University of Siegen

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End date: 2009Subject: search.filters.subject.620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Search Results

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    PublicationAccess status: Open Access ,
    Mörtel für die Erhaltung historischer Kalkputze : Haftmörtel, Hinterfüllmörtel und Kalkputze
    (1997)
    Böttger, Karl Georg
    Im Rahmen der Dissertation wurde ein Mörtelsystem für die Restaurierung historischer Kalkputze entwickelt. Die Literaturübersicht dieser Dissertation befaßt sich mit Ursachen für Schäden an Putzen, dabei wird ausführlich auf herstellungsbedingte Fehler eingegangen und chemische, physikalische und mikrobiologische Gründe für die Entstehung von Putzschäden behandelt. Ausführlich werden mögliche Schäden durch ungeeignete Restaurierungsmörtel behandelt, die z. B. Alkalisalze eintragen, aber auch Ettringit- und Thaumasitbildung durch Reaktionen mit Sulfaten in historischen Mörtel verursachen können. Ein bedeutender Teil der Dissertation widmet sich der Untersuchung von historischen Putzen der Torhalle in Lorsch, der Einhardbasilika in Steinbach, des Magdeburger Domes und des ehemaligen Zisterzienserklosters Heydau in Morschen. Die Eigenschaften dieser Putze werden umfangreich nicht nur hinsichtlich ihrer Mörtelzusammensetzung und ihrer mechanischen Eigenschaften, sondern auch ihrer hygrischen Eigenschaften (Wasseraufnahme, Wasserabgabe, Wasserdampf-Diffusionswiderstand), ihrer Porenstruktur und Phasenausbildung geprüft. Die gewonnenen Daten dienten zur Definition von Anforderungsprofilen für Restaurierungsmörtel, die zum einen den historischen Bestand sichern (Haftmörtel, Hinterfüllmörtel), zum anderen als Ersatzmörtel bei Fehlstellen dienen (Kalkputze) sollen. Die verschiedenen Mörtel sollen die folgenden Aufgaben bei einer Restaurierung übernehmen: - Haftmörtel sollen vor der Verfüllung hohlliegender Putzbereiche zu deren Randsicherung und zum Wiederbefestigen lockerer Putzschollen dienen und mechanisch wieder leicht entfernbar sein, ohne die Altsubstanz zu schädigen. - Hinterfüllmörtel dienen zum Verfüllen hohlliegender Putzpartien, die im Anschluß an die Maßnahme wieder einen ausreichenden und dauerhaften Verbund mit dem Untergrund aufweisen sollen. Sie können drucklos mit Spritzen eingebracht werden und müssen ein gutes Penetrationsvermögen aufweisen, damit alle Hohlräume sicher gefüllt werden. - Kalkputze entweder auf Basis von Sandkalk (mit feuchtem Sand trocken gelöschter Branntstückkalk) oder auf Basis handelsüblichen Weißkalkhydrates (WKH) sollen, möglichst exakt den historischen Vorbildern nachgestellt, als Ersatz für abgängigen historischen Putz eingesetzt werden.
    Source Type:Book
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    PublicationAccess status: Open Access ,
    Ultra-wideband based communications and localization in wireless sensor networks
    (2008)
    Tchere, Gustave Franck
    The key motivations for using ultra-wideband (UWB) communication systems are their capability for providing high capacity wireless communications, as well as the availability of technology to implement and generate UWB signals with relatively low complexity. Non-coherent receivers with no channel estimation have been proposed to make the UWB technology attractive for applications where low cost and low power consumption are playing an important role, as in the case of wireless sensor networks (WSNs). Transmitted Reference (TR) signaling, in combination with an autocorrelation receiver (AcR) is especially suitable in this context. The large bandwidth of UWB technology does not only provide the possibility to transmit at a very high data rate, but also provides very accurate temporal and spatial information that can be used for precise timing offset estimation. UWB Impulse Radio (IR) uses sub-nanosecond pulses which provide a high resolution capability in the time domain, making it attractive for accurate wireless localization. Indeed, its ability to resolve multipath components makes it possible to obtain accurate location estimates without the need for complex estimation algorithms. This facilitates many applications such as location-aware sensor networking. This thesis presents several contributions towards developing UWB technology for short-range low to medium data rate WSN applications. First, different low complexity TR-UWB receivers are thoroughly analyzed, using the Gaussian approximation on the noise terms in the receiver statistics, and then using the equivalent system and noise models of these receivers. Both approaches lead to the bit error performance analysis, which is also presented in this thesis. The TR-UWB systems were modelled as polynomial nonlinear systems. Since the statistics of the radio channel are used in the system modelling as well as in the performance analysis, appropriate channel models for UWB impulse radio systems are discussed in this thesis. Further, synchronization issues are addressed. To this end, a novel data-aided timing acquisition technique for frame-level synchronization of DTR-UWB systems is suggested. It is based on incorporating parallel integration-and-dump circuits within pulse-pair correlator branches to improve considerably the energy capture in the presence of timing offset. Moreover, a simple algorithm for fine synchronization of low complexity TR-UWB systems,assuming no inter-symbol interference, is proposed. It uses energy collected at the symbol rate, thus reducing considerably the implementation complexity. If the hardware clock timing error is known, timing offset estimation problems are analogical to ranging problems,and the proposed algorithm can readily be used as a new distance measurement technique. It is shown, in this thesis, that the proposed ranging approach allows localization accuracy in the centimeter range using TR-UWB systems with data rates up to 5 Mb/s.
    Source Type:Doctoral Thesis
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    PublicationAccess status: Open Access ,
    Second moment modelling for the numerical simulation of passive scalar dispersion of air pollutants in urban environments
    (2009)
    Izarra Garcia, Rafael
    Since the Industrial Revolution mankind has needed to deal with increasing air pollution problems as a result of manufacturing, mining, transportation, and power production. Air pollution concerns the interaction of gases and particles emitted into the atmosphere with the surrounding environment. This interaction can redirect pollutants toward sensitive areas, concentrate different species above acceptable levels, or even mitigate concentration levels by enhancing diffusion and dispersion. The present EU environmental legislation has been implemented to control these high pollutant concentrations and improve the air quality conditions in urban areas. The numerical simulation of dispersion has shown to be a useful tool for both the scientific description of pollution phenomena and for planning and decision making. The numerical simulation of pollution dispersion in urban environments by means of solution of the statistically steady Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) equations is known to be strongly dependent on turbulence models. If pollution dispersion is modelled, the turbulence models do not only have to be used for the Reynolds stresses, but also for the turbulent scalar fluxes. While the influence of several turbulence models for Reynolds stresses on pollution dispersion in urban environments has already been examined several times, the turbulent scalar fluxes are usually modelled by the simple gradient diffusion assumption. In the present work, the influence of more advanced models for the turbulent scalar fluxes on the dispersion of pollutants is examined. Two different wind tunnel experiments, a two-dimensional (2D) street canyon and a three-dimensional (3D) urban area model, were selected for the validation of the models' performance. In total, five anisotropic algebraic flux models and two second moment models were implemented in the commercial software FLUENT 6.3. All these models together with the simple gradient diffusion model (with different turbulent Schmidt numbers) are used and the results are compared with measurements using statistical performance measures to assess their predictive capability. All evaluated models showed good general agreement in comparison to the experiments. The anisotropic models provided better concentration predictions than the isotropic models in 2D simulations. However, these improvements were very small in 3D simulations and usually disappeared. In the end, modelling improvements based on the sensitivity analysis of model coefficients, numerical and experimental model limitations and other parameters and assumptions relevant for the simulation of passive scalar pollution dispersion are presented and discussed.
    Source Type:Doctoral Thesis
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    PublicationAccess status: Open Access ,
    Integrative Auswertung von Multi-Omics-Daten aus dem Zentralstoffwechsel von Corynebacterium glutamicum
    (2009)
    Noack, Stephan
    Eine wesentliche Zielsetzung im Bereich der Systembiologie besteht in der Untersuchung der regulatorischen Prozesse einer Zelle unter Berücksichtigung der Hierarchie-Ebenen Genom, Transkriptom, Proteom, Metabolom und Fluxom. Aufgrund der rasch fortschreitenden Entwicklung experimenteller und analytischer Technologien ist es möglich, die hierfür benötigten quantitativen Multi-Omics-Daten bereitzustellen. Den ersten Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Untersuchung zweier verschiedener Ansätze zur 13C-Stoffflussanalyse. Hierbei wird der Organismus C. glutamicum erstmalig im Rahmen eines isotopisch instationären Markierungsexperiments im Fed-Batch-Ansatz untersucht. Auf diese Weise werden sowohl isotopisch transiente als auch stationäre Markierungsanreicherungen von Zentralstoffwechselmetaboliten erzeugt. Die somit generierten Rohdaten werden auf der Basis von isotopisch stationären und instationären Modellierungsansätzen unter Verwendung verschiedener Netzwerk- und Messkonfigurationen ausgewertet. Eine anschließende Verifizierung und Interpretation der erhaltenen quantitativen Stoffflussdaten erfolgt auf Grundlage von Flussbilanzanalysen in einem weiterentwickelten genomweiten Stofffwechselmodell für C. glutamicum. Die modellgestützte Auswertung von Multi-Omics-Daten bildet den zweiten Schwerpunkt innerhalb dieser Arbeit. Dabei wird ein neuartiges Modellierungskonzept entwickelt, welches auf einem vertikalen mechanistischen Netzwerkansatz basiert. Dieser ist entlang der Regulationsebenen einer Zelle (Genom, Proteom, Metabolom) formuliert. Mit der Fokussierung auf den Zitratzyklus und der Anaplerose von C. glutamicum kann unter Einbezug des aktuellen Wissensstandes dieses Stoffwechselweges insbesondere auf metabolischer Ebene ein detailliertes Regulationsnetzwerk aufgebaut werden. Die Implementierung des vertikalen Netzwerkmodells erfolgt mit Hilfe der Modellierungssprache Modelica. Zu diesem Zweck wird eine geeignete Komponentenbibliothek entwickelt, mit deren Hilfe biochemische Netzwerke unter Nutzung der Objektorientiertheit dieser Sprache modelliert werden können. Die im Zuge kontinuierlicher Kultivierungen bereitgestellten umfassenden quantitativen Multi-Omics-Datensätze bilden schließlich die Grundlage zur Validierung des vertikalen Netzwerkmodells.
    Source Type:Doctoral Thesis
      485  203
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    PublicationAccess status: Open Access ,
    Diagnose von Leistungstransformatoren durch Rückkehrspannungs- und Teilentladungsmessungen - Neue Methoden zur Auswertung der Messdaten
    (2009)
    Menzel, Johannes
    With the increase of required lifetime of power transformers, diagnostics become more and more important to monitor the condition of the insulation system. There are numerous methods existing for the analysis of different components or parts of the insulation and their electrical and chemical properties. The results of all these methods together should give a complete overview of the condition of the sample. This thesis presents new approaches in measurement data evaluation for two diagnostic methods, the Return Voltage Measurement (RVM) - also known as Recovery Voltage Measurement - and the Partial Discharge (PD) Measurement in the insulating oil. The Return Voltage Measurement is an integral method that is influenced by both the solid and the liquid component of the insulation. In contrast to this, the PD Measurement in transformer oil basically reveals information about the condition of the liquid component. Especially the Return Voltage Measurement is often criticized as not being suitable for transformer diagnostics due to a lack of useful evaluation methods. Most methods that have been known for many years - i.e. especially the Polarisation Spectrum as the most well-known one - do not take the physically relevant processes inside a multi-layer insulation into account and thus give insufficient or even wrong interpretation of the data. The basic mechanism in oil-cellulose insulation systems is the boundary polarization which is the only polarization mechanism - maybe only except charge carrier trapping or space charge processes - that can produce time constants in the range of up to several hundreds of seconds. For the description of boundary polarization processes in a two-component system, the Maxwell equivalent circuit can be used. For this equivalent circuit it is possible to calculate all relevant parameters analytically, even with an additional resistance - e.g. the finite input resistance of the measuring equipment - and capacitance in parallel. The goal of this work is to show that an evaluation of RVM data according to the Maxwell equivalent circuit may reveal additional information about the condition of the insulation - especially that of the cellulose component - that cannot be gained by interpretation based on the commonly used formal equivalent circuit. For the analysis of the condition of the liquid component of the insulation - i.e. in this case the transformer oil - different methods exist that in many cases are relatively intricate and expensive. The simpler methods like e.g. the electric breakdown strength testing often do not reveal much information about the actual overall condition of the oil. The present work compares the partial discharge behavior of transformer oils in different conditions and with different histories of ageing in order to find correlations to the presence of certain degradation products that do not necessarily directly affect the electrical strength of the oil - and that consequently cannot be detected by simple dielectric strength measurements, e.g. a breakdown test - but that may reveal information about the overall condition of the insulation system. Usually those substances can only be detected e.g. by gas chromatography or similar procedures. The basic idea behind the experiments was to find at least a qualitative influence of these substances on partial discharge parameters. In some cases the results could be compared to the results of standard analyses like the Dissolved Gas Analysis. The influence of the concentration of water in the oil was evaluated as well. The partial discharge measurements were performed using a low frequency wide-band band pass filter system as detector. For the evaluation of the partial discharge data, recently developed methods were applied that mainly analyze the shape of the signals generated by the partial discharge detector (Pulse Shape Analysis). The shape of these impulse responses is influenced by short-time sequences of partial discharge events in the range of a few microseconds. The final goal of the experiments was to find methods that allow a quick (maybe even on-line) low-cost analysis that allows a relatively prompt reaction to critical states of the insulation system. The low cost aspect is particularly interesting for smaller and/or less important equipment, where other on-line monitoring methods would be too costly and consequently are usually not applied. The intention is not to replace the standard methods like e.g. the DGA, but rather as a complementary pre-analysis that - in case of the detection of a critical condition - may lead to a warning and subsequently to a further analysis using standard methods.
    Source Type:Doctoral Thesis
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    PublicationAccess status: Open Access ,
    Watershed hydrological responses to changes in land use and land cover, and management practices at Hare watershed, Ethiopia
    (2009)
    Mengistu, Kassa Tadele
    This study investigates hydrological responses to changes in land use, land cover and management practices at Hare River watershed, Southern Rift Valley Lakes Basin, Ethiopia. It addresses methods that are required to better characterize impacts of land use and cover and climate change scenarios and understand the upstream-downstream linkages with respect to irrigation water allocation. Understanding how the changes in land use and cover influence streamflow and subsequently optimization of available water resources utilization can enhance the ability of planners, practitioners, researchers and farmers to formulate and implement sound policies to minimize undesirable future impacts and devise management alternatives. Three land use and cover maps were developed using aerial photographs and satellite image through visual interpretation of the aerial photographs and supervised classification of the satellite image. The rates of land use and land cover changes were identified for two periods at watershed and sub-watershed levels. Two physical-based, semi-distributed hydrological models, SWAT2005/ArcSWAT and HSPF, were utilized to simulate hydrological responses to land use and climatic changes. Streamflow data at the outlet of the watershed was utilized to analyze seasonal stream flow variability due to land use and land cover changes. The performances of the models have been evaluated through sensitivity analysis, calibration, validation and uncertainty analysis. Consequently, impacts of hypothetical land use and climate change scenarios were developed to analyze their impacts on downstream water users. Eventually, based on the results these scenario analyses a new optimal irrigation water allocation tool was developed to allocate available water resources among competing irrigation sites. The results of the land use and land cover change analysis identified that farmlands and settlements class has expanded during the past four decades. Detailed impacts of these changes were analyzed employing the SWAT2005. Sensitivity analysis using the SWAT2005 model has pointed out some crucial parameters that control the surface and subsurface hydrological processes of the studied watershed. Consequently, results of the models performances assessment illustrated that both SWAT2005 and HSPF have resulted acceptable outputs with some efforts of acquiring data in areas where there is limited available data. However, the SWAT2005 model performs slightly better than HSPF for monthly and seasonal streamflow analysis. As a result, streamflow variability during the dry and wet seasons was further analysed using this model based on pre-identified scenarios. Furthermore, uncertainty analyses were performed and discussed using ParaSol, SUNGLASSES, SUFI-2 and GLUE methods. On the other hand, results from the climate change scenario analysis using GCM for the period of 2010-2099 showed that an increase in future average annual precipitation and average temperature when compared to the baseline period. Similarly, analysis made on intervention of small scale irrigation in the upper and middle reach of the watershed resulted in substantial decrease in mean monthly discharge during the dry season, while increased discharge during the wet season. Consequently, an optimal tool was developed to allocate scarce water resources among three upstream and downstream demand sites with a prime objective of achieving equitable resources utilization while maintaining acceptable economic efficiency and environmental sustainability. The analysis revealed that a substantial volume of water can be saved through deficit irrigation principles. It is also noted that, in the face of intense competition among irrigation water users where there is a significant water shortage throughout a watershed, equitable and efficient utilization of water resources has always remained a social goal. The developed tool can be used in other watersheds too by decision makers and planners where there exist irrigation water allocation problems between competing upstream and downstream irrigation sites. However, it needs simulation outputs from SWAT2005 and needs to specify the exact sub-watersheds where the irrigation sites are located. In order to utilize outputs from other models, the tool needs some modification in the algorithm (visual basic) specifically on the declaration of the input files. Generally, the results highlighted that use of an integrated simulation-optimization approach has a paramount importance to investigate impacts of land use and cover and climate change on hydrological regime and consequently allocate limited available water resource in an equitable manner among competing sites.
    Source Type:Doctoral Thesis
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    PublicationAccess status: Open Access ,
    Modulare Simulation komplexer SAR-Szenarien: Signalgenerierung, Positionsschätzung und Missionsplanung
    (2009)
    Kalkuhl, Marc
    Die vorliegende Arbeit entstand an der Universität Siegen im Rahmen des von der DFG unter dem Förderkennzeichen WI1705/9-1 geförderten Gemeinschaftsprojekts Bistatic Exploration, das in Zusammenarbeit des ZESS (Zentrum für Sensorsysteme), FOMAAS (Forschungszentrum für Multidisziplinäre Analysen und Angewandte Systemoptimierung) und der FGAN-FHR Wachtberg (Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften - Forschungsinstitut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik) durchgeführt wird. Dieses Projekt hat zum Ziel, neue grundlegende Verfahren und Methoden für die Radarfernerkundung mit bistatischen SAR-Techniken (Synthetic Aperture Radar - Radar mit synthetischer Apertur) zu entwickeln. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung eines modularen, universell einsetzbaren SAR-Simulators zur Unterstützung der am Projekt beteiligten Forschergruppen, die sich u.a. mit der Entwicklung von neuen Algorithmen und Ansätzen zur Prozessierung bi- und multistatischer Rohdaten befassen. Dabei soll der Simulator synthetisch generierte SAR- und Sensordaten von komplexen mono-, bi- und multistatischen SAR-Konstellationen zum Test der neu entwickelten Ansätze und Algorithmen liefern sowie die für die Beurteilung dieser Konstellationen benötigten Daten bereitstellen. Im Vergleich zu bisher verfügbaren SAR-Simulatoren, bei denen oft nur ebene Geometrien und lineare Flugpfade berücksichtigt werden, soll er SAR-Konstellationen unter realitätsnahen Bedingungen simulieren, wobei reale, gekrümmte Bewegungstrajektorien sowie ein digitales Höhenmodell der Erde als Reflektionsoberfläche verwendet werden. Das Grundkonzept des Simulators besteht in der Bereitstellung eines möglichst frei konfigurierbaren Werkzeugs, das dem Anwender größtmögliche Flexibilität zur Umsetzung und Simulation von komplexen SAR-Konstellationen bietet. Dazu wurde zunächst ein modulares Baukastenkonzept entwickelt, das die Basiselemente typischer SAR-Missionen bereitstellt. Durch entsprechende Kombination dieser Baukastenelemente kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Konstellationen erzeugt werden. Um den Simulator flexibel verwenden zu können, wurde ein Frameworkkonzept entwickelt, das modular aus verschiedenen Programmkomponenten aufgebaut ist und alle zur SAR-Simulation benötigten Funktionalitäten bereitstellt. Dabei sind die einzelnen Komponenten autark und können in unterschiedlichen Kombinationen für unterschiedliche Aufgaben genutzt werden. Das Framework selbst besitzt bewusst keine eigene Logik zur Steuerung der Simulation. Diese Aufgabe übernimmt ein eigenständiges Steuerwerk, das die einzelnen Funktionalitäten für unterschiedliche Aufgabenstellungen in logischer Weise verwendet. Neben der Nutzung exemplarisch implementierter Anwendungen hat der Benutzer die Möglichkeit, das Steuerwerk durch eigene Implementierungen um speziell benötigte Funktionalitäten selber zu erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ein Modell zur Berechnung von hochgenauen Satellitentrajektorien sowie ein Positionsschätzer auf Basis eines Kalman-Filters zur Fusion von simulierten und gemessenen Positionsdaten im Rechen- und Steuerwerk implementiert. Zusätzlich konnte ein grundlegendes Modul zur Missionsplanung und -optimierung zum Design neuer SAR-Missionen entwickelt und umgesetzt werden. Die Signalübertragung wird mittels eines phänomenologischen Modellierungsansatzes umgesetzt, bei dem sie als mechanisch-geometrisches System abgebildet wird. Hierdurch kann die Verwendung eines sehr komplexen mathematischen und physikalischen Modells zur Abbildung von elektromagnetischen Wellen vermieden werden. Der geometrische Ansatz eignet sich ebenfalls für die Modellierung aller weiteren benötigten Sensoren zur Bereitstellung der erforderlichen Sensordaten. Aufgrund sehr langer Simulationszeiten wurde die sehr rechenzeitintensive Rohdatengenerierung auf einem Rechencluster parallelisiert. Dazu sind unterschiedliche Ansätze zur parallelen Generierung von Rohdaten entwickelt und implementiert worden, mit denen ein großer Speedup in der Simulation erreicht werden konnte. Der neu entwickelte Simulator bildet die Basis für weiterführende Entwicklungen im Bereich der SAR-Simulation und bietet Potential für zusätzliche wissenschaftliche Untersuchungen.
    Source Type:Doctoral Thesis
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    PublicationAccess status: Open Access ,
    Energy consistent time-integration of hybrid multibody systems
    (2009)
    Uhlar, Stefan
    In the present contribution we address the design of energy-consistent time stepping schemes for hybrid multibody systems, which consist of rigid and flexible parts. First focusing on rigid body dynamics, we will present a specific rotationless formulation to describe rigid body rotations. This kinematics alleviates the design of energy-consistent integration schemes which facilitate a stable numerical integration of the corresponding set of differential algebraic equations. Furthermore we will mainly focus on vital modeling features concerning rigid bodies. In this connection we present the coordinate augmentation technique, the design of explicit null space matrices for closed loop systems, the incorporation of control constraints, the modeling of dissipation and its consistent time integration, the incorporation of kinematic constraints as well as the coupling of flexible and rigid structures. The performance of the final hybrid scheme will be demonstrated with an example incorporating all modeling features listed above.
    Source Type:Doctoral Thesis
    Series:Schriftenreihe des Lehrstuhls für Numerische Mechanik
    Volume number:3
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    PublicationAccess status: Open Access ,
    Zylinderdruckbasierte Füllungserfassung für Verbrennungsmotoren
    (2009)
    Klein, Philipp
    In dieser Arbeit wird ein Modell entwickelt, mit welchem die angesaugte Frischluftmasse und die Abgasrückführrate (AGR-Rate) anhand des Zylinderdrucksignals berechnet werden. Zunächst befasst sich Kapitel 2 mit den benötigten Grundlagen für das Verständnis dieser Arbeit. Dabei werden notwendige Begriffsdefinitionen und die Beschreibung des Gesamtsystems erörtert. Da das gemessene Zylinderdrucksignal mit einem Offsetfehler behaftet ist, werden in Kapitel 3 zwei Zustandsraummodelle zur Korrektur dieses Fehlers vorgestellt. Die Berechnung des Offsetfehlers erfolgt dabei mit Hilfe eines Extended-Kalman-Filters. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren der Offsetfehlerkorrektur gehen die zwei neu entwickelten Verfahren von einem unbekannten Polytropenexponenten aus. Beim ersten Modell zur Bestimmung von Offsetfehler und Polytropenexponenten, Abschnitt 3.2.1, wird ein Gauß-Markov-Modell für den Polytropenexponenten angenommen. Dieses Modell für den Polytropenexponenten wird in Abschnitt 3.2.2 um einen Markov-Prozess zweiter Ordnung erweitert. Das Extended-Kalman-Filter, welches diesen Markov-2-Prozess nutzt, zeigt deutliche Vorteile in der Genauigkeit der Schätzung im Vergleich zu bestehenden Verfahren. Ein Vergleich erfolgt anhand von umfangreichen Prüfstandsmessungen. Das vom Offsetfehler korrigierte Zylinderdrucksignal wird in den Kapiteln 4 und 5 zur Bestimmung von Abgasrückführrate und Gesamtmasse im Zylinder benutzt. Der Polytropenexponent wird für die im Abschnitt 2.5.5 beschriebene Schätzung des Heizverlaufs benötigt. Das Kapitel 4 beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Abgasrückführung auf den Heizverlauf. Es stellten sich 3 Merkmale des Heizverlaufes heraus, die eine besonders gute Abhängigkeit mit der AGR-Rate zeigen: · der Brennverzug · die Rate der Vormischverbrennung · die Rate der Diffusionsverbrennung Mit Hilfe der gefundenen Merkmale und gemessener AGR-Variationen erfolgte die empirische Beschreibung eines Zustandsraummodells. Das so entstehende Beobachtungsproblem wird anschließend mit einem Extended-Kalman-Filter gelöst. Mit der gezeigten Methodik ist es möglich, im stationären Betrieb die Abgasrückführrate mit einer absoluten Abweichung von 4 % gegenüber der in Anhang B.2 beschriebenen Referenz zu berechnen. Als nachteilig zeigt sich bei dem Verfahren allerdings, dass Streuungen von Zyklus zu Zyklus in der Schätzung der Abgasrückführrate auftreten. Ein weiterer Nachteil besteht in dem empirischen Charakter des Modells. Dadurch ist die Übertragbarkeit des Modells zu einem anders applizierten Motor schwierig. Um einen Ansatz zu erhalten, welcher möglichst unabhängig von der Applikation eines verwendeten Motors ist, wird in Kapitel 5 ein weitgehend physikalisch motivierter Ansatz gewählt, der sich hauptsächlich auf Zylinderdruckwerte vor und nach der Verbrennung stützt. In Kapitel 5 wird ein thermodynamischer Ansatz zur Bestimmung der externen Abgasrückführrate und der angesaugten Frischluftmasse auf Basis des Zylinderdrucksignals beschrieben. Es stellte sich heraus, dass es sinnvoll ist, den Brennraum bei geschlossenen Einlass- und Auslassventilen und einen zusätzlichen Teil des Luftpfades zu modellieren. Das entwickelte Modell bezieht sich somit auf Zustandsgrößen im Brennraum und auf Größen im Luftpfad. Die Modellierung der Zylinderfüllung im Brennraum erfolgte, um die externe AGR-Rate zu bestimmen. Zur Berechnung der Brennraumtemperatur und der Ansaugmasse wurde die Strecke der Abgasrückführung modelliert. Die Bestimmung der AGR-Rate und der Ansaugmasse findet in einem iterativen Algorithmus statt. Die AGR-Rate kann anhand der beschriebenen Methode mit einer absoluten Abweichung von 4 % im Vergleich zur Referenz aus Anhang B.2 berechnet werden. Dies entspricht ungefähr der Schätzgenauigkeit des empirischen Ansatzes aus Kapitel 4. Bei der Übertragung dieser Ansätze auf verschiedene Motoren zeigt die thermodynamische Methode einige Vorteile. Zudem können mit dem in Kapitel 5 beschriebenen Verfahren die AGR-Rate und zusätzlich die angesaugte Frischluftmasse im gesamten Kennfeld des verwendeten Motors bestimmt werden. Die Schätzgenauigkeit des physikalischen Ansatzes liegt im Toleranzbereich gebräuchlicher Luftmassenmesser. Die Anwendung des physikalisch basierten Modells hat ein deutliches Potenzial zur Substitution des Heißfilmluftmassenmessers. Der besondere Vorteil des Ansatzes ist – neben der geringen Rechenzeit – die gute Übertragbarkeit des Ansatzes auf verschiedene Motoren. Alle in dieser Arbeit entwickelten Verfahren konnten sowohl an stationären Prüfstandsdaten als auch im instationären Fahrzeugbetrieb auf einer Daimler-spezifischen Rapid-Prototyping-Plattform validiert werden.
    Source Type:Doctoral Thesis
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    PublicationAccess status: Open Access ,
    Untersuchungen über die Strömungsvorgänge bei rotierenden glatten Kugeln und Fußbällen
    (2008)
    Kray, Thorsten
    The interaction of spherical bodies with the flow surrounding them plays a very important role in ball aerodynamics. In soccer shots on goal and free kicks are often performed without or with little spin in order to generate a swerve from the expected trajectory, the so-called knuckling effect. A second strategy involves applying spin to the ball around an axis perpendicular to the flight direction, which generates a curved trajectory due to the Magnus force. In the present study a basic understanding of the flow phenomena observed is established. Furthermore it is pointed out where more research on sphere and ball aerodynamics is needed. Additionally it is made clear, that experimental results often vary to a great extent even if the boundary conditions are the same due to the experimental set-up. Thus, the conceptual design of the wind tunnel set-ups of the present work was to reduce the flow interference of the supporting device with the sphere or soccer ball. Investigations in the non-rotating state show that for soccer balls the critical Reynolds number range is shifted to considerably lower Reynolds numbers than for a smooth sphere. Simultaneously very high lateral forces are observed in this critical Reynolds number range. For a smooth sphere in the supercritical Reynolds number range, lateral forces are non-zero when averaged over an appropriate time interval. The reason is that the wake is inclined with respect to the flow axis. In the supercritical Reynolds number regime of a soccer ball the magnitude and direction of the lateral forces depend on the ball orientation relative to the approaching flow. The investigations in the rotating state show the following: The results obtained on a sphere driven by a shaft passed through the sphere center are influenced to a great extent by the flow interaction with the supporting device. When a rear mounted supporting device is used, the results are less affected. Aerosol visualizations and wind tunnel balance measurements show that for a rotating sphere mainly reverse Magnus effect occurs when the Reynolds number is in a range of 125.000 to 450.000 and the spin parameter is based on rotational frequencies lower than 10 [Hz]. Considerable lateral forces and lateral force fluctuations occurring simultaneously prove that the Magnus effect for a sphere in the critical Reynolds number range is three-dimensional. For a model of a soccer ball a general shift of the Reynolds number range to lower Reynolds numbers is observed. Reverse Magnus effect occurs in a Reynolds number range of 96.000 to 248.000 whereas lateral forces are low. Soccer ball trajectory simulations without spin show that lateral forces do not significantly change the flight time, but cause a scattering of the coordinates in the goal plane. The reverse Magnus effect obtained on smooth spheres leads to lateral deviations from a straight trajectory opposite to those observed for soccer balls.
    Source Type:Doctoral Thesis
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