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Fachbereich / Organisatorische Einheit
Vor dem Hintergrund einer Häufung schadensträchtiger Ereignisse in den letzten Jahren und einer zukünftig möglichen Zunahme extremer Niederschläge infolge des Klimawandels sind mittlerweile methodische Ansätze des Risikomanagements im Rahmen einer kommunalen Überflutungsvorsorge etabliert. Zu der dafür erforderlichen
ortsbezogenen Analyse konkreter Überflutungsgefährdungen existieren
aktuell verschiedene methodische Ansätze unterschiedlicher Komplexität und Aussagekraft. Bestehende Anwendungsempfehlungen und vergleichende Untersuchungen stellen die integrale Berechnung des oberirdischen und unterirdischen Abflusses mithilfe bi-direktional gekoppelter 1D/2D-Abflussmodelle als den methodisch
umfassendsten und aussagekräftigsten Ansatz zur Durchführung entsprechender Analysen dar. Die hohe Komplexität dieser Modelle schlägt sich in einer Vielzahl an Einflussgrößen nieder, welche sich auf die Berechnungsergebnisse auswirken können. Zusätzlich ist die Kalibrierung von Modellen zur Überflutungssimulation aufgrund der oftmals fehlenden „Messdaten“ zum realen Überflutungsgeschehen stark begrenzt. Aufgrund fehlender konkreter Vorgaben und
Empfehlungen zur Anwendung der Methode bzw. zur Modellkonfiguration ist die Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen und Gefährdungsaussagen derzeit nicht gegeben.
Die Ziele der vorliegenden Arbeit sind die Identifizierung und Quantifizierung von Einflussgrößen und die Erarbeitung entsprechender Anwendungsempfehlungen zur Erhöhung der Vergleichbarkeit beim Einsatz bi-direktional gekoppelter 1D/2DAbflussmodelle zur überflutungsbezogenen Gefährdungsanalyse.
Für zwei Modellgebiete, die sich hinsichtlich relevanter Gebietseigenschaften stark unterscheiden, wurden bi-direktional gekoppelte 1D/2D-Abflussmodelle mit einer Referenzkonfiguration erstellt und mithilfe von Daten zu historischen Überflutungsereignissen bestmöglich plausibilisiert. Im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse an den beiden Referenzmodellen wurde eine große Zahl an Zusammenhängen und Auswirkungen durch Auslenkung relevanter Einflussgrößen identifiziert und quantifiziert. Um eine anwendungsbezogene Einschätzung zu gewährleisten wurden
Vergleichsindikatoren entwickelt, die nicht nur die Berücksichtigung berechneter Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten, sondern auch eine Bewertung der Einflussgrößen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Gefährdungsaussage ermöglichen.
Anhand der Ergebnisse wurden gebietsspezifische Anwendungsempfehlungen für den Einsatz bi-direktional gekoppelter 1D/2D-Abflussberechnungen zur Gefährdungsanalyse abgeleitet. Die erarbeiteten Anwendungsempfehlungen tragen zu einer Erhöhung der Vergleichbarkeit künftiger Analysen der ortsbezogenen Überflutungsgefährdung bei. Die entwickelte Untersuchungsmethodik kann bei künftigen Ergänzungen oder Konkretisierungen der Anwendungsempfehlungen, z.B. anhand der Untersuchung weiterer Modellgebiete oder neuer Einflussgrößen, eingesetzt werden.
Nowadays, the increasing demand for ever more customizable products has emphasized the need for more flexible and fast-changing manufacturing systems. In this environment, simulation has become a strategic tool for the design, development, and implementation of such systems. Simulation represents a relatively low-cost and risk-free alternative for testing the impact and effectiveness of changes in different aspects of manufacturing systems.
Systems that deal with this kind of data for its use in decision making processes are known as Simulation-Based Decision Support Systems (SB-DSS). Although most SB-DSS provide a powerful variety of tools for the automatic and semi-automatic analysis of simulations, visual and interactive alternatives for the manual exploration of the results are still open to further development.
The work in this dissertation is focused on enhancing decision makers’ analysis capabilities by making simulation data more accessible through the incorporation of visualization and analysis techniques. To demonstrate how this goal can be achieved, two systems were developed. The first system, viPhos – standing for visualization of Phos: Greek for light –, is a system that supports lighting design in factory layout planning. viPhos combines simulation, analysis, and visualization tools and techniques to facilitate the global and local (overall factory or single workstations, respectively) interactive exploration and comparison of lighting design alternatives.
The second system, STRAD - standing for Spatio-Temporal Radar -, is a web-based systems that considers the spatio/attribute-temporal analysis of event data. Since decision making processes in manufacturing also involve the monitoring of the systems over time, STRAD enables the multilevel exploration of event data (e.g., simulated or historical registers of the status of machines or results of quality control processes).
A set of four case studies and one proof of concept prepared for both systems demonstrate the suitability of the visualization and analysis strategies adopted for supporting decision making processes in diverse application domains. The results of these case studies indicate that both, the systems as well as the techniques included in the systems can be generalized and extended to support the analysis of different tasks and scenarios.
In der aktuellen technologischen Entwicklung spielen verteilte eingebettete Echtzeitsysteme eine immer zentralere Rolle und werden zunehmend zum Träger von Innovationen. Durch den hiermit verbundenen steigenden Funktionsumfang der verteilten Echtzeitsysteme und deren zunehmenden Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungsgebieten stellt die Entwicklung solcher Systeme eine immer größere Herausforderung dar. Hierbei handelt es sich einerseits um Herausforderungen bezogen auf die Kommunikation hinsichtlich Echtzeitfähigkeit und effizienter Bandbreitennutzung, andererseits werden geeignete Methoden benötigt, um den Entwicklungsprozess solcher komplexen Systeme durch Tests und Evaluationen zu unterstützen und zu begleiten. Die hier vorgestellte Arbeit adressiert diese beiden Aspekte und ist entsprechend in zwei Teile untergliedert.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Kommunikationslösungen, um den gestiegenen Kommunikationsanforderungen begegnen zu können. So erfordert die Nutzung verteilter Echtzeitsysteme im Kontext sicherheitsrelevanter Aufgaben den Einsatz zeitgetriggerter Kommunikationssysteme, die in der Lage sind, deterministische Garantien bezüglich der Echtzeitfähigkeit zu gewähren. Diese klassischen auf exklusiven Reservierungen basierenden Ansätze sind jedoch gerade bei (seltenen) sporadischen Nachrichten sehr ineffizient in Bezug auf die Nutzung der Bandbreite.
Das in dieser Arbeit verwendete Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling (modusbasierte Kommunikation) ist ein Verfahren zur Verbesserung der Bandbreitennutzung zeitgetriggerter Kommunikation, bei gleichzeitiger Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit. Um dies zu ermöglichen, erlaubt Mode-Based Scheduling einen kontrollierten, slotbasierten Wettbewerb, welcher durch eine schnelle Modussignalisierung (Fast Mode-Signaling) aufgelöst wird. Im Zuge dieser Arbeit werden verschiedene robuste, zuverlässige und vor allem deterministische Realisierungen von Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling auf Basis existierender drahtgebundener Kommunikationsprotokolle (TTCAN und FlexRay) vorgestellt sowie Konzepte präsentiert, welche eine einfache Integration in weitere Kommunikationstechnologien (wie drahtlose Ad-Hoc-Netze) ermöglichen.
Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich nicht nur auf Kommunikationsaspekte, sondern stellt einen Ansatz vor, den Entwicklungsprozess verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme durch kontinuierliche Tests und Evaluationen in allen Entwicklungsphasen zu unterstützen und zu begleiten. Das im Kontext des Innovationszentrums für Applied Systems Modeling mitentwickelte und erweiterte FERAL (ein Framework für die Kopplung spezialisierter Simulatoren) bietet eine ideale Ausgangsbasis für das Virtual Prototyping komplexer verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme und ermöglicht Tests und Evaluationen der Systeme in einer realistisch simulierten Umgebung. Die entwickelten Simulatoren für aktuelle Kommunikationstechnologien ermöglichen hierbei realistische Simulationen der Interaktionen innerhalb des verteilten Systems. Durch die Unterstützung von Simulationssystemen mit Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsstufen kann FERAL in allen Entwicklungsphasen eingesetzt werden. Anhand einer Fallstudie wird gezeigt, wie FERAL verwendet werden kann, um ein Simulationssystem zusammen mit den zu realisierenden Komponenten schrittweise zu verfeinern. Auf diese Weise steht während jeder Entwicklungsphase ein ausführbares Simulationssystem für Tests zur Verfügung. Die entwickelten Konzepte und Simulatoren für FERAL ermöglichen es, Designalternativen zu evaluieren und die Wahl einer Kommunikationstechnologie durch die Ergebnisse von Simulationen zu stützen.
Basierend auf eigenen Fließ- und Füllversuchsreihen und vergleichenden 2D- und 3D-Simulationen wurde ein Verfahren zur numerischen Simulation des Fließ- und Füllverhaltens von zementgebundenen Feinkornsystemen mit und ohne Stahlfasern entwickelt bzw. weiterentwickelt. Das stark zeit- und scherratenabhängige rheologische Verhalten dieser Feinkornsysteme wurde mit einem Rotationsrheometer anhand speziell entwickelter Messprofile untersucht und mittels eines geeigneten Modells abgebildet. Im Rahmen von Parameterstudien und Vergleichen der experimentellen Ergebnisse der durchgeführten Haegermann- und L-Box-Versuche mit denen der Simulation wurden Simulationsparameter und -modelle angepasst und validiert. Das Fließ- und Füllverhalten der untersuchten Feinkornsysteme konnte dadurch mit der verwendeten Software-Plattform „Complex Rheology Solver“ (CoRheoS) zufriedenstellend beschrieben werden. Darüber hinaus wurde die Orientierung von Stahlfasern mithilfe einer bi-direktionalen Kopplung der Gleichungen für das Fließverhalten der Feinkornsysteme mit denen für die Faserorientierung qualitativ gut wiedergegeben.
Angesichts des anhaltenden demografischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Wandels steht die Stadtplanung großen Herausforderungen gegenüber. Insbesondere die Reaktivierung und Revitalisierung der innerstädtischen Bereiche als den räumlichen, funk-tionalen und emotionalen Zentren der Städte bilden hierbei ein wesentliches Handlungsfeld. Neben den Auswirkungen auf den gesamten Planungsprozess beeinflussen die daraus resultierenden Handlungserfordernisse insbesondere den stadtplanerischen Entwurf im Sinne der Organisation räumlicher Strukturen und ihrer Wechselwirkungen. Aufgrund der hohen Komplexität der zu bewältigenden Aufgaben beim Entwerfen im innerstädtischen Kontext kommt hierbei den informationstechnischen Möglichkeiten der I&K-Technologien in Form von Visualisierungen und Simulationen große Bedeutung zu.
Vor dem Hintergrund der Herausforderungen des Entwerfens im innerstädtischen Kontext liegt das Ziel der Arbeit in der Erarbeitung von Ansätzen zur Qualifizierung des stadtpla-nerischen Entwurfsprozesses durch computerbasierte Visualisierungen und Simulationen. Hierbei gilt es zunächst, die gegebenen Rahmenbedingungen und Entwicklungstendenzen in den Innenstädten hinsichtlich der daraus resultierenden Handlungserfordernisse für das stadtplanerische Handeln zu untersuchen. Besagte Erfordernisse umfassen beispielsweise die Stärkung der Innenstädte als Wohnstandort, als Zentren des Handels, der Dienstleistung und der Kultur sowie als Bereiche hoher Dichte und Nutzungsmischung. Gleichzeitig gilt es, den Forderungen der integrierten Innenstadtentwicklung gerecht zu werden, in deren Rahmen ein tragfähiger stadtplanerischer Entwurf, unter Berücksichti-gung ganzheitlicher Strategien, zum raumverträglichen und zukunftsfähigen Ausgleich der unterschiedlichen Ansprüche und Interessen beitragen muss.
Bezogen auf die Möglichkeiten zur Unterstützung und Qualifizierung des Entwurfsprozes-ses durch Visualisierung raumbezogener Informationen und möglicher Entwicklungszu-stände steht neben der Analyse bestehender Techniken und Anwendungen die Ausei-nandersetzung mit einer Vielzahl technischer Neuerungen im Fokus. Diese technischen Neuerungen zeigen sich insbesondere in den Bereichen der GI-Systeme, der 3D-Stadtmodelle, der sog. ‚Neogeografie’ sowie der ‚Augmented Reality’ und ‚Virtual Reality’. Im Rahmen der Notwendigkeit zur Simulation dynamischer urbaner Prozesse bildet die Suche nach flexiblen, modular erweiterbaren Simulationsarchitekturen sowie die Möglich-keiten zur Simulation räumlicher und gesellschaftlicher Prozesse mittels automatenbasier-ter Modelle den Schwerpunkt.
Zusammenfassend erfordert der effektive und ökonomische Einsatz von Anwendungen der Visualisierung und Simulation die enge Verknüpfung und Abstimmung der gegebenen Einsatzmöglichkeiten mit den inhaltlichen und methodischen Anforderungen des stadtpla-nerischen Entwurfs.
Im Ergebnis werden zwei Ebenen zur Qualifizierung des innerstädtischen Entwurfspro-zesses durch Techniken und Anwendungen der Visualisierung und Simulation identifiziert und daraus Ansätze für neue Entwurfstools abgeleitet. Die erste Ebene beinhaltet die me-thodisch-inhaltliche Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten zur Verknüpfung von Vi-sualisierungen und Simulationen mit den jeweiligen Stufen des stadtplanerischen Ent-wurfsprozesses sowie den dort zu leistenden Aufgaben. Die zweite Ebene bildet schließlich die Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten zur zielgerichteten Weiterentwicklung und/ oder Synthese bestehender Techniken und Anwendungen.
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.
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.
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.
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.
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.
