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Molekulardynamische Simulation chiraler flüssigkristalliner Phasen Im Rahmen der Arbeit wird erstmals die Polymorphie chiraler flüssigkristalliner Phasen mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersucht. Am Beispiel des Modellsystems des chiralen Gay-Berne-Fluids, das bisher ausschließlich mittels Monte Carlo-Simulationen untersucht wurde, wird das Phasendiagramm in Abhängigkeit von Temperatur und Druck bestimmt. Ein Ziel ist insbesondere die Untersuchung der dynamischen Selbstdiffusionseigenschaften in chiralen Phasen in Abhängigkeit von Temperatur und Druck. Im Fall der im Mittelpunkt der Untersuchung stehenden cholesterischen Phase werden die Zusammenhänge zwischen Selbstdiffusionseigenschaften und Gleichgewichtshelixganghöhe beziehungsweise Ordnungsparameter bestimmt.
In vielen Ländern werden derzeit Simulationsmodelle miteinander gekoppelt, die zum einen Prozesse auf der Oberfläche und im Entwässerungssystem und zum anderen Prozesse in der Kläranlage nachbilden. Den Anlass hierfür stellte die Erkenntnis dar, dass eine getrennte Betrachtung und Optimierung der beiden Teile eines Abwassersystems nicht zwangsläufig zu aus Gewässersicht besten Lösungen führt. Da die Zusammenhänge sehr komplex sind, können Auswirkungen von Systemveränderungen, seien sie baulicher oder verfahrenstechnischer Art, nur mit Modellen im Vorfeld eingeschätzt werden. Die gemeinsame Simulation von Entwässerungssystem und Kläranlage wird mit dem Begriff "integrierte Modellierung" beschrieben. Da der Einsatz der integrierten Modellierung in den Anfängen steckt, gibt es eine Vielzahl an offenen Fragen und Defiziten. Stichworte sind hier insbesondere die erforderliche Detailliertheit der Modellansätze sowie die zu betrachtenden Stoffparameter und die damit einhergehenden Unsicherheiten bei den Simulationsergebnissen. Diese unbefriedigende Situation gab Anlass zu einer Zusammenstellung und Bewertung der Unsicherheiten, die bei der integrierten Modellierung bestehen. Im Vordergrund stand die Beurteilung unterschiedlicher Modellansätze und -parameter. Die Unsicherheiten wurden zunächst hinsichtlich der maßgebenden Größen Entlastungsverhalten und Kläranlagenablauf getrennt bewertet. Es zeigte sich, dass große Defizite hinsichtlich der Beurteilung der Auswirkungen von Modellansätzen und -parametern über die "Systemgrenze" hinweg bestehen. Unter System wird hier einerseits das Entwässerungssystem und andererseits die Kläranlage verstanden. Ausgewählte Unsicherheiten, wie z.B. die Auswirkungen unterschiedlicher Modellansätze und -parameter zur Simulation der stofflichen Prozesse auf der Oberfläche und im Kanal, wurden detailliert untersucht und beschrieben, was zu einem besseren Prozessverständnis beiträgt. Es wurde grundsätzlich nachgewiesen, dass eine Kopplung der verwendeten Modellansätze aus den Bereichen Entwässerungssystem und Kläranlage weitgehend zu nachvollziehbaren Ganglinien an allen maßgebenden Stellen im Abwassersystem führt. Es zeigten sich jedoch auch Schwächen bei der derzeitig häufig gewählten Vorgehensweise. Die Simulation des chemischen Sauerstoffbedarfs als ein Parameter im Entwässerungssystem und die konstante Fraktionierung an der Übergabestelle zum Kläranlagenmodell, welches verschiedene CSB-Fraktionen als Eingangsgrößen benötigt, führte zu teilweise unplausiblen Ganglinien im Kläranlagenablauf. Es wurden zwei Lösungsansätze untersucht und festgestellt, dass die getrennte Simulation von partikulärem und gelöstem CSB entscheidende Vorteile insbesondere bei stark ablagerungsbehafteten Kanalnetzen aufweist. Die Arbeit verdeutlicht, welche Modellansätze und -parameter gewässerökologisch relevante Emissionen und die Kläranlagenablaufkonzentrationen maßgebend beeinflussen. In Abhängigkeit von der Zielsetzung müssen bei zukünftigen Simulationsstudien bisher häufig vereinfacht modellierte Prozesse, wie z.B. die Verdrängung gelöster Stoffe im Entwässerungssystem, detaillierter nachgebildet werden. Verschiedene Modellansätze auf der Oberfläche (2-Komponenten-Methode/ Akkumulation-Abtrag) sowie verschiedene Modellparameter bei der Anwendung der Akkumulations-/Abtragsmethode führten zu extrem unterschiedlichen Ergebnissen bezüglich der stündlichen CSB-Entlastungswerte. Andere Prozesse dagegen können in bestimmten Anwendungsfällen vernachlässigt werden. So ist die detaillierte Nachbildung des Absetzverhaltens in den Regenbecken lediglich bei der Beurteilung langfristiger Wirkungen von Relevanz. Bezogen auf die maximalen CSB-Konzentrationen im Kläranlagenablauf erwiesen sich verschiedene Modellansätze im Entwässerungssystem und unterschiedliche Fraktionierungsansätze an der Schnittstelle als wenig sensitiv. Als wichtigste Einflussgröße stellte sich das Nachklärbeckenmodell heraus. Mit der Anwendung des Modells in einem kleinen Einzugsgebiet wurden die Probleme in einem konkreten Anwendungsfall deutlich. Eine Nachbildung der Zu- und Ablaufganglinien der Kläranlage war während Trockenwetterphasen möglich. Die Schwankungen der Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der Belebung und im Ablauf der Nachklärung, die sich aufgrund der Betriebsweise der intermittierenden Belüftung ergeben, konnten zufrieden-stellend modelliert werden. Während Regenwetterphasen traten dagegen diverse Abweichungen der Simulations- gegenüber den Messergebnissen auf. Eine aufwändigere Beprobung während Regenwetter ist erforderlich. Die exemplarische Anwendung des Modells wie auch die Erkenntnisse aus den Sensitivitätsanalysen zeigten, dass die integrierte Modellierung von Entwässerungssystem und Kläranlage bei diversen Aufgabenstellungen ein sinnvolles Werkzeug ist. Vor dessen Einsatz sollten jedoch die jeweils maßgebenden Gewässerbelastungen identifiziert werden.
Parkmanöver sind ein häufig auftretender Bestandteil des urbanen Verkehrsgeschehens. Über den Einfluss von Parkmanövern auf Verkehrsablauf und Verkehrssicherheit lagen bisher nur teilweise Kenntnisse von eher qualitativem Charakter vor. Ziel dieser Arbeit war es, in einem ersten (empirischen) Schritt die vorliegenden Kenntnisse zu ergänzen und zu quantifizieren und in einem zweiten Schritt ein Simulationsmodell zu entwickeln, mit dessen Hilfe sich Aussagen zu weitergehenden Fragestellungen unter variierenden Randbedingungen machen lassen. Im ersten Schritt wurden im Rahmen des Forschungsprojektes "Linksparken in städtischen Straßen" ca. 3.400 Parkmanöver in Längsrichtung dokumentiert und bzgl. ihres Einflusses auf Verkehrsablauf und Verkehrssicherheit analysiert. Dabei wurden insbesondere auch (illegale) Parkmanöver entgegen der Fahrtrichtung (Linksparken) betrachtet und mit dem heute vorgeschriebenen Rechtsparken verglichen. Die wichtigsten Ergebnisse des empirischen Teils waren: - Die Analyse der amtlichen Unfallstatistiken ergab, dass Parkmanöver generell einen eher geringen Einfluss auf die Verkehrssicherheit haben, zumal beim Ein- und Ausparken meistens Bagatellschäden verursacht werden. In einer zusätzlichen Befragung von 118 Polizeidienststellen speziell zum Linksparken stellte sich heraus, dass Linksparken im Unfallgeschehen derzeit keine nennenswerte Rolle spielt, dass aber die beim Ausparken eingeschränkte Sicht des Fahrers auf die Fahrbahn als Gefährdungspotenzial angesehen wird. - Bei den Erhebungen wurden acht Parkmanöver (0,2%) erfasst, durch die Konflikte verursacht wurden, Unfälle ereigneten sich nicht. Ein gehäuftes Auftreten von Konflikten bei bestimmten Parkmanövern oder bestimmten Abschnitten davon war (auch aufgrund der geringen Anzahl der Konflikte) nicht feststellbar. - In Straßen mit sehr geringem Verkehrsaufkommen wurde teilweise fast die Hälfte aller Parkmanöver entgegen der Fahrtrichtung durchgeführt. Dieser Anteil nimmt mit zunehmendem Verkehrsaufkommen ab, da Parkstände auf der linken Seite nicht mehr ohne Behinderung des Gegenverkehrs belegt und verlassen werden können. - Beim Ausparken von links befindet sich der Fahrer auf der der Fahrbahn abgewandten Seite. Insbesondere durch größere Fahrzeuge wie z.B. Lieferwagen kann dann die Sicht auf den fließenden Verkehr so weit eingeschränkt sein, dass das Fahrzeug relativ weit in die Fahrbahn einfahren muss, bevor der Fahrer das Verkehrsgeschehen überschauen kann. Dies wird vor allem auf Straßen mit Geschwindigkeiten von über 30 km/h als unvertretbares Sicherheitsrisiko angesehen. In solchen Straßen sollte daher auch im Falle einer Novellierung der StVO von einer Legalisierung des Linksparkens abgesehen werden. - Rechts rückwärts durchgeführte Parkmanöver verursachen am häufigsten Wartezeiten im fließenden Verkehr, wobei auch die Länge der verursachten Wartezeiten bei diesem Manöver am größten ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass nachfolgende Fahrzeuge häufig relativ dicht auf ein einparkendes Fahrzeug auffahren und so (1) dieses am einparken hindern und (b) das einparkende Fahrzeug selbst nicht überholen können, ohne vorher zurückzustoßen. Im Vergleich zu den Wartezeiten, wie sie durch Lichtsignalanlagen verursacht werden, sind die durch Parkmanöver verursachten Wartezeiten jedoch sehr gering. Im zweiten Schritt der Arbeit wurden die Ergebnisse der Empirie in das mikroskopische Simulationsmodell EPAVA (Einfluss von PArkmanövern auf den VerkehrsAblauf) implementiert. Da für das Auftreten von Unfällen oder Konflikten in der Empirie aufgrund deren Seltenheit keine Regeln abgeleitet werden konnten, werden diese nicht simuliert. Simuliert wird der Einfluss von Parkmanövern auf den Verkehrsablauf, wobei die Randbedingungen des simulierten Streckenabschnittes vom Benutzer interaktiv definiert werden können. Parameter zur Beurteilung des Verkehrsablaufs sind neben den Wartezeiten im fließenden Verkehr die Parkraumauslastung und die Entstehung von Parksuchverkehr. Damit stehen Informationen zu Parametern zur Verfügung, die empirisch nicht erhoben werden können. In der Anwendung von EPAVA wurden zwei unterschiedlich stark belastete Streckenabschnitte mit jeweils drei unterschiedlichen Werten für die Akzeptanz von Parkständen auf der linken Seite simuliert. Dabei führt das Simulationsprogramm zu folgenden Ergebnissen: - Mit zunehmender Akzeptanz des Linksparkens werden freie Parkstände schneller wieder belegt, da diese von Fahrzeugen aus beiden Fahrtrichtungen angefahren werden. Dadurch kann insbesondere in Gebieten mit hohem Parkdruck eine bessere Auslastung des Parkraums erreicht werden. - Mit der höheren Auslastung des Parkraums geht eine Reduzierung des Parksuchverkehrs einher. Diese ist jedoch nur sehr gering.
Das moderne Wohngebäude zeichnet sich durch einen niedrigen Heizwärmebedarf aus. Mit Zunahme der Sensitivität des Wohngebäudes bezüglich der Solarstrahlung aufgrund neuartiger Systeme wie transparenter Wärmedämmung, Phasenwechselmaterialien oder großer Fensterflächen, erweitert sich der herkömmliche Regelungsansatz zur Einhaltung des behaglichen Raumklimas. Das thermische Gebäudeverhalten definiert sich weitaus komplexer. Es kommen neben der notwendigen Heizung weitere Aktoren (Sonnenschutzeinrichtung, Lüftung) ins Spiel. Die Zunahme der realisierbaren, solaren Erträge bewirken im Winter fossile Energieeinsparungen. Im Sommer sind jedoch ohne geeignete Maßnahmen Überhitzungen die Folge. Mit Hilfe moderner und vernetzter Regelungstechnik können Wirtschaftlichkeit des Systems und Komfort optimiert werden. Hierzu wurden bewährte Simulationswerkzeuge erweitert. Moderne Komponenten wie Phasenwechselmaterialien, transparente Wärmedämmung und Verschattungssysteme auf Basis einer schaltenden Schicht im Glasverbund erfahren eine Modellbildung. Umfangreiche Validierungen zu den Teilmodellen und zum Gesamtmodell zeigen, dass eine realitätsnahe Abbildung erreicht wird. Grundlage dieser Validierungssequenzen waren Feldtestmessungen an bewohnten Gebäuden, sowie Ergebnisse von Systemtestständen. Die Aussagesicherheit des gesamten Gebäudemodells wurde durch eine sogenannte "Cross-Validation" mit anderen etablierten Simulationsprogrammen hergestellt. Mit der Schaffung der realitätsnahen Abbildung eines solaroptimierten Wohngebäudes, welches an eine heizungsunterstützende, solarthermische Anlage gekoppelt ist, wurde die Grundlage zur Entwicklung einer prädiktiven Wärmeflussregelung in Wohngebäuden mit erweitertem thermischen Verhalten gelegt. Eine Untersuchung zum dynamischen Verhalten auf periodische Anregung von Einflussgrößen, zeigt die dominanten Zeitkonstanten des Gebäudesystems auf. Einfallende Solarstrahlung durch Fenster wirkt sich am schnellsten auf die empfundene Raumtemperatur aus. Dies hat Auswirkung auf die prädiktive Regelung. Während im Winter die Solarstrahlung zur Heizungsunterstützung herangezogen werden soll, gilt es, im Sommer die Bewohner vor Überhitzung zu schützen. Damit die Regelung in der Heizperiode an sonnigen Tagen nicht unnötig vorheizt (d. h. frühzeitig abgeschalten wird, da der zukünftige Heizbedarf von der Sonne gedeckt werden kann) und damit Überhitzungen(vor allem im Sommer) vermieden werden können, wurde für das untersuchte Gebäudemodell ein Prognosehorizont für den Prädiktor bestimmt. Mit dem modellbasierten Regelungskonzept wurde ein übergreifendes Wärmemanagementsystem entwickelt, welches mit der Information einer lokalen Wettervorhersage den thermischen Zustand des Gebäudes vorhersagt. Aufgrund des im Regler implementierten, reduzierten Modells, berücksichtigt die Prädiktion die besonderen Eigenschaften der eingesetzten Fassadenkomponenten. Umfangreiche, simulationsgestützte Untersuchungen bewerten das Regelungskonzept. Als Referenzsystem dient ein Gebäude mit herkömmlichem Regelungskonzept.
Es wurde ein fahrzeugtaugliches SCR-Gesamtsystem auf der Basis von trockenem Harnstoff dargestellt, bei dem die Reduktionsmittelaufbereitung in einem elektrisch beheizten Reaktor erfolgt. Trockener Harnstoff bietet gegenüber der wässrigen Harnstofflösung eine Gewichtsersparnis von 67,5% und eine uneingeschränkte Wintertauglichkeit. Im externen Reaktor wird der Harnstoff unter stets optimalen Reaktionsbedingungen zersetzt. Der Harnstoff wird in Form von runden Pellets in einem Größenspektrum von 1,8-2,0 mm eingesetzt. Die Dosierung erfolgt durch Vereinzeln der Pellets mit einem Zellenraddosierer. Der Harnstoffmengenstrom wird durch Veränderung der Pausenzeit zwischen zwei Einzelportionen angepasst. Mit dem Dosiersystem ist die Reduktionsmittelversorgung im gesamten Motorkennfeld gewährleistet. Der Transport der Pellets vom Dosierer zum Reaktor erfolgt sequenziell durch eine Leitung nach dem Blasrohrprinzip mittels Druckluft. Die Druckluft wird durch einen Kompressor bereitgestellt. Das Förderprinzip ermöglicht einen Pellettransport über mehrere Meter, wobei Krümmungsradien bis 40 mm und vertikale Förderung entgegen der Schwerkraft unproblematisch sind. Der Reaktor besteht aus einer Thermolysekammer mit elektrisch auf 400°C beheizten Wänden und einem nachgeschalteten Hydrolysekatalysator. Die Harnstoffpellets werden in die Kammer eingebracht und thermisch zersetzt. Das für die Hydrolyse benötigte Wasser wird durch einen Abgasteilstrom bereitgestellt, der in die Thermolysekammer eingekoppelt und dort ebenfalls aufgeheizt wird. Die Zersetzungsprodukte Ammoniak und Kohlendioxid werden in den Abgashauptstrom eingebracht. Mit dem Gesamtsystem werden unter optimalen Randbedingungen NOx-Konvertierungsraten über 99% erreicht. Die NOx - und NH3-Bilanz zeigt allerdings, dass der Reduktionsmittelnutzungsgrad lediglich bei etwa 85% liegt. Im Hydrolysekatalysator wird ein Anteil des Ammoniaks oxidiert. Ein weiterer Teil wird durch Nebenreaktionen am SCR-Katalysator verbraucht. Das Verhalten des SCR-Katalysators unter dynamischen Betriebsbedingungen wurde mit Hilfe eines mathematischen Modells diskutiert. Das NH3-Adsorptionsvermögen des SCR-Katalysators nimmt mit steigender Temperatur stark ab. Gleichzeitig wird bei niedrigen Temperaturen bis etwa 250°C ein vergleichsweise hohes NH3-Beladungsniveau benötigt, um maximale NOx-Konvertierung zu erzielen. Bei höheren Temperaturen verläuft die SCR-Reaktion hingegen spontan in einer kurzen Reaktionszone am Katalysatoreintritt. Bei einem Wechsel des Motorbetriebspunktes von niedriger auf hohe Last steigt die Katalysatortemperatur schnell an. Das Adsorptionsvermögen des Katalysators nimmt ab. Wenn die eingespeicherte Reduktionsmittelmenge nicht in der SCR-Reaktion verbraucht wird, kommt es zu NH3-Schlupf. Bei niedrigeren Temperaturen muss daher die NH3-Beladung begrenzt werden. Dies hat allerdings eine verminderte NOx-Konvertierung zur Folge. Der Einfluss verschiedener Parameter auf den NOx-Umsatz und den Reduktionsmittelverbrauch wurde anhand des MVEG-Zyklus diskutiert. Durch kurzzeitige Hochdosierung und anschließende Anpassung der Reduktionsmittelmenge an den momentanen Umsatz wird die beste Ausnutzung des eingebrachten Reduktionsmittels erzielt. Ein optimierter NO2-Anteil bewirkt insbesondere in der Startphase eine höhere NOx-Konvertierungsrate. Ein größerer SCR-Katalysator vermindert die NH3-Schlupfgefahr. Die Reduktionsmittelausnutzung nimmt jedoch ab, so dass ein größerer Reduktionsmittelanteil im Katalysator verbleibt. Durch motornahe Positionierung erfährt der SCR-Katalysator ein höheres Temperaturkollektiv. Der NOx-Umsatz steigt dadurch deutlich. Gleichzeitig ist die im Katalysator verbleibende Reduktionsmittelmenge geringer. Dies erlaubt eine einfache Dosierstrategie, bei der sich die Reduktionsmitteldosierung an der momentanen Stickoxidkonvertierung orientiert. Für das Gesamtsystem wurde eine Betriebsstrategie erarbeitet, die gezielt auf die funktionalen Grenzen der Systemkomponenten abgestimmt ist. Die zugrunde liegende Emissionsminderungsstrategie sieht eine konstante fahrstreckenbezogene NOx-Minderung in allen Betriebszuständen vor. Hierdurch ist es möglich, sowohl alle für die Zertifizierung erforderlichen Abgasgrenzwerte zu unterschreiten, als auch eine deutliche Emissionsminderung außerhalb der prüfrelevanten Fahrzyklen zu erzielen. Gleichzeitig kann für eine definierte Fahrstrecke die mitzuführende Reduktionsmittelmenge genau vorhergesagt werden. Das Gesamtsystem wurde in einem EURO III-Versuchsfahrzeug auf dem Rollenprüfstand sowie im Straßenverkehr betrieben. Im Rahmen der bisherigen Tests konnte die Systemfunktion nachgewiesen werden. Im MVEG-Zyklus wird der EURO IV-NOx-Grenzwert mit vorkonditioniertem SCR-Katalysator knapp unterschritten. Durch eine gezielte Abstimmung des Motors auf die Erfordernisse des Abgasnachbehandlungssystems und eine Optimierung des NO2-Anteils ist eine weitere Absenkung des Emissionsniveaus möglich.
In Deutschland und einigen anderen Ländern ist das Mischsystem weit verbreitet. Aus diversen Gründen (z.B. aus Kostenaspekten) ist es aber bei Regenwetter nicht immer möglich, den gesamten Mischwasserabfluss auch zur Kläranlage weiter zu leiten. Ein gewisser Anteil des Mischwasserabflusses muss daher entweder im Kanalnetz zwischengespeichert oder aber über Entlastungsbauwerke direkt in die Einleitgewässer abgeschlagen werden, woraus erhebliche Gewässerbelastungen resultieren können. Hinzu kommt, dass die Teilsysteme "Kanalnetz" und "Kläranlage" meist noch unabhängig voneinander betrieben werden, sodass es zu Entlastungsereignissen kommen kann, obwohl zur gleichen Zeit an anderer Stelle im Gesamtsystem noch freie Speicher- und/oder Behandlungskapazitäten zur Verfügung stehen. Deshalb gewinnen seit einigen Jahren sog. integrierte Ansätze an Bedeutung, die versuchen, Kanalnetz und Kläranlage mit Hilfe von MSR-Technik in Abhängigkeit der jeweils aktuellen Leistungsfähigkeit dieser Teilsysteme zu betreiben, um dadurch die Emissionen und ggf. die Kosten zu verringern. Man kann daher in der neueren Literatur zahlreiche Veröffentlichungen zu diesem Themenkomplex finden, die sich jedoch bisher praktisch nur mit Durchlaufkläranlagen beschäftigt haben. SBR-Kläranlagen wurden diesbezüglich bisher vernachlässigt, obwohl diese Technologie prinzipiell durch eine ganze Reihe von Vorteilen gekennzeichnet ist. Zahlreiche großtechnische SBR-Kläranlagen belegen zudem, dass sich dieses Verfahren auch sehr gut zur Mischwasserbehandlung eignet. Wegen dieser Randbedingungen erschien es sinnvoll, auch integrierte MSR-Strategien für SBR-Anlagen zu entwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher auf der 2000 in Betrieb genommenen SBR-Kläranlage Messel (5.500 EW) zahlreiche Untersuchungen durchgeführt, um den Nutzen und die Machbarkeit derartiger Konzepte zu untersuchen. Diese nach den üblichen Regelwerken für Nitrifikation, Denitrifikation, biologische Phosphorelimination und aerobe Schlammstabilisierung bemessene Kläranlage ist typisch für eine Reihe weiterer ähnlicher Anlagen. Um das Potenzial eines integrierten Ansatzes zu ermitteln, wurden detaillierte Kanalnetz- und Kläranlagenmodelle erstellt und kalibriert, mit denen zahlreiche Untersuchungen durchgeführt wurden. Ferner wurden die umfangreichen Betriebsdaten ausgewertet. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Anlage über beachtliche Reserven verfügt, die z.B. für Zwecke einer erhöhten Mischwasserbehandlung genutzt werden könnten. Mit Hilfe der Modelle und ergänzender großtechnischer Untersuchungen wurden anschließend verschiedene integrierte MSR-Strategien am Computer entwickelt und bezüglich ihres Nutzens bewertet. Die Ergebnisse der integrierten Simulation zeigen beispielsweise, dass es mit Hilfe dieser Strategien möglich erscheint, die Zuflussmenge zur Kläranlage um bis zu 50 % über den Planungswert zu erhöhen, ohne die strengen Überwachungswerte zu überschreiten. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass es durch eine Erhöhung der Zuflussmenge möglich ist, die Gesamtemissionen aus Kanalnetz und Kläranlage - v.a. bezüglich CSB - und die Anzahl der Entlastungsereignisse deutlich zu verringern. Eine durchgeführte Kostenbetrachtung verdeutlicht, dass ein derartiger Ansatz - trotz der geringen Größe dieser Anlage - nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch sinnvoll ist. Damit erscheint es wünschenswert, dass zukünftig auch die großtechnische Umsetzung integrierter Ansätze für SBR-Kläranlagen und Mischkanalisationen in Angriff genommen wird, um die bisher gewonnenen Erkenntnisse in der Praxis zu verifizieren.
The thesis is focused on modelling and simulation of a Joint Transmission and Detection Integrated Network (JOINT), a novel air interface concept for B3G mobile radio systems. Besides the utilization of the OFDM transmission technique, which is a promising candidate for future mobile radio systems, and of the duplexing scheme time division duplexing (TDD), the subdivision of the geographical domain to be supported by mobile radio communications into service areas (SAs) is a highlighted concept of JOINT. A SA consists of neighboring sub-areas, which correspond to the cells of conventional cellular systems. The signals in a SA are jointly processed in a Central Unit (CU) in each SA. The CU performs joint channel estimation (JCE) and joint detection (JD) in the form of the receive-zero-forcing (RxZF) Filter for the uplink (UL) transmission and joint transmission (JT) in the form of the transmit-zero-forcing (TxZF) Filter for the downlink (DL) transmission. By these algorithms intra-SA multiple access interference (MAI) can be eliminated within the limits of the used model so that unbiased data estimates are obtained, and most of the computational effort is moved from mobile terminals (MTs) to the CU so that the MTs can do with low complexity. A simulation chain of JOINT has been established in the software MLDesigner by the author based on time discrete equivalent lowpass modelling. In this simulation chain, all key functionalities of JOINT are implemented. The simulation chain is designed for link level investigations. A number of channel models are implemented both for the single-SA scenario and the multiple-SA scenario so that the system performance of JOINT can be comprehensively studied. It is shown that in JOINT a duality or a symmetry of the MAI elimination in the UL and in the DL exists. Therefore, the typical noise enhancement going along with the MAI elimination by JD and JT, respectively, is the same in both links. In the simulations also the impact of channel estimation errors on the system performance is studied. In the multiple-SA scenario, due to the existence of the inter-SA MAI, which cannot be suppressed by the algorithms of JD and JT, the system performance in terms of the average bit error rate (BER) and the BER statistics degrades. A collection of simulation results show the potential of JOINT with respect to the improvement of the system performance and the enhancement of the spectrum e±ciency as compared to conventional cellular systems.
Wetting of a solid surface with liquids is an important parameter in the chemical engineering process such as distillation, absorption and desorption. The degree of wetting in packed columns mainly contributes in the generating of the effective interfacial area and then enhancing of the heat and mass transfer process. In this work the wetting of solid surfaces was studied in real experimental work and virtually through three dimensional CFD simulations using the multiphase flow VOF model implemented in the commercial software FLUENT. That can be used to simulate the stratified flows [1]. The liquid rivulet flow which is a special case of the film flow and mostly found in packed columns has been discussed. Wetting of a solid flat and wavy metal plate with rivulet liquid flow was simulated and experimentally validated. The local rivulet thickness was measured using an optically assisted mechanical sensor using a needle which is moved perpendicular to the plate surface with a step motor and in the other two directions using two micrometers. The measured and simulated rivulet profiles were compared to some selected theoretical models founded in the literature such as Duffy & Muffatt [2], Towell & Rothfeld [3] and Al-Khalil et al. [4]. The velocity field in a cross section of a rivulet flow and the non-dimensional maximum and mean velocity values for the vertical flat plate was also compared with models from Al-Khalil et al. [4] and Allen & Biggin [5]. Few CFD simulations for the wavy plate case were compared to the experimental findings, and the Towel model for a flat plate [3]. In the second stage of this work 3-D CFD simulations and experimental study has been performed for wetting of a structured packing element and packing sheet consisting of three elements from the type Rombopak 4M, which is a product of the company Kuhni, Switzerland. The hydrodynamics parameters of a packed column, e. i. the degree of wetting, the interfacial area and liquid hold-up have been depicted from the CFD simulations for different liquid systems and liquid loads. Flow patterns on the degree of wetting have been compared to that of the experiments, where the experimental values for the degree of wetting were estimated from the snap shooting of the flow on the packing sheet in a test rig. A new model to describe the hydrodynamics of packed columns equipped with Rombopak 4M was derived with help of the CFD–simulation results. The model predicts the degree of wetting, the specific or interfacial area and liquid hold-up at different flow conditions. This model was compared to Billet & Schultes [6], the SRP model Rocha et al. [7-9], to Shi & Mersmann [10] and others. Since the pressure drop is one of the most important parameter in packed columns especially for vacuum operating columns, few CFD simulations were performed to estimate the dry pressure drop in a structured and flat packing element and were compared to the experimental results. It was found a good agreement from one side, between the experimental and the CFD simulation results, and from the other side between the simulations and theoretical models for the rivulet flow on an inclined plate. The flow patterns and liquid spreading behaviour on the packing element agrees well with the experimental results. The VOF (Volume of Fluid) was found very sensitive to different liquid properties and can be used in optimization of the packing geometries and revealing critical details of wetting and film flow. An extension of this work to perform CFD simulations for the flow inside a block of the packing to get a detailed picture about the interaction between the liquid and packing surfaces is recommended as further perspective.
Durch Modelle werden komplexe Zusammenhänge der Realität vereinfacht beschrieben. Die Frage, wie räumliche Objekte und Beziehungen vereinfacht werden, ist Gegenstand der Geomodellierung. Teil B der vorliegenden Arbeit gibt eine Ein-führung in Modelltypen und Methoden der Geomodellierung in den beiden Anwen-dungsdisziplinen Stadtplanung und Immobilienwirtschaft. Teil C fokussiert auf ein konkretes Anwendungsfeld der Geomodellierung: Behandelt wird die Modellierung von Angebot und Nachfrage sowie von Preisen und Leerständen auf Büroflächen-märkten. Teil D zeigt die Anwendung der Geomodellierung in der Büromarktanalyse anhand einer exemplarischen Geoinformationssystem-gestützten Fallstudie in Stuttgart. Geomodellierung greift dabei sowohl auf die Modellierung geometrischer Daten unter Rückgriff auf Städtebau, Geodäsie und Computergrafik zurück, als auch auf eine in der Tradition von Stadt- und Regionalökonomie stehende quantitative Mo-dellierung von (räumlichen) Ursache-Wirkungs-Beziehungen. Eine zentrale These der Arbeit besteht darin, dass diese beiden Modellierungsansätze sich zunehmend ineinander integrieren. Geoinformationssysteme bilden ein wichtiges Werkzeug zur parallelen Bearbeitung sowohl der graphischen als auch der alphanumerischen Datengrundlagen für Anwendungsfälle. Dabei müssen jedoch aktuelle technische Entwicklungen im geometrischen Bereich (3D-Stadtmodelle, nutzergenerierte Geodaten, Web-GIS), die umfangreiche wissenschaftliche Tradition der räumlichen-quantitativen Modelle von den systemdynamischen Modellen der sechziger Jahren bis zur Stadtsimulation von heute sowie neuere Erkenntnisse im Bereich der räumlichen Ökonometrie berücksichtigt werden. Die Bedeutung dieser Methoden und Werkzeuge der Geomodeliierung wird für verschiedene Anwendungsfelder in Stadtplanung und Immobilienwirtschaft diskutiert. Die Büromarktmodellierung als Anwendungsfeld der Geomodellierung kann sowohl auf planerisch-räumlich geprägte Ansätze zur Bedarfsprognose als auch auf öko-nometrische Ansätze zur dynamischen Modellierung von Büromarktzyklen zurückgreifen. Räumlich-ökonometrisch arbeitet das hedonische Preismodell zur regressionsanalytischen Bestimmung bspw. von Mieten, welches sich auch zur Abschätzung von Leerstandswahrscheinlichkeiten verwenden lässt. Es ist allerdings rein statisch. Um räumliche und dynamische Modelle auch in der Büromarktanalyse anwendbar zu machen, greift die Arbeit nach Darstellung der genannten Ansätze auf die Modelle der Stadtsimulation zurück und überträgt diese auf den Markt für Büroflächen. Die Anwendung der Modelle wird für private und öffentliche Akteure auf dem Büroflächenmarkt diskutiert. Die Anwendung der Modelle erfolgt exemplarisch in einer Fallstudie des Büroflächenmarktes der Stadt Stuttgart. Die Vorteile Stuttgarts liegen in der Verfügbarkeit umfangreicher Mikrodaten (Gebäudebestand, Umzugsdatensample). Zudem ist Stuttgart groß genug, um ein interessanter Büroflächenmarkt zu sein, aber wieder-um angesichts der Branchenstruktur repräsentativ genug, um auch als Vorbilduntersuchung für andere Städte gelten zu können. Als beschreibende Variable für die Schätzgleichungen werden durch den Einsatz des Geoinformationssystems Arc-View Bürogebäude und umziehende Nutzer durch Gebäude-, Lage- und Umfeld-eigenschaften beschrieben. Ein Mehrgleichungs-Marktzyklen-Modell, das hedonische Preismodell, die Übertragung des hedonischen Preismodells auf die Leer-standswahrscheinlichkeit sowie die Mikrosimulation werden abschließend für Stutt-gart ökonometrisch geschätzt und die Ergebnisse diskutiert.
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.