Podcasts about konvektion

Auch Böden kann es mal zu warm oder zu kalt werden! Erfahrt in dieser Folge, wovon der Wärmehaushalt von Böden abhängt und welche Auswirkungen die Bodentemperatur auf wichtige Prozesse unter der Erdoberfläche haben kann!

In dieser Episode erfährst du, wie du aus alten Wandheizkörpern das Beste herausholen und gleichzeitig Energie und Kosten sparen kannst. Wir besprechen, wie du mit ein paar simplen Tricks und ein bisschen Fachwissen deine Heizungsanlage optimieren und dein Wohnklima verbessern kannst. Vom richtigen Freiraum für deine Heizkörper über die Bedeutung von modernen Thermostaten bis hin zur professionellen Heizlastberechnung – diese Episode ist gefüllt mit praxisnahen Ratschlägen, die deinen Geldbeutel und die Umwelt schonen. Außerdem geht es dieses Mal um folgende Fragen:- Wie können Möbel und Vorhänge die Heizleistung beeinflussen?- Warum und wie sollte man Heizkörper regelmäßig entlüften?- Welchen Unterschied machen moderne Thermostate bei der Regulierung der Heizung?- Wie kann die Fensterbank die Effizienz deiner Heizung beeinflussen?- Was ist eine Heizlastberechnung und wie kann sie dir dabei helfen, die Größe deiner Heizkörper zu optimieren? Wir wünschen dir viel Freude beim Reinhören und freuen uns auf dein Feedback zur Episode. Bis gleich im Podcast, Pascal & Rieke dein Team vom HausWissen Podcast

Die Erde hat ein Magnetfeld und wir können froh darüber sein. Aber wie schaut es bei den anderen Planeten aus? Wo es da magnetisch ist und wo nicht, erfahrt ihr in der neuen Folge der Sternengeschichten. Wer den Podcast finanziell unterstützen möchte, kann das hier tun: Mit PayPal (https://www.paypal.me/florianfreistetter), Patreon (https://www.patreon.com/sternengeschichten) oder Steady (https://steadyhq.com/sternengeschichten)

Ein Wanderweg in Japan? Nein, der Hayashi-Track ist eine Linie in einem astronomischen Diagramm. Und warum diese Linie quasi die Grenze zwischen Leben und Tod eines Sterns ist, hört ihr in der neuen Folge der Sternengeschichten. Wer den Podcast finanziell unterstützen möchte, kann das hier tun: Mit PayPal (https://www.paypal.me/florianfreistetter), Patreon (https://www.patreon.com/sternengeschichten) oder Steady (https://steadyhq.com/sternengeschichten)

In dieser Folge räumen wir ein bisschen unsere physikalischen Grundkenntnisse auf und Kirstin Schulz vom AWI hilft uns dabei. Auch sie ist Teil der MOSAiC-Expedition, um die es schon in der letzten Folge ging. Auf der Polarstern erforscht sie die Eigenheiten der Turbulenzen, denn die sind für die Physik noch ein ungelöstes Chaos, zumindest teilweise. Auch sonst klappern wir ziemlich viele Begriffe ab, die in früheren Folgen schon einmal ihren Platz gefunden haben, aber schnell wieder vergessen wurden. Wir reden über Strömungen, Konvektion, Wirbel und Vermischung. Und um die zu verstehen auch über Kaffee, Milch und was Weihnachtsmärkte mit der Tiefsee zu tun haben.

Gudrun unterhält sich in dieser Episode mit Marcel Schweiker. Marcel arbeitet in der KIT-Fakultät für Architektur im Fachgebiet Bauphysik & Technischer Ausbau. Die Gruppe schlägt in ihren Themen Brücken zum Bauingenieurwesen, dem Maschinenbau und der Psychologie. Sie interessieren sich für Lösungen im Neubau und Bestand, die langfristig hohen Nutzungskomfort mit niedriger Umwelt- und Ressourcenbelastung verbinden. Marcel hat Architektur in Kassel studiert und sich dabei mehr und mehr für die Rolle des Menschen im umbauten Raum interessiert. Deshalb hat er das Architekturstudium durch ein Ergänzungsstudium Technik-, Wirkungs- und Innovationsmanagement abgerundet. Parallel hat er noch ein Zusatzstudium Energie und Umwelt absolviert und ist zertifizierter Gebäudeenergieberater. Im Anschluss hat er sich für eine Promotion in Japan entschieden. An der Tokyo City University (Laboratory for Built Environmental Research) wurde er 2010 in Umweltinformationswissenschaften promoviert. Seitdem ist er am KIT tätig und hat sich inzwischen auch hier habilitiert. Ein schönes Anschauungsobjekt für die Themen des Gespräches ist das 2015 bezogene Kollegiengebäude Mathematik. Der erste Sommer im Haus begann nämlich schon mit dem Einzug im April 2015. Damals hatte man sich erhofft, mit den nötigen Beschattungsmaßnahmen für das Atrium noch etwas Zeit zu haben und das Gebäude bezogen, obwohl die Technik noch nicht funktionierte. In mehreren Schritten sind inzwischen die geplanten Maßnahmen für die Lüftung und Beschattung des Gebäudes im Wesentlichen in Betrieb gegangen und zeigen sich als durchaus geeignet, einen Komfort auch im Sommer zu ermöglichen. Trotzdem hat an dem sehr sonnigen Februartag des Gespräches, die niedrig stehende Sonne das Büro sehr aufgeheizt. Im Sommer sorgt die Regelung der Außenbeschattung rechtzeitig für Verdunklung - im Winter hätte Gudrun selbst vor der Mittagspause für Beschattung sorgen müssen, um das zu vermeiden. Schon sind Marcel und Gudrun mitten im Gespräch über das für und wider von Kontrolle durch zentrale Modelle oder durch die Personen im Raum. Ein Forschungsergebnis ist dass, die empfundene Kontrolle sich auf das thermische Empfinden der Personen auswirkt. Ob man ein Fenster prinzipiell öffnen kann oder nicht hat Einfluss auf thermische Zufriedenheit. Solche Experimente werden z.B. im Raumklimateststand LOBSTER der Arbeitsgruppe durchgeführt. Dort werden experimentelle Studien durchgeführt, während derer die Studienteilnehmer*innen unter unterschiedlichen Temperatur- und Lichtbedingungen arbeiten. Es werden dabei auch physiologische Reaktionen des Körpers gemessen. Der Teststand hat eine etwa 10mx10m große Grundfläche und enthält zwei Büroräume. Es ist eine Temperaturregelung über alle Wände (inkl. Decke und Boden) möglich. So ist es auch möglich, Bedingungen außerhalb der Norm zu untersuchen. Man weiß, dass sich der menschliche Körper an warme Temperaturen anpassen kann. Überhaupt ist die Wahrnehmung der Temperatur relativ und nicht absolut. Meist unbemerkt wird die Körperkerntemperatur durch Veränderung des Blutflusses vom Körperkern zur Peripherie des Körpers konstant gehalten. Zusammen mit Physiologen und Psychologen hat Marcel eine Metastudie abgeschlossen, welche Einflussgrößen zu individuellen Unterschieden in der Temperaturwahrnehmung führen. Ein Aspekt war hierbei auch, inwieweit sich das Wärmeempfinden von Frauen und Männern unterscheidet. Frauen tendieren zwar dazu sich etwas kühler zu fühlen, aber in einem Bereich von etwa 75% zeigen Frauen und Männern keinen großen Unterschied. Die Untersuchungen der Arbeitsgruppe können helfen, auch ohne aktive Kühlung Gebäude thermisch komfortabel zu gestalten. Auch für die Zukunft, wenn die Temperaturen in Deutschland weiter steigen werden. Prinzipiell sind Großraumbüros zwar schwierig für alle Nutzer gleichzeitig komfortabel thermisch zu beherrschen, gleichzeitig wird untersucht, inwieweit neueste Technik es ermöglicht eine lokale Steuerung der Temperaturen über die Stühle oder Luftauslässe am Schreibtisch zu realisieren, um den individuellen Bedürfnissen von Personen gerecht zu werden. In den Modellen, die Marcel und seine Kolleginnen benutzen, werden Gleichungen für Blutfluss vom Körperkern zur Peripherie benutzt. Außerdem wird sowohl die Strahlungswärme als auch die Konvektion vom Körper betrachtet. Sie werden in Computerprogrammen gelöst, die typischerweise auch Rückwirkungsschleifen enthalten. Zusätzlich braucht es statistische Modelle, die helfen, die experimentellen Daten zu ordnen und zu interpretieren. In naher Zukunft soll auch die Kopplung von thermischen, akustischen und visuellen Anteilen an der Gesamtzufriedenheit gleichzeitig betrachtet werden können. Literatur und weiterführende Informationen M. Schweiker e.a.: Drivers of diversity in human thermal perception – A review for holistic comfort models Temperature, 1–35, 2018. doi:10.1080/23328940.2018.1534490 M. Schweiker e.a.: comf: Functions for Thermal Comfort Research Programme, 2017. M. Schweiker & A. Wagner: The effect of occupancy on perceived control, neutral temperature, and behavioral patterns Energy and buildings 117, 246-259, 2016. doi: 10.1016/j.enbuild.2015.10.051 M. Schweiker & A. Wagner: A framework for an adaptive thermal heat balance model (ATHB) Building and environment 94, 252-262, 2015. doi: 10.1016/j.buildenv.2015.08.018 Podcasts M. Rösler, G. Thäter: Raumklima, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 143, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017.

Es ist soweit, Maxie und Ronja wagen sich endlich an den Golfstrom - und zwar ganz konkret! Turbulent wird allerdings trotzdem wieder, denn um den Golfstrom zu verstehen, muss erst mal über große Wirbel, kleine Wirbel, den Wärmeaustausch in der Wassersäule und über die Schildkröten bei Findet Nemo gesprochen werden. Dabei gibt es ein Wiedersehen mit alten Bekannten, wie der Konvektion, dem Schelf und der Corioliskraft - ohne die geht ja bekanntlich nichts. Außerdem gewinnt Ronja eine tiefgreifende Erkenntnis über den Forschungsbegriff, Maxie plant ein Computerspiel und zum Schluss philosophieren beide über gemähtes Gras und geballten Hackbratengeruch. Wer wissen will, was das noch mit Ozeanographie zu tun hat - und das ist überraschend viel! - hört rein, in Folge 14 von Treibholz.

Gudrun unterhielt sich mit Meike Juliane Amtenbrink. Frau Amtenbrink hat von September 2017 bis Februar 2018 am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg Wasserstofftankstellen modelliert. Die Niederschrift der Ergebnisse bilden ihre Masterarbeit im Studiengang Energietechnik am KIT . Gudrun hat die Arbeit von Seiten des KIT als Erstgutachterin betreut. Als kohlenstofffreier Energieträger ist Wasserstoff im weltweiten Fokus der Forschung. Tanken mit Wasserstoff verspricht, den CO2-Ausstoß des Verkehrssektors zu reduzieren, zusätzlich ermöglicht die Umwandlung überschüssiger Strommengen in Wasserstoff mittels Elektrolyse dringend benötigte Flexibilität für die zukünftige Energieversorgung. Dafür müssen Tankstellen zur Verfügung stehen. Auf dem noch jungen Markt hat sich auf der Kundenseite bereits ein Standard etabliert, sodass alle Besitzerinnen eines Brennstoffzellenfahrzeugs an jeder Wasserstofftankstelle nachtanken können. Der technische Aufbau der Tankstellentechnologie ist dabei, je nach Anwendung, unterschiedlich. Teil der Arbeit war es einzuschätzen, welche Konzepte für den zukünftigen Markt eine Rolle spielen. Aufgrund der Vergleichbarkeit zwischen den relevanten Konzepten und dem in der ISE-eigenen Tankstelle umgesetzten Aufbau, wurde die institutseigene Tankstelle modelliert und die vorhandenen Messdaten genutzt, um die Plausibilität der Ergebnisse zu überprüfen. Im Rahmen vorangegangener Abschlussarbeiten wurde am Fraunhofer ISE ein Simulationsmodell eines Power-to-Gas-Systems auf Basis der PEM-Elektrolyse erstellt. Dieses Modell hatte zum Ziel, das dynamische Systemverhalten nachzubilden, Aussagen/Vorhersagen zum realen Wirkungsgrad der Anlage zu geben und die tatsächliche jährliche Wasserstofferzeugung zu prognostizieren. Darauf konnte Frau Amtenbrink aufbauen. In ihrer Arbeit wurde ein nulldimensionales, thermodynamisches Realgasmodell einer Wasserstofftankstelle in MATLAB/Simulink erstellt. Dafür wurden für die Einzelkomponenten einer Wasserstofftankstelle die Enthalpie- und Stoffbilanzen aufgestellt, in Simulink implementiert und über eine Steuerungslogik zu einem Gesamtsystem verbunden. Mit dem Tankstellenmodell können das Stand-by-Verhalten der Tankstelle und der Betankungsvorgang sekundengenau simuliert werden. Ergebnis sind die Drücke, Temperaturen und Stoffströme des Wasserstoffs an den relevanten Stellen im Gesamtsystem und der Energieverbrauch der Tankstelle, aufgeschlüsselt nach den wichtigsten Einzelkomponenten. Das Speichermodell kann auf Grundlage der Erhaltungsgleichungen über die zu- und abfließenden Stoffströme den sich ergebenden Druck und die Temperatur des Wasserstoffs im Speicher nachbilden, wobei die Realgasgleichung nach Redlich und Kwong benutzt wurde. Der Wärmeaustausch mit der Umgebung durch Konvektion und Wärmeleitung ist berücksichtigt. Das Modell ist auf verschiedene Speicher parametrisierbar und kann über die Anpassung der Geometrie- und Materialwerte sowohl für die Druckbänke an der Tankstelle, als auch für den Fahrzeugtank genutzt werden. Die Speichermodelle zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit der Realität. Die Drücke in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und die Temperaturerhöhung, die sich als Resultat einer Speicherbefüllung ergibt, können nachgebildet werden, ebenso der nach einer Befüllung erfolgende Temperaturausgleich mit Druckreduzierung. Durch das Modell für die Rohrleitungen können die Druckverluste innerhalb der Tankstelle abgebildet werden. Das Modell ist durch die Wahl der Geometrieparameter auf unterschiedliche Tankstellenkonfigurationen anwendbar. Der Kompressor wurde isentrop modelliert und die Verdichtungsarbeit mit einem isentropen Wirkungsgrad korrigiert. Der Druckanstieg, der sich durch den Kompressor beim Wiederbefüllen der Druckbank ergibt, ist durch die Simulation genau wiedergegeben. Dadurch ergibt sich, dass die Dauer der Speicherbefüllung zwischen Simulation und Messung übereinstimmt. Zur Modellierung der Kältemaschine wurde der Kältemittelkreislauf stark vereinfacht und durch eine Kälteleistung ersetzt, die von der Umgebungstemperatur abhängt. Für die wichtigsten Energieverbraucher an der Tankstelle, Kompressor und Kältemaschine, wurden Modelle erstellt, durch die der Energieverbrauch in Abhängigkeit der Betriebsführung berechnet werden kann. Nach der anschließenden Validierung kann das Modell dazu dienen, die Hauptenergieverbräuche an der Tankstelle zu quantifizieren und die Größe der einzelnen Komponeten optimal aufeinander auszulegen. Damit kann in Zukunft entschieden werden, ob zum Beispiel die Betriebsführung der Kältemaschine zur Optimierung des Gesamtwirkungsgrades verändert werden sollte. Literatur und weiterführende Informationen Pressemitteilung des H2-Tankstellen-Konsortiums App zum Auffinden von Wasserstofftankstellen sowie Karte mit Wasserstofftankstellen in Deutschland Informationen zur ersten H2-Tankstelle in Karlsruhe https://pem-electrolysis.de Homepage des Bereichs Wasserstofftechnologien am Fraunhofer ISE H.D. Baehr und S. Kabelac. Thermodynamik: Grundlagen und technische Anwendungen. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2012. 978-3-642- 24160-4. doi: 10.1007/978-3-642-24161-1, 2012. E. Rothuizen e.a: Optimization of hydrogen vehicle refueling via dynamic simulation. International Journal of Hydrogen Energy Vol. 38, No. 11, p. 4221-4231, 2013. A. Huss und M. Corneille. Wasserstoff-Tankstellen. Ein Leitfaden für Anwender und Entscheider. Wiesbaden: Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, 2011. Podcasts F. Schueth, T. Pritlove: Energieforschung, Episode 12 im Forschergeist Podcast, Stifterverband/Metaebene, 2015. M. Voelter, D. Schumann: Elektromobilität, Episode 163 im omega tau Podcast, 2015.

Gudrun unterhält sich mit Tabitha Hoffmann über ihre im Dezember 2017 vorgelegte Masterarbeit mit dem Titel: On the Applicability of Computational Fluid Dynamics on the Determination of Elements in the Thermal Circuit of Electrical Machines. Das Projekt war eine Zusammenarbeit mit der Firma SEW-Eurodrive in Bruchsal. Das Temperaturverhalten von Elektromotoren ist von großem Interesse, denn kennt man die Temperaturverteilung im Elektromotor, kann man Aussagen über das Betriebsverhalten treffen und einzelne Komponenten effektiv vor Überhitzung schützen. Besonders interessant ist dabei der Raum zwischen Rotor und Stator der elektrischen Maschine, der als Luftspalt bezeichnet wird. Um die Auswirkung von Geometrieänderungen auf den thermischen Widerstand am Luftspalt abschätzen zu können, könnten ergänzende Computersimulationen große Vorteile bringen. Im Rahmen der Arbeit von Tabitha wird erstmals prinzipiell untersucht, ob aktuell die numerische Strömungsrechnung (engl. Computational Fluid Dynamics, kurz CFD) - gekoppelt mit Wärmeübertragungssimulationen - den thermischen Widerstand am Luftspalt genau genug bestimmen kann, um hier von Nutzen zu sein. In erster Näherung lässt sich der Luftspalt relativ elementar als Ringraum darstellen. Noch interessanter wären natürlich Ergebnisse, die auf einer möglichst präzisen Geometrienachbildung des Luftspaltes im Computer beruhen. Eine umfangreiche experimentelle wie theoretische Studie liegt zum Glück in Form der Dissertation von Becker aus dem Jahr 1957 vor. Beckers experimentelle Daten sind fundiert und präzise und bilden somit eine gute Grundlage für die Validierung der Simulationsergebnisse in der Masterarbeit. Exemplarisch werden von Tabitha zwei typische CFD-Zugänge gewählt: Einerseits Ansys CFX, da es ein weit verbreitetes und bei SEW gut eingeführtes kommerzielles Softwarepaket ist (es arbeitet als Black box auf der Basis von Finite-Volumen-Methoden ) und andererseits OpenLB, welches eine open source Forschungssoftware ist (auf der Basis von Lattice Boltzmann Methoden (LBM)), die in der Gruppe von Mathias Krause ständig weiterentwickelt wird. Beide Softwarepakete haben je eigene Vor- und Nachteile und stellen zwei typische Fälle dar. Das betrifft z. B. die anwenderfreundliche Benutzeroberfläche in einer kommerziellen Software, die jedoch auf den konkreten Anwendungsfall nur eingeschränkt speziell zugeschnitten werden kann vs. ein in der Schnittstelle nicht so ausgereiftes Produkt, für das jedoch recht schnell konkrete Module für das vorliegende Problem programmiert werden können. Außerdem sind auch die numerischen Paradigmen beider Pakete grundlegend unterschiedlich. Ansys CFX ist klassisch auf die numerische Lösung von kontinuierlich formulierten partiellen Differentialgleichungen spezialisiert, während LBM ein diskretes Modell für Strömung wählt und dieses dynamisch entfaltet. Als möglichst einfacher Einstieg in die Thematik wird in der Arbeit zunächst von Wärmeübertragung zwischen konzentrischen Zylindern mit rotierendem Innenzylinder ausgegangen und das Problem ohne axiale Strömung betrachtet. Man spricht von einer Taylor-Couette Strömung. Ist die Geschwindigkeiten des inneren Zylinders hoch genug, entstehen Taylor-Wirbel. Die Simulationsergebnisse wurden mit den Messergebnissen von Becker und der Theorie zur freien Konvektion in horizontalen Ringen validiert. Anschließend wurden die Löser auf eine realistischere Geometrie angewendet mit Schlitzen am Stator (allerdings wieder ohne axiale Strömung). Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Simulationsergebnisse in guter Übereinstimmung mit den Messergebnissen und der Theorie sind, aber nicht genau die gleiche kritische Taylorzahl liefern. Ein grundlegendes Problem für beide numerische Zugänge ist, dass der Luftspalt im Vergleich zu den Radien von Rotor und Stator sehr klein ist. Literatur und weiterführende Informationen ANSYS, Inc.: Innovative Turbulence Modeling: SST Model in ANSYS CFX/ ANSYS Inc. Version: 2011, Forschungsbericht ANSYS, Inc.: Ansys CFX Documentation 25th November 2017 Batchelor, G. K.: An introduction to fluid dynamics. Cambridge Univ. Press 1967. Becker, K. M.: An experimental and theoretical study of heat transfer in an annulus with an inner rotating cylinder, M.I.T., Diss., 1957 Chorin, A. J. ; Marsden, J. E.: A mathematical introduction to fluid mechanics. 2. ed. Springer Lancial, N. e.a.: Taylor-Couette-Poiseuille flow and heat transfer in an annular channel with a slotted rotor. In: International Journal of Thermal Sciences 112 (2017), Nr. Supplement C, 92 - 103. Hydrodynamische Instabilität

In den Materialwissenschaften ist man immer auf der Suche nach neuen Werkstoffen und Materialien. Sehr vielversprechend sind dabei Metallschäume, dessen Wärmeleitungseigenschaften Anastasia August am Institut für angewandte Materialien erforscht und über die sie uns im Gespräch mit Sebastian Ritterbusch erzählt.Zu den besonderen Eigenschaften von Metallschäumen gehören unter anderem die große Oberfläche bzw. Grenzfläche im Verhältnis zum Volumen wie bei Lungenbläschen und die hohe Wärmeleitungsfähigkeit im Verhältnis zum Gewicht. Gleichzeitig können Metallschäume mit Luft oder anderen Materialien wie Paraffin gefüllt werden, um besondere Eigenschaften zu erhalten. Neben Bierschaum ist auch der Badeschaum eine Möglichkeit Schäume mit ihrem außergewöhnlichem Verhalten kennenzulernen. Das geschäumte Materialgemisch erhält dabei aber typischerweise nicht durchschnittliche Materialeigenschaften, sondern es können Eigenschaften der einzelnen Materialien teilweise kombiniert werden; z.B. erhält ein Metall-Paraffinschaum eine recht hohe Wärmeleitfähigkeit vom Metall gepaart mit einer hohen Wärmekapazität und vor Allem mit einem günstigen Schmelzpunkt (45-80°C) vom Paraffin und ist damit ein sehr effizienter Latentwärmespeicher.In der Natur finden sich Schaumstrukturen zum Beispiel in Knochen, die bei hoher Stabilität ein deutlich geringeres Gewicht als ein massives Material haben. Aber auch für Knochenimplantate sind Metallschäume aus Titan durch die hohe Stabilität bei geringem Gewicht und guter Verträglichkeit sehr interessant.Problematisch ist für den Einsatz von Metallschäumen, dass noch viele quantitative Messgrößen fehlen, die Herstellung noch recht teuer ist, und insbesondere nur in kleinen Größen produziert werden kann. Als Unterscheidungsmerkmal hat sich neben der Unterscheidung in offen oder geschlossen porigen Schaum die ppi-Zahl als Maß für die Porendichte etabliert, dabei zählt man die Poren pro Inch (Zoll, entspricht 2,54 cm). Dazu erfasst man auch die mittlere Porengröße (Durchmesser), ihre Standardabweichung, die Porosität, die mittlere Stegdicke und deren Form. Weiterhin können sich Größen in verschiedenen Richtungen im Material unterscheiden, und dadurch merklich deren Eigenschaften verändern.Für die Herstellung von Metallschäumen gibt es unterschiedliche Verfahren: Zwei typische Vertreter sind das Pressen mit dem anschließenden Schmelzen von gemischtem Metall- und Metallhybridpulvern für geschlossen porige feste Schäume oder Gießverfahren, wo der Metallschaum für offen porige Materialien durch keramische Negativabbildungen von Polyurethan-Schäumen nachempfunden wird.Schon früh waren Schäume als möglichst dichte Packungen ein Forschungsfeld in der Mathematik. Im Jahr 1994 haben Weaire-Phelan eine noch optimalere regelmäßige Schaumstruktur veröffentlicht, die in der Architektur des zu den olympischen Sommerspielen 2008 in Peking errichteten Nationalen Schwimmzentrums verewigt wurde. Das ebenfalls zu den Sommerspielen errichtete Vogelnest hat im Gegenteil eine zufälligere Struktur. Lange hatte man keine verlässlichen Aussagen über die Wärmeleitfähigkeit von Metallschäumen. Bei einer Leitfähigkeit von etwa 200 W/(mK) von Aluminium erreicht ein Metallschaum Leitfähigkeiten zwischen 5-13 W/(mK) während man bei Luft von einer Leitfähigkeit von etwa 0.025 W/(mK) ausgehen kann. Außerdem haben Metallschäume einen hohen Oberflächenanteil, dies bezeichnet die vorhandene Oberfläche im Verhältnis zum Volumen. Während ein voller Metallwürfel ein Verhältnis von etwa hat, kann ein Schaum ein Verhältnis von bis zu erreichen.Eine interessante Fragestellung ist auch, ab welcher Porengröße die natürliche Konvektion in mit Luft gefüllten Metallschäumen eine Rolle gegenüber der Wärmeleitung spielt. Die relevante Größe ist hier die Rayleigh-Zahl, die für Metallschäume typischer Porengrößen ergibt, dass die natürliche Konvektion zu vernachlässigen ist.Für die Simulation wird der komplette Raum des Metallschaums diskretisiert, und es gibt eine Funktion, die als Indikatorfunktion anzeigt, ob an diesem Punkt Metall oder Luft vorliegt. Hier können sowohl aus an der Hochschule Pforzheim durchgeführten Schnitten rekonstruierte Schaumstrukturen abgebildet werden, aber auch künstlich mit Algorithmen erzeugte Schäume für die Simulation abgebildet werden. Bei der künstlichen Erzeugung von Schäumen ist die Voronoi-Zerlegung ein wichtiger Algorithmus zur Bestimmung der Poren.Den eigentlichen Wärmetransport im Metallschaum wird durch die Wärmeleitungsgleichung modelliert. Sie leitet sich aus dem Energieerhaltungssatz und dem Fourierschen Satz ab. Dieses Modell stimmt aber in dieser Form nur für homogene Materialien mit konstantem Koeffizienten . Daher müssen die Sprünge in Materialeigenschaften (etwas im Übergang Luft-Metall) zusätzlich berücksichtigt werden. Dies kann über die Phasenfeldmethode realisiert werden, wo eine künstliche, diffuse Übergangsschicht zwischen den Materialien eingeführt wird. Dies ist im Prinzip eine Art von Mollifikation, wo ein Sprung durch eine glatte monotone Funktion angenähert wird. Wenn dies zusätzlich mit der Berücksichtung der anisotropen Eigenschaften der Übergangsschicht ergänzt wird, erhält man eine Basis für die in PACE 3D implementierte Simulationsmethode, die mit verschiedenen analytischen Ergebnissen und kommerziellen Softwareprodukten erfolgreich validiert werden konnte.Die Phasenfeldmethode und die Software Pace3D stammt ursprünglich aus der Simulation von Erstarrungs- und Schmelzvorgängen auf der Mikrometerskala. Metalle erstarren in Form von sogenannten Dendriten. Das sind Kristalle, die eine gewisse Ähnlichkeit mit Schneeflocken aufweisen.Eine interessante Anwendung von Metallschäumen bietet das mutige Silent Power PC Projekt, in dem ein Metallschaum den einen Rechner effizient kühlen soll. Aus den bisherigen Erkenntnissen der Arbeitsgruppe ist anzunehmen, dass ein Großteil der Kühlleistung in einem solchen System auf der Wärmeleitung liegt - für einen Einfluss der natürlichen Konvektion scheint die Porengröße zu klein zu sein.Die Faszination für Wissenschaft inspiriert Anastasia August nicht nur in der Forschung, sondern sie demonstriert sie auch auf Science Slams und im FameLab. Sie hielt dort Vorträge über ihr Forschungsgebiet und auch über das sehr unterschätzte Thema der Stetigkeit und die Anwendung auf Temperaturen auf der Erdkugel. Mit dem Vortrag auf dem Science Slam Vorentscheid in Esslingen zu Metallschäumen hat sie sich für die Meisterschaft am 6. Dezember qualifiziert.Literatur und Zusatzinformationen A. August, B. Nestler, F. Wendler, M. Selzer, A. Kneer, E. Martens: Efficiency Study of Metal Foams for Heat Storage and Heat Exchange, CELLMAT 2010 Dresden Conference Proceedings, 148-151, 2010, Fraunhofer IFAM Dresden, 2010. A. August, B. Nestler, A. Kneer, F. Wendler, M. Rölle, M. Selzer: Offenporige metallische Schäume, Werkstoffe in der Fertigung, Ausgabe 6/ November 2011, S. 45-46, 2011. M. Rölle, A. August, M. Selzer, B. Nestler: Generierung offenporiger metallischer Schaumstrukturen zur Simulation der Wärmeübertragungseigenschaften, Forschung aktuell 2011, 21-23 Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft, S. 21-23, 2011. A. Vondrous, B. Nestler, A. August, E. Wesner, A. Choudhury, J. Hötzer: Metallic foam structures, dendrites and implementation optimizations for phase-field modelling, High Performance Computing in Science and Engineering, Transactions of the High Performance Computing Center, Stuttgart (HLRS), Pages 595-605, 2011. E. Wesner, A. August, B. Nestler: Metallische Schneeflocken, horizonte, Nr. 43, März 2014. J. Ettrich, A. Choudhury, O. Tschukin, E. Schoof, A. August, B. Nestler: Modelling of Transient Heat Conduction with Diffuse Interface Methods, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2014. J. Ettrich, A. August, B. Nestler: Open Cell Metal Foams: Measurement and Numerical Modelling of Fluid Flow and Heat Transfer, CELLMAT 2014 Dresden Conference Proceedings, 2014. J. Ettrich, A. August, M. Rölle, B. Nestler: Digital Representation of Complex Cellular Sructures for Numerical Simulations, CELLMAT 2014 Dresden Conference Proceedings, 2014. Forschungsgruppen am KIT-ZBS Institute of Materials and Processes an der Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft Das Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien (IWWT) an der Hochschule Pforzheim

In kühlen Sternen wie der Sonne wird die nuklear erzeugte Energie aus dem Inneren an die Oberfläche transportiert. Diese kann dann in den freien Weltraum entfliehen, und so können wir das Sternenlicht letztlich beobachten. Die theoretische Modellierung des photosphärischen Übergangsbereiches – vom konvektiven zum radiativen Energietransport – ist aufgrund der inhärenten dreidimensionalen (3D) Natur der Konvektion und der komplexen, nicht-linearen und nicht-lokalen Interaktionen des Strahlungsfelds mit dem stellaren Plasma sehr anspruchsvoll. Theoretische Atmosphärenmodelle stellen die fundamentale Basis für die Untersuchung von Sternen dar, daher sind Astronomen für ihr Verständnis der Sterne auf diese letztlich angewiesen. Die üblicherweise verwendeten eindimensionalen (1D) Atmosphärenmodelle beinhalten verschiedene Vereinfachungen. Insbesondere wird die Konvektion für gewöhnlich mit der Mischungswegtheorie berechnet, trotz ihrer wohlbekannten Fehler, da derzeit keine deutlich besseren Alternativen vorhanden sind. Der einzige Ausweg, um dieses Problem zu überwinden ist, die zeitabhängigen, dreidimensionalen, hydrodynamischen Gleichungen, welche mit einem realistischen Strahlungstransport gekoppelt sind, zu lösen. Aufgrund der in den vergangenen Jahrzehnten rasch gestiegenen Rechenleistung wurden bedeutende Fortschritte mit Simulationen für 3D Strahlungshydrodynamik (RHD) von Atmosphären erzielt. Diese Modelle sind außerordentlich leistungsfähig, und besitzen eine enorme Vorhersagekraft, wie präzise Vergleiche mit Sonnenbeobachtungen wiederholt beweisen konnten. Ausgestattet mit diesen ausgereiften Methoden möchte ich als Ziel meiner Dissertation die drei folgenden Fragen näher untersuchen: Was sind die Eigenschaften der Atmosphären von kühlen Sternen? Welche Unterschiede sind zwischen den 1D und 3D Modellen vorhanden? Wie verändern sich die Vorhersagen für die Sternstrukturen und Spektrallinien? Um mich dieser Aufgabenstellung systematisch anzunehmen, habe ich das Stagger-Gitter berechnet. Das Stagger-Gitter ist ein umfangreiches Gitter aus 3D RHD Atmosphärenmodellen von kühlen Sternen, welches einen großen stellaren Parameterbereich abdeckt. In der vorliegenden Dissertation beschreibe ich die Methoden, welche angewendet wurden, um die vielen Atmosphärenmodelle zu berechnen. Zudem werden die allgemeinen Eigenschaften der resultierenden 3D Modelle, auch deren zeitliche und räumliche Mittelwerte detailliert dargestellt und diskutiert. Die Unterschiede zwischen den 1D und 3D Schichtungen, sowie die Details der stellaren Granulation (die Manifestation der Konvektion unterhalb der Sternoberfläche) werden ebenfalls umfangreich erläutert und beschrieben. Des Weiteren habe ich folgende Anwendungen für die 3D Atmosphärenmodelle untersucht: Berechnung theoretischer Spektrallinien, wichtig für die Bestimmung von Sternparametern, Spektroskopie und Häufigkeiten-Analyse; die sogenannte Randverdunkelung, notwendig für die Analyse interferometrischer Beobachtungen und Suche nach extrasolaren Planeten; und die Kalibrierung der Mischungsweglänge, womit 1D-Sternmodelle verbessert werden können. Die Qualität der hochauflösenden Beobachtungen hat inzwischen die der theoretischen 1D Atmosphärenmodelle aufgrund der technischen Entwicklungen in den vergangenen Jahren überschritten. Daher hat sich der Bedarf an besseren Simulationen für Atmosphärenmodelle erhöht. Durch die Bereitstellung eines umfangreichen Gitters aus 3D RHD Atmosphärenmodellen wurde dazu ein erheblicher Beitrag geleistet. Damit werden wir den Anforderungen an die Theorie für die derzeitigen und zukünftigen Beobachtungen gerecht werden, und können somit zu einem besseren Verständnis der kühlen Sterne beitragen.

Gefäßzellen und Gefäßabschnitte in Arteriolen der Mikrozirkulation reagieren auf endotheliale Autakoide, Gewebsmetabolite und transmurale Druckänderungen nicht als isolierte Einheiten, sondern in koordinierter Art und Weise, was u.a. auf der Ausbreitung von Membranpotentialänderungen über Gap-Junctions entlang der glatten Muskelzellschicht und dem Endothel beruht. Dies ermöglicht die Koordination des Gefäßtonus in parallel und hintereinander liegenden Gefäßabschnitten, was zur aufsteigenden Vasodilatation und der Zunahme der Skelettmuskeldurchblutung bei Arbeit beiträgt. Diese von Nerven unabhängige intra- und intervaskuläre Kommunikation zeigt sich auch bei lokalisierter Stimulation mit bestimmten vasoaktiven Substanzen durch eine sich weit über den Ort der direkten Wirkung schlagartig ausbreitende Gefäßreaktion (conducted vasomotor response). Um die Auslöser von fortgeleiteten Gefäßreaktionen zu untersuchen, wurden Arteriolen des Cremastermuskels in anästhesierten Goldhamstern mittels einer Mikropipette mit einem Mikrobolus (

Seit über zehn Jahre werden im Alpenvorland sowohl in Deutschland als auch in der Schweiz Experimente durchgeführt, um die Entstehung von Gewittern und Squall-lines zu untersuchen und zu verstehen. Die aus den Experimenten erfaßten Daten wurden dazu verwendet, konvektive Systeme anhand von synoptischen Bodenanalysen zu erfassen. In der vorliegenden Arbeit sind die während des SETEX-94 Experimentes gemessenen Daten nach ihrer ausführlichen synoptischen Analyse bei numerischen Berechnungen eingesetzt worden. Das Ziel war, die Entstehung und Entwicklung der beobachteten Squallline schrittweise nachzuvollziehen und zu erklären. Unter Verwendung der synoptischen Analyse konnten sowohl die Anfangsbedingungen als auch die Anfangsstörung für die numerischen Rechnungen bestimmt werden. Die darauffolgenden numerischen Rechnungen haben gezeigt, daß eine Anwendung von realen Daten zu einer guten Übereinstimmung mit der beobachteten Fallstudie führten. Diese Erkenntnisse gaben den Anlaß, Sensitivitätstests durchzuführen, um den Einfluß sowohl der am Anfang gewählten Struktur der Störung als auch der vorherrschenden physikalischen Bedingungen zu untersuchen. Die Änderungen der physikalischen Parameter basierte auf Daten, welche im Alpenvorland bei Gewittertagen beobachtet worden sind. Numerische Rechnungen bezüglich der Anfangsstruktur zeigten, wie wichtig die Struktur der Anfangsstörung bei der Entwicklung von entsprechend einzelnen Gewittern oder mesoskaligen konvektiven Systemen ist. Es wurde auch deutlich gemacht, welche Rolle Wechselwirkungen zwischen den Anfangsstörungen bei der Entstehung und Entwicklung von Squall-lines haben. Numerische Rechnungen hinsichtlich der physikalischen Parameter zeigten die entscheidende Rolle von herrschenden Druckgradientkräfte, welche hauptsächlich für das Aufrechterhalten von Konvektion verantwortlich sind. Es wurden Änderungen bei der Stärke der Windscherung und der Höhe, innerhalb welche die Windscherung wirkt, durchgeführt. Dadurch wurde ihre Rolle bei der Verstärkung oder Abschwächung von Aufwinden und dadurch des Systems erforscht. Weiterhin wurde der Einfluß der Feuchte und der Temperatur hinsichtlich der Menge der vorhandenen Energie innerhalb der Schichten der Troposphäre untersucht. Anschließend wurde die Bedeutung der vorhandenen Energie auf die Entstehung und Entwicklung von Squall-lines festgestellt. Die aus der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zeigen deutlich, wie wichtig die Verknüpfung von realen gemessenen Daten mit numerischen Rechnungen für das Entschlüsseln von natürlichen Erscheinungen ist. Es hat sich weiterhin die Notwendigkeit herauskristallisiert, weitere Experimente durchzuführen, und die daraus gewonnenen Datensätze zu sammeln und zu bearbeiten. Mit Hilfe von solchen Datensätzen können mögliche Abweichungen der Entstehung und Entwicklung von Squall-lines erfaßt werden. Darüberhinaus können damit die vorhandenen Sensitivitätstests überprüft, bestätigt und erweitert werden.