Punkt- und Linienanguss sowie gesättigte und ungesättigte Permeabilitätsmessungen
unterscheiden und ob die Lagenanzahl einen Einfluss auf die Permeabilität
eines Laminataufbaus hat. In der Hauptstudie wurden die Ebenenpermeabilitäten
K1 und K2 von 19 Geweben auf einer Messzelle bestehend aus einem 160
mm dicken Ober- und Unterwerkzeug aus Aluminium mit integrierten Sensoren ermittelt.
Festgestellt wurde, dass Leinwandgewebe eine höhere K2-Permeabilität als Köpergewebe
und ein isotroperes Fließverhalten haben. Es wurde ermittelt, dass je höher
das Produkt aus Fadendichte und Titer, desto größer ist der negative Gradient
der Permeabilitäts-Faservolumengehaltskurve. Vier sehr dichte Gewebe dieser Studie
zeigen zudem die Besonderheit, dass die Richtung der K1-Permeabilität nicht mit
der Kettrichtung des Gewebes übereinstimmt. Der abweichende Orientierungswinkel
ist faservolumengehaltsabhängig und nähert sich stets 0° bei Faservolumengehalten
von über 55 %. Es wird des Weiteren erklärt, warum Gewebe, die in Kett- und
Schussrichtung gleich aufgebaut sind, ein anisotropes Fließverhalten zeigen. Dieser
Effekt kann mit der Kettfadenspannung bei der Gewebeherstellung erklärt werden
und über die Messung des Crimps ermittelt werden. Wurde eine große Differenz im
Crimp zwischen dem Kett- und Schussgarn gemessen, war auch die Anisotropie höher.
Neben der Kettfadenspannung bei der Herstellung wurden über ein D-optimal
Screening der Titer und die Fadendichte als signifikante Einflussfaktoren auf den
Crimp ermittelt.
Die Ergebnisse dieser Studie ermöglichen die Auswahl und das spezifische Design
von Verstärkungstextilien mit bestimmten Imprägnier- und Permeabilitätseigenschaften.
The goal of this thesis is to find ways to improve the analysis of hyperspectral Terahertz images. Although it would be desirable to have methods that can be applied on all spectral areas, this is impossible. Depending on the spectroscopic technique, the way the data is acquired differs as well as the characteristics that are to be detected. For these reasons, methods have to be developed or adapted to be especially suitable for the THz range and its applications. Among those are particularly the security sector and the pharmaceutical industry.
Due to the fact that in many applications the volume of spectra to be organized is high, manual data processing is difficult. Especially in hyperspectral imaging, the literature is concerned with various forms of data organization such as feature reduction and classification. In all these methods, the amount of necessary influence of the user should be minimized on the one hand and on the other hand the adaption to the specific application should be maximized.
Therefore, this work aims at automatically segmenting or clustering THz-TDS data. To achieve this, we propose a course of action that makes the methods adaptable to different kinds of measurements and applications. State of the art methods will be analyzed and supplemented where necessary, improvements and new methods will be proposed. This course of action includes preprocessing methods to make the data comparable. Furthermore, feature reduction that represents chemical content in about 20 channels instead of the initial hundreds will be presented. Finally the data will be segmented by efficient hierarchical clustering schemes. Various application examples will be shown.
Further work should include a final classification of the detected segments. It is not discussed here as it strongly depends on specific applications.
Gegenstand der vorliegenden Dissertation war die Erarbeitung eines besseren Verständnisses für ein grundlegendes Konzept der molekularen Erkennung - den Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen. In zwei Projekten sollte dies mit Hilfe von Modellsystemen verwirklicht werden.
Im ersten Projekt wurden verschiedene Bis(kronenether)-Derivate synthetisiert, um den Einfluss der Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen systematisch untersuchen zu können. Die Synthese lieferte die Derivate als Gemisch von Diastereomeren, wobei für ein Derivat mit Camphanoylsubstituenten die Trennung der Diastereomere nach chromatographischer Trennung erfolgreich realisiert werden konnte. Die lösungsmittelabhängige Charakterisierung der Kaliumkomplexierung der Bis(kronenether)-Derivate in Methanol/Wasser-Gemischen erfolgte mittels isothermer Titrationskalorimetrie (ITC). Es zeigten sich unterschiedliche Einflüsse in den Enthalpie- und Entropiebeiträgen der einzelnen Derivate, welche sich allerdings aufgrund von Enthalpie-Entropie-Kompensation nicht in unterschiedlichen Werten für ∆G äußern. Darauf aufbauend wurde ein weiteres Modellsystem konzipiert, welches einen Azakronenether als Grundkörper aufweist. Die Ausgangsverbindung hierfür wurde synthetisiert und eine Kristallstruktur des Natriumiodid-Komplexes ergab wichtige strukturelle Hinweise für die Durchführbarkeit weiterer Arbeiten.
Im zweiten Projekt sollte untersucht werden, ob die Eigenschaften eines bekannten cyclischen Hexapeptids, bei Bindung von Anionen Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen auszunutzen, auf ein strukturell ähnliches System übertragen werden können. Ein cyclisches Pseudohexapeptid sowie das kleinere cyclische Pseudotetrapeptid, in welchen 1,5-disubstituierte 1,2,3-Triazole die cis-Amide an den Prolinuntereinheiten der entsprechenden cyclischen Peptide imitieren, wurden synthetisiert. Die hohe konformationelle Übereinstimmung der cyclischen Pseudopeptide zu den cyclischen Peptiden konnte über Kristallstrukturanalyse und 1H-NMR spektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden.
Die Bindungseigenschaften des cyclischen Pseudohexapeptids gegenüber Anionen wurden mit Hilfe der NMR-Spektroskopie und der Isothermen Titrationskalorimetrie (ITC) untersucht. Das cyclische Pseudohexapeptid bindet anorganische Anionen mit außergewöhnlich hohen Bindungskonstanten in kompetitiven Wasser/Methanol Lösungsmittelgemischen unter Ausnutzung von Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die intrinsische Anionenaffinität von diesem Derivat größer ist als bei dem cyclischen Hexapeptid.
This research work focuses on the generation of a high resolution digital surface model featuring complex urban surface characteristics in order to enrich the database for runoff simulations of urban drainage systems. The discussion of global climate change and its possible consequences have taken centre stage over the last decade. Global climate change has triggered more erratic weather patterns by causing severe and unpredictable rainfall events in many parts of the world. The incidence of more frequent rainfall has led to the problem of increased flooding in urban areas. The increased property values of urban structures and threats to people's personal safety have hastened the demand for a detailed urban drainage simulation model for accurate flood prediction. Although the use of 2D hydraulic modelling approach in rural floodplains is in practice for quite a long time, the use of the same approach in urban floodplains is still in its infancy. The reason is mainly due to the lack of a high resolution topographic model describing urban surface characteristics properly.
High resolution surface data describing hydrologic and hydraulic properties of complex urban areas are the prerequisite to more accurately describing and simulating the flood water movement and thereby taking adequate measures against urban flooding. Airborne LiDAR (Light detection and ranging) is an efficient way of generating a high resolution Digital Surface Model (DSM) of any study area. The processing of high-density and large volume of unstructured LiDAR data is a difficult and time-consuming task towards generating fine resolution spatial databases when considering only human intervention. The application of robust algorithms in terms of processing this massive volume of data can significantly reduce the data processing time and thereby increase the degree of automation as well as accuracy.
This research work presents a number of techniques pertaining to processing, filtering and classification of LiDAR point data in order to achieve higher degree of automation and accuracy towards generating a high resolution urban surface model. This research work also describes the use of ancillary datasets such as aerial images and topographic maps in combination with LiDAR data for feature detection and surface characterization. The integration of various data sources facilitates detailed modelling of street networks and accurate detection of various urban surface types (e.g. grasslands, bare soil and impervious surfaces).
While the accurate characterization of various surface types contributes to the better modelling of rainfall runoff processes, the application of LiDAR-derived fine resolution DSM serves as input to 2D hydraulic models and capable of simulating surface flooding scenarios in cases the sewer systems are surcharged.
Thus, this research work develops high resolution spatial databases aiming at improving the accuracy of hydrologic and hydraulic databases of urban drainage systems. Later, these databases are given as input to a standard flood simulation software in order to: 1) test the suitability of the databases for running the simulation; 2) assess the performance of the hydraulic capacity of urban drainage systems and 3) predict and visualize the surface flooding scenarios in order to take necessary flood protection measures.
Mischungen aus Aldehyden und Alkoholen sind für zahlreiche technische Prozesse von Bedeutung. Bei der Auslegung solcher Prozesse muss berücksichtigt werden, dass Aldehyde mit Alkoholen in einer Additions-Eliminierungsreaktion zu Halbacetalen reagieren. Zurzeit erhält man genaue Angaben zum Reaktionsgleichgewicht, die für technische Anwendungen ausreichend sind, fast ausschließlich aus experimentellen Untersuchungen.
Eine Vorhersage solcher Gleichgewichtskonstanten (für Reaktionen in der Gasphase) ist prinzipiell auch mit Hilfe quantenchemischer Methoden möglich. Für die interessierenden Reaktionen der untersuchten Aldehyde und Alkohole fehlen sowohl experimentelle Ergebnisse als auch mit Hilfe der Quantenchemie berechnete Zahlenwerte.
Ziel der Arbeit war es, die Reaktionsgleichgewichte einiger wichtiger Reaktionen eines Aldehyds mit einem Alkohol zu Halbacetalen experimentell zu bestimmen und mit Ergebnissen quantenchemischer Vorhersagen zu vergleichen.
Für 21 Systeme (aus sieben Aldehyden und drei Alkoholen) wurden Pseudogleichgewichtskonstanten in der flüssigen Phase im Temperaturbereich zwischen ca. 255 K und 295 K experimentell mittels \( ^{13}\)C-NMR-Spektroskopie ermittelt. Dazu wurden binäre Mischungen aus jeweils einem Aldehyd und einem Alkohol gravimetrisch hergestellt und nach Einstellung des Gleichgewichts experimentell untersucht. Die im Experiment erhaltenen Pseudogleichgewichtskonstanten wurden mit Hilfe einer Gruppenbeitragsmethode für die Gibbsche Exzessenergie der flüssigen Mischungen zu Gleichgewichtskonstanten umgerechnet.
Parallel dazu wurden für die experimentell untersuchten Reaktionen die Gleichgewichtskonstanten in der Gasphase mit quantenchemischen Methoden berechnet. Als quantenchemische Methode wurde der Dichtefunktionaltheorieansatz B3LYP gewählt, der für die Berechnungen sowohl mit dem (kleinen) Pople-Basissatz 6-31G(d) scale als auch mit dem (größeren) Dunning-Basissatz cc-pVTZ scale kombiniert wurde.
Im theoretischen Teil wurde nur die Hauptreaktion - die Bildung der Halbacetale I aus Aldehyd und Alkohol - berücksichtigt und die Folgereaktionen nicht untersucht.
Aus zeitlichen Gründen konnten für den größeren (rechenzeitintensiven) Basissatz nicht alle experimentell untersuchten Reaktionen betrachtet werden. Unter Verwendung von Dampfdrücken der beteiligten Komponenten wurden die Rechenwerte auf die flüssige Phase umgerechnet. Die dazu erforderlichen Dampfdrücke der Halbacetale wurden mit Hilfe von Korrelationsgleichungen abgeschätzt.
Der Vergleich von Messwerten mit Rechenwerten für die Gleichgewichtskonstanten der untersuchten chemischen Reaktionen zeigte, dass die verwendeten quantenchemischen Methoden i.d.R. nicht in der Lage sind, das Gleichgewicht zuverlässig vorherzusagen.
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.
Sekretionssysteme ermöglichen Bakterien nicht nur die Kommunikation mit ihrer Umwelt, sie spielen auch eine große Rolle in der Virulenz. Mit Virulenz werden auch Typ VII-Sekretionssysteme in Verbindung gebracht, die ausschließlich in Gram-positiven Bakterien vorkommen. Substrate dieser Systeme sind u.a. kleine Proteine mit einem zentralen WXG-Motiv, die sogenannten WXG-100 Proteine, die im gleichen Locus kodiert werden. Das ESX-1 System, das u.a. in M. tuberculosis und S. aureus vorkommt, ist ein bisher vor allem in diesen Organismen untersuchtes Typ VII-Sekretionssystem.
Im Gegensatz zu seinem pathogenen Verwandten S. pneumoniae besitzt S. oralis Uo5 Gene, die für ein ESX-1 Sekretionssystem kodieren. Bislang wurde ein solches System in Strepto-kokken nicht untersucht und es war unklar, ob dieses exprimiert wird und welche Funktion es in diesen Bakterien erfüllt.
Im Fokus dieser Arbeit stand nun die Charakterisierung des ESX-1 Sekretionssystems von S. oralis Uo5 und dessen Verbreitung in anderen Streptokokken. Dabei belegten Transkrip-tionsstudien, dass ein interner Terminator zwischen dem ersten und zweiten Gen (esxA und esaA) die Transkription negativ beeinflusst. Trotz der niedrigen Transkriptmenge der downstream des Terminators gelegenen Gene konnte die Funktionalität des Systems durch den Nachweis der beiden WXG-100 Proteine EsxA und EsxB im Cytoplasma und im Kultur-medium bestätigt werden. Der Nachweis der WXG-100 Proteine erfolgte mit Antiseren, die im Rahmen dieser Arbeit gegen die rekombinant hergestellten und aus E. coli isolierten WXG-100 Proteine generiert worden waren. Durch eine Deletion des Gens, das in anderen Organismen für eine FtsK/SpoIIIE-ATPase kodiert, wurde gezeigt, dass auch dieses Protein in S. oralis Uo5 für die Sekretion der WXG-100 Proteine essentiell ist.
Die Daten von CD-spektroskopischen Analysen lassen vermuten, dass EsxA und EsxB, wie in anderen Organismen bereits gezeigt, als lineare Proteine vorliegen, die hauptsächlich aus α-Helices bestehen. Diese Daten zeigen auch, dass EsxA im Gegensatz zu EsxB eine höhere Stabilität besitzt. Durch die Kombination von Gelfiltration und Crosslinking-Experimenten mittels Glutaraldehyd konnte die Bildung von EsxA-Homodimeren bestätigt werden.
Mit Hilfe von Antikörpern konnte EsxA in einer Reihe von S. oralis Stämmen nachgewiesen werden; die Verbreitung des ESX-1 Systems konnte durch PCR-Analysen bestätigt werden. Eine vergleichende Analyse bekannter Genomdaten in silico bestätigt, dass dieses Cluster in verschiedenen Streptokokken-Spezies vorkommt. Eine phylogenetische Analyse der Gene esxA und essC im Vergleich mit dem in allen Bakterien konservierten Gen gyrA verdeutlicht, dass das ESX-1 System als Teil des akzessorischen Genoms angesehen werden kann, das sich über horizontalen Gentransfer verbreiten kann.
In dieser Arbeit wird somit zum ersten Mal ein Typ VII-Sekretionssystem in Streptokokken untersucht. Die Charakterisierung auf molekularer Ebene legt einen Grundstein für die Erforschung der Rolle des ESX-1 Systems in vivo.
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.
The various uses of fiber-reinforced composites, for example in the enclosures of planes, boats and cars, generates the demand for a detailed analysis of these materials. The final goal is to optimize fibrous materials by the means of “virtual material design”. New fibrous materials are virtually created as realizations of a stochastic model and evaluated with physical simulations. In that way, materials can be optimized for specific use cases, without constructing expensive prototypes or performing mechanical experiments. In order to design a practically fabricable material, the stochastic model is first adapted to an existing material and then slightly modified. The virtual reconstruction of the existing material requires a precise knowledge of the geometry of its microstructure. The first part of this thesis describes a fiber quantification method by the means of local measurements of the fiber radius and orientation. The combination of a sparse chord length transform and inertia moments leads to an efficient and precise new algorithm. It outperforms existing approaches with the possibility to treat different fiber radii within one sample, with high precision in continuous space and comparably fast computing time. This local quantification method can be directly applied on gray value images by adapting the directional distance transforms on gray values. In this work, several approaches of this kind are developed and evaluated. Further characterization of the fiber system requires a segmentation of each single fiber. Using basic morphological operators with specific structuring elements, it is possible to derive a probability for each pixel describing if the pixel belongs to a fiber core in a region without overlapping fibers. Tracking high probabilities leads to a partly reconstruction of the fiber cores in non crossing regions. These core parts are then reconnected over critical regions, if they fulfill certain conditions ensuring the affiliation to the same fiber. In the second part of this work, we develop a new stochastic model for dense systems of non overlapping fibers with a controllable level of bending. Existing approaches in the literature have at least one weakness in either achieving high volume fractions, producing non overlapping fibers, or controlling the bending or the orientation distribution. This gap can be bridged by our stochastic model, which operates in two steps. Firstly, a random walk with the multivariate von Mises-Fisher orientation distribution defines bent fibers. Secondly, a force-biased packing approach arranges them in a non overlapping configuration. Furthermore, we provide the estimation of all parameters needed for the fitting of this model to a real microstructure. Finally, we simulate the macroscopic behavior of different microstructures to derive their mechanical and thermal properties. This part is mostly supported by existing software and serves as a summary of physical simulation applied to random fiber systems. The application on a glass fiber reinforced polymer proves the quality of the reconstruction by our stochastic model, as the effective properties match for both the real microstructure and the realizations of the fitted model. This thesis includes all steps to successfully perform virtual material design on various data sets. With novel and efficient algorithms it contributes to the science of analysis and modeling of fiber reinforced materials.