Mein Weg zum Strömungsmechanischen Modell (KIT Scientific Reports ; 7649)

Der Bericht behandelt die Entwicklung strömungsmechanischer Modelle sowie deren Anwendung in der Praxis. Es werden das Schallkriterium der schiefen Stoßreflexion, die Stabilitätstheorie lokaler Störungen zur effizienten Strömungskontrolle, Transitionsmodelle dreidimensionaler Grenzschichten und Nachlauströmungen sowie thermischer Instabilitäten und in der Bioströmungsmechanik Strömung-Struktur gekoppelte Modelle des Vogelfluges und des menschlichen Herzens entwickelt und validiert

Optische Erzeugung außergewöhnlicher Ladungsträgerverteilungen in Halbleiterstrukturen

Eine Studie zu den transversalen und longitudinalen Eigenschaften photonischer Kristallstrukturen und deren Auswirkung auf die Dynamik der mikroskopischen Halbleiter-Kohärenzen im Rahmen einer selbstkonsistenten semiklassischen Theorie Eine Studie zur Dynamik von kohärenten Spin- und Ladungsströmen in Halbleiter-Quantenfilmen für ein Drei-Band-Modell mit einer kp-Bandstruktur und auf der Wechselwirkung mit Phononen basierenden Relaxationsprozesse

Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Selbstzündung und Verbrennung in Ottomotoren

In dieser Arbeit wird ein Verbrennungsmodell für moderne Brennverfahren in Ottomotoren vorgestellt. Das Modell umfasst Teilmodelle für reguläre Flammenfrontverbrennung sowie für homogene Selbstzündung. Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Anwendungsbeispiele für das Verbrennungsmodell behandelt. Die reguläre Flammenfrontverbrennung und die HCCI-Verbrennung werden jeweils anhand von Messdaten validiert. Als komplexerer Anwendungsfall wird außerdem die Vorentflammung untersucht

Analytische Beschreibung der Kopplung elektromagnetischer Felder durch Aperturen in Resonatoren

Die vorliegende Arbeit baut auf den Grundlagen der elektromagnetischen Feldtheorie eine neue Systematik zur Beschreibung der Kopplung elektromagnetischer Felder zwischen verschiedenen Umgebungen auf. Es wird der Halbraum und der quaderförmige Hohlraumresonator, ein Modell für typische Gerätegehäuse, diskutiert. Dabei wird eine analytische Lösung unter der Einschränkung elektrisch kleiner Aperturen hergeleitet und anhand numerischer Verfahren verifiziert. Anschließend wird das Verfahren für eine einfache elektrisch große Apertur verallgemeinert. Als Ausgangspunkt dient hierbei die Modellierung des eingekoppelten Stromes auf einem elektrisch dünnen, langen und geraden Draht. Die Integralgleichung für das elektrische Feld wird auf eine neuartige Weise durch ein Diskretisierungsverfahren gelöst. Eine der Besonderheiten der sich durch die Diskretisierung ergebenden Matrixgleichung gegenüber üblichen Lösungsverfahren ist die analytische und damit sehr schnelle Bestimmung aller Matrixelemente. Anschließend wird das Verfahren auf einen langen dünnen Schlitz in einem Hohlraumresonator übertragen. Weiterhin wird die Gesamtmatrix in Nah- und Fernwechselwirkungen separiert. Somit können verschiedene Abstrahlungsumgebungen vergleichsweise einfach berücksichtigt werden. Untersuchungen des Fernfeldes des Schlitzes zeigen, dass es möglich ist, den Einfluss der inneren Hohlraumresonanzen auf das äußere Feld effizient zu berechnen.In this thesis a new systematic formalism of the coupling of electromagnetic fields between different radiation environments is derived from the basics of electromagnetic field theory. Here, the case of the coupling between a half space and a rectangular cavity is treated, which is a model for typical housings of electrical devices. An analytical solution is derived under the condition of electrically small apertures and then validated with numerical methods. Then the developed method is generalized for an simple electrical large aperture. It is made use of the duality of the Maxwell equations by the modeling of the generated current in an electrical large, thin, straight and finite wire in free space. The respective integral equation for the electrical field is solved in a new way by a combination of the methods of regularization and discretization. One of the unique properties of the derived matrix equation is the possibility to calculate all matrix elements analytically and therefore quite fast. Subsequently, the method is applied to the electrical large, thin, straight and finite slot in a rectangular cavity. The complete matrix is separated in a near and far interaction part. This way, different radiation conditions can be considered easily. The analysis of the far field of such a slot shows, the influence of the inner cavity resonances on the external fields can be calculated efficiently

Hocheffiziente und robuste finite Elemente niederer Ansatzordnung zur Simulation großer Deformationen von Festkörpern

Schnelle und parallel einsetzbare Prozessoren ermöglichen die Berücksichtigung immer mehr relevanter Details in Finite-Elemente-Berechnungen von Anwendungen wie Crashsicherheitsanalysen oder Metallumformprozessen. Aufgrund ihrer einfachen Struktur, sind Elemente mit linearen Ansatzfunktionen gut für den Aufbau der meist schalenartigen Modelle geeignet, wobei die Details vermehrt mit Volumen- statt mit Schalenelementen abgebildet werden. Ohne entsprechende Modifikationen versteifen diese das Finite-Elemente-System und führen bei Biegung oder plastischem Fließen zu unrealistisch kleinen Verformungen, was mit der – im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehenden – Methodik inkompatibler Erweiterungen ausgeglichen werden kann. Die Idee: gezielt die Genauigkeit verbessernde Ansatzfunktionen aus Elementen höherer Ordnung mit internen Parametern verknüpfen, ohne dabei die Anzahl der Elementknoten zu erhöhen. Allerdings kann die Berechnung dieser internen Parameter die Rechendauer der Simulation deutlich verlängern, wenn für die Schritt-für-Schritt-Lösung des simulierten Zeitintervalls eine explizite Integrationsmethode gewählt wird, die sehr kleine Schrittweiten erfordert. Dann ist das Finite-Elemente-System so oft auszuwerten, dass die Elementoperationen – die Berechnung der internen Parameter eingeschlossen – deutlich aufwendiger als die Lösung der Systemgleichungen sind, die durch konzentrierte Massen an den Elementknoten sehr effizient ist. Zur Effizienzsteigerung wird daher ein Konzept mit künstlichen Massen der internen Parameter vorgestellt, die dann – analog zu den Verschiebungen an den Elementknoten – explizit berechnet werden. Sonst sind die internen Parameter masselos und somit „statisch“ zu berechnen, was, aufgrund der dann erforderlichen, oft mit Iterationen verbundenen impliziten Berechnung, deutlich aufwendiger ist. Verschiedene Strategien mit expliziter oder impliziter Berechnung sowie einer Kombination davon werden mit bis zu 30 inkompatiblen Freiheitsgraden ausführlich untersucht. Ein weiterer zu untersuchender Aspekt sind infolge der Inkompatibilität auftretende Kinematiken. Die inkompatiblen Massen ermöglichen eine einfache Kontrolle, bei der die verursachenden Parameter identifiziert und abgefangen werden können. Allerdings erfordert die Kontrolle numerische Tests für jedes Beispiel, was bei komplexen Problemen eine deutliche Einschränkung darstellt. Darüber hinaus werden eine inkrementelle und eine ad hoc modifizierte inkompatible Elementformulierung untersucht, die zusätzlich – ohne weitere Maßnahmen – eine Volumenbedingung erfüllen, die ähnlich zu den bekannten Orthogonalitätsbedingungen ist. Deren Auswirkung wird an einem analytischen Beispiel demonstriert und durch weitere numerische Untersuchungen gestützt. Erste realistischere Beispiele bestätigen das Konzept der vorliegenden Arbeit