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Mechanical ventilation can be a life saving treatment. However, due to the inhomogeneous and anisotropic behavior of the lung tissue, ventilation can also lead to overdistensions of lung regions whereas other areas remain even collapsed. A first step is a more comprehensive understanding of the flow mechanics under normal breathing conditions in a healthy lung as well as for a diseased, collapsed lung. This is the aim of this work. Therefore, a realistic model of the upper human airways has been generated at which experimental and numerical investigations could be carried out. Experimentally, the flow was analyzed by means of Particle Image Velocimetry (PIV) measurements which revealed new details about the flow patterns occurring during different ventilation frequencies. Numerical results were in good agreement with the experimental results and could provide new details about the three-dimensional flow structure and emerging secondary flow within the upper airways. The study of reopening of collapsed airways has shown that larger frequencies lead to airway reopening without overdistension of already open parts. Higher frequencies also lead to homogenization of mass flow distribution within the human lung. / Künstliche Beatmung ist meist eine lebensrettende Maßnahme. Aufgrund der räumlich anisotropen und inhomogenen Eigenschaften der Lunge kann die Beatmung jedoch auch zu einer Schädigung der Lunge führen. Daraus ergibt sich die Forderung einer „Protektiven Beatmung“. Ein erster Schritt dahingehend ist ein verbessertes Verständnis der Atmung und Beatmung am Beispiel der gesunden sowie kranken, teilweise kollabierten Lunge. Dies ist das Ziel der Arbeit. Hierfür wurde ein realistisches Modell der oberen Atemwege (Tracheobronchialbaum) angefertigt. An diesem Modell können sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen durchgeführt werden. Experimentell wurde die Strömung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht, wobei neue Details bezüglich der auftretenden Strömungsmuster für unterschiedliche Frequenzen gefunden wurden. Numerische Strömungsberechnungen stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Dreidimensionale Strömungsstrukturen sowie die Entwicklung von Sekundärwirbeln in der Lunge konnten erklärt werden. Eine Studie am kranken, teilweise kollabierten Lungenmodell zeigte, dass mit steigender Frequenz kollabierte Bereiche wiedereröffnet werden können. Höhere Frequenzen führen weiterhin zu einer Homogenisierung der Massenstromverteilung in der Lunge.

University, Diss., 2005--Heidelberg.

In der Schriftenreihe werden alle Ergebnisse der geologischen Untersuchungen vorgestellt, die seit 2011 im Umfeld der geplanten Eisenbahnneubaustrecke Dresden-Prag durchgeführt worden sind. Der geplante mindestens 25 km lange, grenzüberschreitende Erzgebirgsbasistunnel durchquert verschiedene Gesteine und komplexe Störungszonen. Untersuchungsschwerpunkt waren die geologischen, tektonischen und hydrogeologischen Verhältnisse im grenznahen Raum des geplanten Trassenkorridos. Die Veröffentlichung richtet sich an Behörden, Institutionen, Ingenieur- und Planungsbüros, die sich mit der Umsetzung der Neubaustrecke beschäftigen sowie an die geologisch interessierte Fachwelt und Öffentlichkeit. Redaktionsschluss: 28.08.2020

Grundsätzlich ist für die nachhaltige Nutzung einer Lagerstätte die Kenntnis der Geologie von signifikanter Bedeutung. Unter Einbeziehung und Aufbereitung vielfältiger Eingangsdaten wurde erstmals eine komplexe geologische Interpretation des Werra-Kaligebietes vorgelegt, die sowohl das Suprasalinar und Salinar als auch das Subsalinar umfasst. Mit Hilfe eines eigens zu diesem Zweck erstellten 3D-Strukturmodells wurden Untersuchungen zu Auswirkungen struktureller und geologischer Merkmale auf wesentliche Eigenschaften der Lagerstätte durchgeführt. So erfolgte u. a. die Analyse der Verteilung der Wertstoffgehalte der sich im Abbau befindlichen Kaliflöze im Hinblick auf das 3D-Strukturmodell. Auch wurden die Häufigkeit, die räumliche Verteilung und die Größe von Gasereignissen im Kontext zur geologischen Entwicklung des Werra-Kaligebietes untersucht. Die vorgelegte Dissertation stellt einen Beitrag zur Erforschung der Beckenentwicklung dar und ermöglicht eine Übertragung gewonnener Erkenntnisse auf zukünftige Abbaubereiche der Lagerstätte.:Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 Präzisierung der Aufgabenstellung 3 Wissenschaftlicher Kenntnisstand zum Werra-Kaligebiet 3.1 Geographische und topographische Situation 3.2 Regionalgeologischer Rahmen 3.2.1 Paläogeographie 3.2.2 Tektonische Einordnung und Entwicklung 3.2.3 Strukturinventar von Subsalinar, Salinar und Suprasalinar im Werra- Kaligebiet 3.2.3.1 Tektonische Erscheinungsformen im Subsalinar 3.2.3.2 Tektonische Erscheinungsformen im Salinar 3.2.3.3 Tektonische Erscheinungsformen im Suprasalinar 3.3 Stratigraphische Gliederung 3.3.1 Präzechstein 3.3.2 Zechstein 3.3.3 Postzechstein 4 Eingangsdaten und methodische Vorgehensweise 4.1 Arbeitsvorbereitung und Datenaufbereitung 4.1.1 Digitales Geländemodell 4.1.2 Geologische Karten 4.1.3 Bohrungsdaten aus Tagesbohrungen 4.1.4 Grubenrissliche Unterlagen 4.1.4.1 Bohrungsdaten aus Untertagebohrungen 4.1.4.2 Fazies- und Strukturdaten 4.1.4.3 Vulkanitvorkommen 4.1.4.4 Gasereignisse 4.1.4.5 Wertstoffgehalte 4.1.5 Georadardaten 4.1.6 Seismikdaten 4.1.7 Geomagnetik 4.1.8 Gravimetrie 4.2 Eingangsdaten und Geomodellierung 4.2.1 Definition Modellraum und stratigraphische Tabelle 4.2.2 Eingangsdaten und Erstellung Störungen 4.2.3 Eingangsdaten und Erstellung der Horizonte 5 Ergebnisse 5.1 Ergebnis der geologischen Modellierung 5.2 Güte des 3D-Strukturmodells 5.3 Auswertung des 3D-Strukturmodells 5.3.1 Isobathenpläne ausgewählter stratigraphischer Horizonte 5.3.2 Isopachenpläne ausgewählter stratigraphischer Abschnitte 5.3.3 Geologische Profile 5.3.4 Fazieskarten und Störungszonen 5.3.5 Ergebnisse zu Wertstoffgehalten 5.3.6 Ergebnisse zu Gasereignissen und Vulkanitvorkommen 5.3.6.1 Häufigkeit der Gasereignisse 5.3.6.2 Größe der Gas-Salz-Ausbrüche 5.3.6.3 Beziehungen der Häufigkeit von Gasereignissen, der Größe von Gas-Salz- Ausbrüchen, der Fazies und der Eigenschaften der Vulkanite 6 Diskussion der Ergebnisse 6.1 Ableitung zur Senkungsentwicklung des Arbeitsgebietes 6.2 Differenzierte geologische Entwicklung des Arbeitsgebietes unter Berücksichtigung einzelner Strukturelemente 6.2.1 Beginn des Zechstein 6.2.2 Verlauf Zechstein 6.2.3 Trias 6.2.4 Jura und Kreide 6.2.5 Tertiär 6.3 Fazielle Ausbildung der Kaliflöze in Bezug zu der geologischen Entwicklung des Arbeitsgebietes 6.4 Wertstoffverteilung der Kaliflöze im Hinblick auf die geologische Entwicklung des Arbeitsgebietes 6.5 Gasimprägnationen 6.6 Auswirkungen und Übertragbarkeit der Ergebnisse 7 Zusammenfassung 8 Fazit und Ausblick

A three-dimensional inversion was implemented for magnetotellurics, which is a passive electromagnetic method in geophysics. It exploits natural electromagnetic fields of the Earth, which function as sources. Their interaction with the conductive parts of the subsurface are registered when components of the electric and the magnetic field are measured and evaluated. The all-at-once approach is an inversion scheme that is relatively new to geophysics. In this approach, the objective function – the basis of each inversion – is called the Lagrangian. It consists of three parts: (i) the data residual norm, (ii) the regularisation part, and (iii) the forward problem. The latter is the significant difference to conventional inversion approaches that are built up of a forward calculation part and an inversion part. In the case of all-at-once, the forward problem is incorporated in the objective function and is therefore already taken into account in each inversion iteration. Thus, an explicit forward calculation is obsolete. As an objective function, the Lagrangian shall reach a minimum and therefore its first and second derivatives are evaluated. Hence, the gradient of the Lagrangian and its Hessian are constituent parts of the KKT system – the Newton-type system that is set up in the all-at-once inversion. Conventional inversion approaches avoid the Hessian because it is a large, dense, not positive definite matrix that is challenging to handle. However, it provides additional information to the inversion, which raises hope for a high quality inversion result. As a first step, the inversion was programmed for the more straightforward one-dimensional magnetotelluric case. This was particularly suitable to become familiar with sQMR – a Krylov subspace method which is essential for the three-dimensional case to be able to work with the Hessian and the resulting KKT system. After the implementation and validation of the one-dimensional forward operator, the Lagrangian and its derivatives were set up to complete the inversion, which successfully solved the KKT system. Accordingly, the three-dimensional forward operator also needed to be implemented and validated, which was done using published data from the 3D-2 COMMEMI model. To realise the inversion, the Lagrangian was assembled and its first and second derivatives were validated with a test that exploits the Taylor expansion. Then, the inversion was initially programmed for the Gauss-Newton approximation where second order information is neglected. Since the system matrix of the Gauss-Newton approximation is positive definite, the solution of this system of equations could be carried out by the conventional solver pcg. Based on that, the complete KKT system (Newton\\\'s method) was set up and preconditioned sQMR solved this system of equations.

Mechanical ventilation can be a life saving treatment. However, due to the inhomogeneous and anisotropic behavior of the lung tissue, ventilation can also lead to overdistensions of lung regions whereas other areas remain even collapsed. A first step is a more comprehensive understanding of the flow mechanics under normal breathing conditions in a healthy lung as well as for a diseased, collapsed lung. This is the aim of this work. Therefore, a realistic model of the upper human airways has been generated at which experimental and numerical investigations could be carried out. Experimentally, the flow was analyzed by means of Particle Image Velocimetry (PIV) measurements which revealed new details about the flow patterns occurring during different ventilation frequencies. Numerical results were in good agreement with the experimental results and could provide new details about the three-dimensional flow structure and emerging secondary flow within the upper airways. The study of reopening of collapsed airways has shown that larger frequencies lead to airway reopening without overdistension of already open parts. Higher frequencies also lead to homogenization of mass flow distribution within the human lung. / Künstliche Beatmung ist meist eine lebensrettende Maßnahme. Aufgrund der räumlich anisotropen und inhomogenen Eigenschaften der Lunge kann die Beatmung jedoch auch zu einer Schädigung der Lunge führen. Daraus ergibt sich die Forderung einer „Protektiven Beatmung“. Ein erster Schritt dahingehend ist ein verbessertes Verständnis der Atmung und Beatmung am Beispiel der gesunden sowie kranken, teilweise kollabierten Lunge. Dies ist das Ziel der Arbeit. Hierfür wurde ein realistisches Modell der oberen Atemwege (Tracheobronchialbaum) angefertigt. An diesem Modell können sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen durchgeführt werden. Experimentell wurde die Strömung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht, wobei neue Details bezüglich der auftretenden Strömungsmuster für unterschiedliche Frequenzen gefunden wurden. Numerische Strömungsberechnungen stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Dreidimensionale Strömungsstrukturen sowie die Entwicklung von Sekundärwirbeln in der Lunge konnten erklärt werden. Eine Studie am kranken, teilweise kollabierten Lungenmodell zeigte, dass mit steigender Frequenz kollabierte Bereiche wiedereröffnet werden können. Höhere Frequenzen führen weiterhin zu einer Homogenisierung der Massenstromverteilung in der Lunge.