Ein effizienter Sektionalansatz zur Modellierung von PAHs und nicht sphärischen Rußpartikeln unter technisch relevanten Verbrennungsbedingungen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines effizienten Modells zur Berechnung der Rußmorphologie für numerische Verbrennungssimulationen. Das Modell wurde in den Verbrennungscode THETA implementiert, anhand idealisierter Validierungstestfälle validiert und für Grobstruktursimulationen einer halbtechnischen Brennkammer verwendet. Ruß als unerwünschtes Verbrennungsnebenprodukt hat im Kontext der Feinstaubproblematik gegenwärtig eine hohe Bedeutung. Dass experimentelle Rußuntersuchungen bei technischen Verbrennungssystemen häufig nicht oder nur eingeschränkt anwendbar sind, erklärt die hohe Relevanz der Verbrennungssimulation zur Vorausberechnung von Rußemissionen. Infolge der partikelgrößenabhängigen Toxizität von Feinstaub (und Schadstoffnormen die diesen Sachverhalt entsprechend berücksichtigen) sind dazu Rußmodelle erforderlich, die die Rußgrößenverteilung (PSD) auflösen. Sektionalansätze, wie sie in dieser Arbeit behandelt werden, fallen in diese Kategorie. Eine zentrale Komponente des Verbrennungscodes THETA ist das Finite-Raten-Chemie Modell welches durch simultane Lösung der skalaren Bilanzgleichungen eine vollständige Kopplung von Ruß und dem thermo-chemischen Zustand der Gasphase gewährleistet. Ein Reaktionsmechanismus mit 43 Komponenten und 304 Reaktionen beschreibt die Pyrolyse und die Oxidation von kleinen Kohlenwasserstoffen wie Ethylen sowie die Bildung kleiner Aromaten (Benzol und Toluol). Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) werden durch einen in der vorliegenden Arbeit entwickelten Sektionalansatz mit drei Massenklassen beschrieben, der zwischen PAH-Radikalen und PAH-Molekülen unterscheidet und sich durch eine reversible PAH-Chemie auszeichnet. Simulationen laminarer Vormischflammen demonstrieren, dass diese Modellkomplexität erforderlich ist, um realistische PAH-Größenverteilungen und folglich korrekte Nukleationsraten zu erhalten. Für eine genaue Berechnung der Rußmorphologie ist letzteres von entscheidender Bedeutung, da eine zu starke Rußnukleation im Vergleich zu experimentellen Daten eine zu hohe Teilchendichte und einen zu kleinen mittleren Teilchendurchmesser bewirkt. Ferner beschreibt das PAH-Modell die Instabilität von PAHs bei hohen Temperaturen genau und ist dadurch für Verbrennungssysteme die mit vorgeheizter Luft betrieben werden anwendbar. Das Rußaerosol wird durch einen Sektionalansatz mit logarithmisch skalierten Massenklassen diskretisiert. Schwerpunkte dieser Arbeit waren diesbezüglich die Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Beschreibung von fraktalen Rußaggregaten sowie die Implementierung temperaturabhängiger Korrekturfunktionen zur Skalierung der Rußoberflächenreaktivität. Beide Modellerweiterungen trugen dazu bei, dass die Transition von einer nicht rauchenden zu einer rauchenden Diffusionsflamme korrekt abgebildet werden konnte. Ferner zeigte sich, dass die Berücksichtigung von Rußaggregaten insbesondere bei stark rußender Verbrennung wichtig ist, da Modelle mit sphärischen Rußteilchen dort häufig zu große Primärpartikel und damit eine zu kleine Rußoberfläche bewirken. Neben einer genauen Vorhersage der Rußmorphologie erzielt das Modell eine sehr gute Übereinstimmung zu gemessenen Temperaturen sowie zu gemessenen OH-, Benzol- und C2H2-Massenbrüchen. Turbulente Verbrennung wird in dieser Arbeit mit Grobstruktursimulationen (LES, large eddy simulation) untersucht. Bei der LES erfolgt eine Trennung zwischen groben Strukturen, die durch das Rechengitter aufgelöst werden, und feinen Strukturen, die modelliert werden. Dabei stellt die Modellierung der nicht aufgelösten Turbulenz-Chemie-Interaktion eine der größten Herausforderungen der Verbrennungssimulation dar und erfolgt in der vorliegenden Arbeit durch angenommene Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (APDF). Zur Beschreibung des intermittenten Charakters der Rußfeinstrukturdynamik wurde eine bimodale APDF implementiert. Die Validierung dieses LES-Verfahrens geschieht anhand einer abgehobenen, turbulenten, rußenden Strahlflamme. Im Vergleich zu RANS-Ergebnissen aus der Literatur ermöglicht die LES eine genauere Vorausberechnung der turbulenten Mischung. Es liegt eine gute Übereinstimmung zu gemessenen Geschwindigkeiten und Temperaturen vor und die Qualität der Rußvorhersage ist über dem Stand der Technik. Die Berücksichtigung von Rußaggregaten bewirkt eine gute Übereinstimmung zu gemessenen Teilchendurchmessern, was ein Indiz für eine korrekte Beschreibung der Rußmorphologie ist. Basierend auf den bisherigen Erkenntnissen wurde das validierte LES-Model zur Untersuchung einer Modellbrennkammer unter rußenden Betriebsbedingungen verwendet. Berechnete Geschwindigkeiten, Temperaturen sowie die Frequenz der dominanten hydrodynamischen Instabilität weisen eine gute Übereinstimmung zu den Messwerten auf. Der Rußvolumenbruch in der Primärzone sowie der Einfluss des Äquivalenzverhältnisses auf die Rußverteilung werden vergleichbar genau vorhergesagt, jedoch treten diesbezüglich weiter stromab deutliche Unterschiede zwischen LES und Experiment auf. Detailuntersuchungen untermauern die Plausibilität der LES-Ergebnisse unter diesen extrem anspruchsvollen Verbrennungsbedingungen, welche sich durch Äquivalenzverhältnisse nahe der Rußgrenze und eine hohe Disparität zwischen momentanen und mittleren Rußvolumenbrüchen auszeichnen.The present work is about an efficient sectional model for predictions of the soot morphology in computational fluid dynamics (CFD) simulations. The model has been implemented in the CFD combustion code THETA, validated against several idealized lab-scale experiments and applied to large eddy simulations (LES) of a semi-technical combustor. Resulting from the incomplete combustion of hydrocarbons, soot emissions are currently of high relevance in the context of particulate matter pollution. As experimental techniques are often not or only in a limited way applicable to technical combustion systems, soot CFD simulations are important to deepen the understanding of soot evolution under such conditions. Since the toxicity of particulates depends on the particle diameter (and since legislative regulations start to take this into account), it is beneficial for soot models to resolve the particle size distribution (PSD). Sectional approaches, which are the topic of the present work, belong to this class of models. Using a finite-rate chemistry model with a simultaneous solution of all species equations ensures a full coupling of soot and the thermo-chemical state of the gas phase. A reaction mechanism with 43 species and 304 reactions is used to describe the pyrolysis and oxidation of small hydrocarbons such as ethylene as well as the formation of small aromatic species like benzene or toluene. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are described by a newly developed sectional approach which distinguishes PAH radicals from PAH molecules and features a reversible PAH chemistry. Laminar premixed flame simulations demonstrate that such a model complexity is necessary to obtain realistic PAH size distributions and consequently correct nucleation rates. Comparing calculated and measured particle size distributions (PSDs) shows that the latter is particularly important for accurate predictions of the soot morphology as a too strong soot nucleation yields a too high particle number density at a too small mean particle diameter. The PAH model describes the instability of PAHs at high temperatures well which is an important feature for the simulation of technical combustion systems as they are often operated with preheated air. The soot aerosol is described by a sectional approach with logarithmically scaled mass classes. Regarding soot, the focus of the present work is the development of a novel approach to describe the evolution of fractal soot aggregates and the implementation of temperature dependent scaling functions for the soot surface reactivity. Both developments where necessary to correctly predict the transition from a non-smoking to a smoking diffusion flame. Furthermore, soot aggregates proved to be important in particular at heavily sooting conditions as models with purely spherical soot particles often predict too few particles resulting in an underprediction of the soot surface. Besides accurate predictions of the soot morphology, a very good agreement to measured temperatures as well as species mass fractions (OH, benzene, C2H2) is obtained. Turbulent combustion problems are investigated by large eddy simulations (LES). The idea of LES is to separate large turbulent structures which are resolved by the CFD grid from small structures which require modelling. In this context, the description of subgrid scale turbulence-chemistry interaction is one of the major challenges in combustion modelling. In the present work this is done by assumed probability density functions (APDF). A bimodal APDF has been implemented to approximate the intermittent nature of soot subfilter dynamics. The validation of this LES model has been achieved using a lifted, turbulent, sooting jet flame. Compared to RANS results from the literature, the prediction of turbulent mixing in the pre-flame region was improved. Velocities and temperatures agree well with experimental data and the quality of the soot prediction outperforms the state of the art. Taking fractal soot aggregates into account yields a good agreement to measured particle diameters, which indicates a correct description of the soot morphology. The validated LES model has then been applied to an aero engine model combustor at sooting operating conditions. Calculated velocities, temperatures and the frequency of the dominant hydrodynamic instability agree well with experimental data. The soot volume fraction in the primary combustion zone as well as the influence of the equivalence ratio on the soot distribution are accurately predicted. However, further downstream there are notable differences between LES and the experiment concerning the soot volume fraction. Further analysis supports the plausibility of the LES results and the combustion conditions were found to be very challenging as they feature equivalence ratios close to the sooting limit and a high disparity between instantaneous and time-averaged soot volume fractions

Zum initialen Einfluss einer reversibel veränderten Vertikaldimension bei Totalprothesenträgern auf die horizontale Projektion des Körperschwerpunktes

Ziel der vorliegenden klinisch-experimentellen prospektiven Studie war die Untersuchung eines möglichen Einflusses der reduzierten vertikalen Dimension, wie sie oftmals bei insuffizient versorgten Totalprothesenträgern anzutreffen ist, auf den Körperschwerpunkt in seiner Projektion auf die Standfläche (COP). 12 Patienten mit einem Durchschnittsalter von 65,5 ± 17,5 Jahren, die in mindestens einem Kiefer zahnlos waren, nahmen an der Studie teil. Alle Patienten waren mindestens zwei Wochen vor der posturographischen Untersuchung mit einer neuen, in der Vertikaldimension („Bisshöhe“) korrekt eingestellten Prothese versorgt worden. Für die Studie bekamen die Teilnehmer zusätzlich eine doublierte Prothese, bei der die vertikale Dimension gegenüber der physiologischen Kieferrelation um 7 mm, gemessen im Frontzahnbereich, reversibel reduziert wurde. Bei den Probanden wurden fünf verschiedene posturographische Messungen in randomisierter Reihenfolge durchgeführt. Gemessen wurde bei maximaler habitueller Okklusion unter EMG-Kontrolle über 15 Sekunden ohne und mit vertikaler Reduktion. Die Versuche wurden jeweils mit geöffneten und geschlossenen Augen durchgeführt. Als Referenzwert diente die Messung des COP während der Ruhelage vor Versuchsbeginn. Die Messung des Körperschwerpunktes, erfolgte mit einer Druckmessplatte der Firma Zebris. Der optimale Sitz der doublierten Prothesen wurde neben manueller Inspektion zusätzlich elektromyographisch kontrolliert. Eine generelle Verlagerung des Körperschwerpunktes, den eine kurzfristige und reversible Reduktion der vertikalen Dimension bei Totalprothesenträgern beim Pressen in maximaler Okklusion hervorrufen könnte, wurde in dieser Studie statistisch nicht durchgehend signifikant belegt. Jedoch konnte bei Augenschluss ohne visuelle Gleichgewichtskontrolle eine statistisch signifikante Veränderung beim Tragen einer Prothese mit reduzierter vertikaler Dimension gegenüber der korrekt eingestellten Prothese in posteriorer Richtung beobachtet werden. Dies beweist, dass eine veränderte Vertikaldimension auch außerhalb des Kauorgans zu Veränderungen des muskulo-skelettalen Apparates führen kann. Weiterhin wurde kein signifikanter Einfluss auf die Strecke, die der Körperschwerpunkt während einer Messung zurücklegt noch auf die Größe der Fläche, die er in Anspruch nimmt, festgestellt. Einzelne Probanden zeigen Resultate, die hiervon abweichen. Effekte sind somit zwar vorhanden, jedoch in der interindividuellen Betrachtung so schwach, dass sie mit dem verwendeten Registriersystem nur beim Stehen ohne visuelle Haltungskontrolle nachweisbar waren

Methodology for the numerical prediction of pollutant formation in gas turbine combustors and associated validation experiments

International audienceFor aircraft engine manufacturers the formation of pollutants such as NOx or soot particles is an important issue because the regulations on pollutant emissions are becoming increasingly stringent. In order to comply with these regulations, new concepts of gas turbine combustors must be developed with the help of simulation tools. In this paper we present two different strategies, proposed by ONERA and DLR respectively, to simulate soot or NOx formation in combustors. The first one is based on simple chemistry models allowing significant effort to be spent on the LES description of the flow, while the second one is based on more accurate, but also more expensive, models for soot chemistry and physics. Combustion experiments dedicated to the validation of these strategies are described next: The first one, performed at DLR, was operated at a semi-technical scale and aimed at very accurate and comprehensive information on soot formation and oxidation under well-defined experimental conditions; the second one, characterized at ONERA, was aimed at reproducing the severe conditions encountered in realistic gas turbine combustors. In the third part of the paper the results of combustion simulations are compared to those of the validation experiments. It is shown that a fine description of the physics and chemistry involved in the pollutant formation is necessary but not sufficient to obtain quantitative predictions of pollutant formation. An accurate calculation of the turbulent reactive flow interacting with pollutant formation and influencing dilution, oxidation and transport is also required: when the temperature field is correctly reproduced, as is the case of the ONERA simulation of the DLR combustor, the prediction of soot formation is quite satisfactory while difficulty in reproducing the temperature field in the TLC combustor leads to overestimations of NOx and soot concentrations.Pour les constructeurs de moteurs d’avion, la formation de polluants comme les NOx ou les particules de suies est une question importante car la réglementation sur les émissions polluantes est de plus en plus sévère. Pour respecter cette réglementation, de nouveaux concepts de foyers de turbine à gaz doivent être développés avec l’aide d’outils de simulation. Dans cet article, nous présentons deux stratégies différentes proposées par l’ONERA et le DLR pour simuler la formation des suies et des NOx dans les chambres de combustion. La première est basée sur des modèles chimiques simples permettant de faire porter l’effort de calcul sur la description LES de l’écoulement, tandis que la seconde est basée sur des modèles physico-chimiques de formation des suies plus précis mais aussi plus coûteux en temps de calcul. Des expériences de combustion conçues pour la validation de ces stratégies sont ensuite décrites : La première, réalisée au DLR, reproduit la combustion à une échelle semi-industrielle et a pour but de donner une information très précise et complète sur les mécanismes de formation des suies et leur oxydation dans des conditions expérimentales parfaitement maîtrisées ; la seconde, réalisée à l’ONERA, a pour but de reproduire de façon réaliste les conditions sévères rencontrées dans les foyers de turbine à gaz industrielles. Dans la troisième partie du papier, les résultats des simulations de combustion sont comparés à ceux des expériences de validation. Il est démontré que la description précise de la physique et de la chimie intervenant dans la formation des polluants est nécessaire mais non suffisante pour simuler correctement les quantités de polluants formés. Un calcul précis de l’écoulement turbulent réactif interagissant avec les mécanismes de formation, de dilution, d’oxydation et de transport des polluants est également nécessaire : Lorsque le champ de température est correctement reproduit comme c’est le cas pour la simulation ONERA du foyer DLR, la simulation de la formation des suies est assez satisfaisante, alors qu’une difficulté pour reproduire le champ de température dans le foyer TLC conduit à une surestimation des concentrations de NOx et de suies

Artop – an ecosystem approach for collaborative AUTOSAR tool development

International audienceA successful approach to develop and evolve complex technologies is to establish an ecosystem around such a technology. The AUTOSAR Tool Platform (Artop) builds on this idea of an ecosystem and adapts it to the automotive domain in the field of AUTOSAR tool development. This paper explains how this idea has been implemented with Artop. Artop is an implementation of common base functionality for creating tools used in designing and configuring AUTOSAR compliant E/E systems and electronic control units (ECUs). The platform is jointly developed in an active community of AUTOSAR members and partners. Similar to Eclipse, a well established open source ecosystem, Artop propagates an ecosystem that is based on four principles which are: (1) low entry barriers; (2) commercially friendly licensing; (3) clear technical focus; and (4) awareness for the competitive differentiators. Essentially the Artop ecosystem takes the well known AUTOSAR mission “Cooperate on standards, compete on implementation“ one step further to: “Collaborate on commodities –compete on differentiating implementations”

Drilling for Papers in INKE

In this article, we discuss the first year research plan for the INKE interface design team, which focuses on a prototype for chaining. Interpretable as a subclass of Unsworths scholarly primitive of discovering, chaining is the process of beginning with an exemplary article, then finding the articles that it cites, the articles they cite, and so on until the reader begins to get a feel for the terrain. The chaining strategy is of particular utility for scholars working in new areas, either through doing background work for interdisciplinary interests or else by pursuing a subtopic in a domain that generates a paper storm of publications every year. In our prototype project, we plan to produce a system that accepts a seed article, tunnels through a number of levels of citation, and generates a summary report listing the most frequent authors and articles. One of the innovative features of this prototype is its use of the experimental oil and water interface effect, which uses text animation to provide the user with a sense of the underlying process

The Bax/Bcl-2 Ratio Determines the Susceptibility of Human Melanoma Cells to CD95/Fas-Mediated Apoptosis

Defective cytochrome c release and the resulting loss of caspase-3 activation was recently shown to be essential for the susceptibility of human melanoma cells to CD95/Fas-induced apoptosis. Cytochrome c release from mitochondria is regulated by the relative amounts of apoptosis-promoting and apoptosis-inhibiting Bcl-2 proteins in the outer membrane of these organelles. The assignment of Bax/Bcl-2 ratios by quantitative Western blotting in 11 melanoma cell populations revealed a relation to the susceptibility to CD95-mediated apoptosis. We could show that a low Bax/Bcl-2 ratio was characteristic for resistant cells and a high Bax/Bcl-2 ratio was characteristic for sensitive cells. Low Bax expression was not a consequence of mutations in the p53 coding sequence. The Bax/Bcl-2 ratio was also in clear correlation with sensitivity to another cell death inducer, N-acetylsphingosine. Furthermore, Bcl-2 overexpression abolished apoptosis triggered by both apoptotic stimuli, confirming the critical role of the Bax/Bcl-2 ratio as a rheostat that determines the susceptibility to apoptosis in melanoma cells by regulating mitochondrial function. Interestingly, some chemotherapeutics lead to the activation of death pathways by CD95L upregulation, ceramide generation, direct activation of upstream caspases, or upregulation of proapoptotic genes. Taken together, these signals enter the apoptotic pathway upstream of mitochondria, resulting in activation of this central checkpoint. We therefore assumed that apoptosis deficiency of malignant melanoma can be circumvented by drugs directly influencing mitochondrial functions. For this purpose we used betulinic acid, a cytotoxic agent selective for melanoma, straightly perturbing mitochondrial functions. In fact, betulinic acid induced mitochondrial cytochrome c release and DNA fragmentation in both CD95-resistant and CD95-sensitive melanoma cell populations, independent of the Bax/Bcl-2 ratio

Estimating Trends in the Proportion of Transmitted and Acquired HIV Drug Resistance in a Long Term Observational Cohort in Germany

Objective: We assessed trends in the proportion of transmitted (TDR) and acquired (ADR) HIV drug resistance and associated mutations between 2001 and 2011 in the German ClinSurv-HIV Drug Resistance Study. Method: The German ClinSurv-HIV Drug Resistance Study is a subset of the German ClinSurv-HIV Cohort. For the ClinSurv-HIV Drug Resistance Study all available sequences isolated from patients in five study centres of the long term observational ClinSurv-HIV Cohort were included. TDR was estimated using the first viral sequence of antiretroviral treatment (ART) naive patients. One HIV sequence/patient/year of ART experienced patients was considered to estimate the proportion of ADR. Trends in the proportion of HIV drug resistance were calculated by logistic regression. Results: 9,528 patients were included into the analysis. HIV-sequences of antiretroviral naive and treatment experienced patients were available from 34% (3,267/9,528) of patients. The proportion of TDR over time was stable at 10.4% (95% CI 9.1-11.8; p (for trend)=0.6; 2001-2011). The proportion of ADR among all treated patients was 16%, whereas it was high among those with available HIV genotypic resistance test (64%; 1,310/2,049 sequences; 95% CI 62-66) but declined significantly over time (OR 0.8; 95% CI 0.77-0.83; p (for trend)<0.001; 2001-2011). Viral load monitoring subsequent to resistance testing was performed in the majority of treated patients (96%) and most of them (67%) were treated successfully. Conclusions: The proportion of TDR was stable in this study population. ADR declined significantly over time. This decline might have been influenced by broader resistance testing, resistance test guided therapy and the availability of more therapeutic options and not by a decline in the proportion of TDR within the study population

Personal Dosimetry in Pulsed Photon Fields with the Dosepix Detector

First investigations regarding dosimetric properties of the hybrid, pixelated, photon-counting Dosepix detector in a pulsed photon field (RQR8) for the personal dose equivalent $H\mathrm{_p(10)}$ are presented. The influence quantities such as pulse duration and dose rate were varied, and their responses were compared to the legal limits provided in PTB-A 23.2. The variation of pulse duration at a nearly constant dose rate of 3.7$\,$Sv/h shows a flat response around 1.0 from 3.6$\,$s down to 2$\,$ms. A response close to 1.0 is achieved for dose rates from 0.07$\,$mSv/h to 35$\,$Sv/h for both pixel sizes. Above this dose rate, the large pixels (220$\,\mathrm{\mu}$m edge length) are below the lower limit. The small pixels (55$\,\mathrm{\mu}$m edge length) stay within limits up to 704$\,$Sv/h. The count rate linearity is compared to previous results, confirming the saturating count rate for high dose rates.Comment: 6 pages, 3 figures. This work has been submitted to the IEEE for possible publication. Copyright may be transferred without notice, after which this version may no longer be accessibl

Eficacia y costo-utilidad de primer reemplazo total de cadera y rodilla en pacientes con osteoartritis

Objetivo: determinar la eficacia, costos y razón incremental de costo-utilidad (RICU) de la cirugía de primer reemplazo total de rodilla y cadera en pacientes con osteoartritis

A Novel System of Polymorphic and Diverse NK Cell Receptors in Primates

There are two main classes of natural killer (NK) cell receptors in mammals, the killer cell immunoglobulin-like receptors (KIR) and the structurally unrelated killer cell lectin-like receptors (KLR). While KIR represent the most diverse group of NK receptors in all primates studied to date, including humans, apes, and Old and New World monkeys, KLR represent the functional equivalent in rodents. Here, we report a first digression from this rule in lemurs, where the KLR (CD94/NKG2) rather than KIR constitute the most diverse group of NK cell receptors. We demonstrate that natural selection contributed to such diversification in lemurs and particularly targeted KLR residues interacting with the peptide presented by MHC class I ligands. We further show that lemurs lack a strict ortholog or functional equivalent of MHC-E, the ligands of non-polymorphic KLR in “higher” primates. Our data support the existence of a hitherto unknown system of polymorphic and diverse NK cell receptors in primates and of combinatorial diversity as a novel mechanism to increase NK cell receptor repertoire