In den letzten Jahren wurden relativ komplexe Erosionsmodelle entwickelt, deren Teilprozesse immer mehr auf physikalisch begründeten Ansätzen beruhen. Damit verbunden ist eine höhere Anzahl aktueller Eingangsparameter, deren Bestimmung im Feld arbeits- und kostenaufwendig ist. Zudem werden die Parameter punktuell, also an bestimmten Stellen und nicht flächenhaft wie bei der Fernerkundung, erfasst. <br /> <br /> Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, wie Satellitendaten als relativ kostengünstige Ergänzung oder Alternative zur konventionellen Parametererhebung genutzt werden können. Dazu werden beispielhaft der Blattflächenindex (LAI) und der Bedeckungsgrad für das physikalisch begründete Erosionsmodell EROSION 3D abgeleitet. Im Mittelpunkt des Interesses steht dabei das Aufzeigen von existierenden Methoden, die die Basis für eine operationelle Bereitstellung solcher Größen nicht nur für Erosions- sondern allgemein für Prozessmodelle darstellen. Als Untersuchungsgebiet dient das primär landwirtschaftlich genutzte Einzugsgebiet des Mehltheuer Baches, das sich im Sächsischen Lößgefilde befindet und für das Simulationsrechnungen mit konventionell erhobenen Eingangsparametern für 29 Niederschlagsereignisse im Jahr 1999 vorliegen [MICHAEL et al. 2000].<br /> <br /> Die Fernerkundungsdatengrundlage bilden Landsat-5-TM-Daten vom 13.03.1999, 30.04.1999 und 19.07.1999. Da die Vegetationsparameter für alle Niederschlagsereignisse vorliegen sollen, werden sie basierend auf der Entwicklung des LAI zeitlich interpoliert. Dazu erfolgt zunächst die Ableitung des LAI für alle vorhandenen Fruchtarten nach den semi-empirischen Modellen von CLEVERS [1986] und BARET & GUYOT [1991] mit aus der Literatur entnommenen Koeffizienten. Des Weiteren wird eine Methode untersucht, nach der die Koeffizienten für das Clevers-Modell aus den TM-Daten und einem vereinfachten Wachstumsmodell bestimmt werden. Der Bedeckungsgrad wird nach ROSS [1981] aus dem LAI ermittelt. Die zeitliche Interpolation des LAI wird durch die schlagbezogene Anpassung eines vereinfachten Wachstumsmodells umgesetzt, das dem hydrologischen Modell SWIM [KRYSANOVA et al. 1999] entstammt und in das durchschnittliche Tagestemperaturen eingehen. Mit den genannten Methoden bleiben abgestorbene Pflanzenteile unberücksichtigt. Im Vergleich zur konventionellen terrestrischen Parametererhebung ermöglichen sie eine differenziertere Abbildung räumlicher Variabilitäten und des zeitlichen Verlaufes der Vegetationsparameter.<br /> <br /> Die Simulationsrechnungen werden sowohl mit den direkten Bedeckungsgraden aus den TM-Daten (pixelbezogen) als auch mit den zeitlich interpolierten Bedeckungsgraden für alle Ereignisse (schlagbezogen) durchgeführt. Bei beiden Vorgehensweisen wird im Vergleich zur bisherigen Abschätzung eine Verbesserung der räumlichen Verteilung der Parameter und somit eine räumliche Umverteilung von Erosions- und Depositionsflächen erreicht. Für die im Untersuchungsgebiet vorliegende räumliche Heterogenität (z. B. Schlaggröße) bieten Landsat-TM-Daten eine ausreichend genaue räumliche Auflösung. Damit wird nachgewiesen, dass die satellitengestützte Fernerkundung im Rahmen dieser Untersuchungen sinnvoll einsetzbar ist. Für eine operationelle Bereitstellung der Parameter mit einem vertretbaren Aufwand ist es erforderlich, die Methoden weiter zu validieren und möglichst weitestgehend zu automatisieren. / Soil erosion models become increasingly more complex and contain physically based components, resulting in changing requirements for their input parameters. The spatial and temporal dynamics of erosions forcing parameters thus produce high requirements on data availability (costs and manpower). Due to this fact, the use of complex erosion models for extensive regions is strongly limited by the high in-situ expense. Moreover, conventional measurement procedures provide parameters at certain points, while remote sensing is a two-dimensional retrieval method.<br /> <br /> This thesis demonstrates, how satellite data can be used as a cost-effective supplementation or alternative to conventional measurement procedures. Leaf area index (LAI) and soil cover percentage are examplarily derived for the EROSION 3D physically based soil erosion model. The main objective of this study is to summarise existing retrieval methods in order to operationally provide such paramaters for soil erosion models or for process models in general. The methods are applied to a catchment in the loess region in Saxony (Germany), that predominantly is agriculturally used. For comparison, simulations based on conventionally estimated parameters for 29 rainstorm events are available [MICHAEL et al. 2000]. <br /> <br /> The remote sensing parameters are derived from Landsat 5 TM data on the following dates: 13.03.1999, 30.04.1999, 19.07.1999. To get temporally continuous data for all events, they are interpolated between the acquisition dates based on the LAI development. Therefore, LAI is firstly calculated for all occurring crops by means of the semi-empirical models of CLEVERS [1986] and BARET & GUYOT [1991]. The coefficients appropriated to these models are taken from literature. Furthermore, a method is investigated that enables coefficient estimation for the Clevers model from Landsat data combined with a simplified growth model. Next, soil cover percentage is derived from LAI after ROSS [1981]. The LAI interpolation is performed by the simplified crop growth model from the SWIM hydrological model [Krysanova et al. 1999]. It has to be mentioned, that plant residue remains unconsidered by the used methods. In comparison to conventional measurement procedures, these methods supply a differentiated mapping of the spatial variability and temporal behaviour regarding the vegetation parameters.<br /> <br /> The simulations with EROSION 3D are carried out for the remotely sensed soil cover percentages, that are retrieved in two ways. Soil cover is directly derived from the remote sensing data for each pixel at the acquisition dates as well as estimated by means of the interpolation for each field on all rainstorm events. In comparison to conventionally determined soil cover, both methods provide an improved spatial allocation of this parameter and thus, a spatial reallocation of erosion and deposition areas. The used Landsat Data provide an adequate spatial resolution suitable for the spatial heterogeneity given in the test area (e. g. field size). These results show that satellite based remote sensing can be reasonably used within the scope of these investigations. In the future, operational retrieval of such remotely sensed parameters necessitates the validation of the proposed methods and in general the automation of involved sub-processes to the greatest possible extent

For the purpose of erosion prevention the present study aimed to compare the efficacy of two biomimetic products and a fluoride solution to optimize the protective properties of the pellicle. After 1 min of in situ pellicle formation on bovine enamel slabs, 8 subjects adopted CPP-ACP (GC Tooth Mousse), a mouthwash with hydroxyapatite microclusters (Biorepair), or a fluoride based mouthwash (elmex Kariesschutz) for 1 min each. Afterwards, samples were exposed in the oral cavity for 28 min. Native enamel slabs and slabs exposed to the oral cavity for 30 min without any rinse served as controls. After oral exposure, slabs were incubated in HCl (pH values 2, 2.3, and 3) for 120 s and kinetics of calcium and phosphate release were measured photometrically; representative samples were evaluated by SEM and TEM. The physiological pellicle reduced demineralization at all pH values; the protective effect was enhanced by fluoride. The biomimetic materials also reduced ion release but their effect was less pronounced. SEM indicated no layer formation after use of the different products. However, TEM confirmed the potential accumulation of mineral components at the pellicle surface. The tested products improve the protective properties of the in situ pellicle but not as effectively as fluorides.

Triebwerkskomponenten in Luft- und Raumfahrtfahrzeugen unterliegen im Einsatz erosivem Verschleiß. Feine Stäube und Partikel wie Sand, Vulkanasche und Eiskristalle führen bei einer Wechselwirkung mit den Triebwerksschaufeln zum Materialabtrag. Auswirkungen reichen von einer erhöhten Oberflächenrauheit der Schaufel bis hin zu einer Veränderung der Bauteilgeometrie. Im Bereich des Verdichters treffen z. B. angesaugte Partikel senkrecht auf die Schaufelvorderkanten auf, wodurch sich die Profilsehnen verkürzen. Im Bereich der Schaufelhinterkanten erfolgt aufgrund des flachen Auftreffwinkels des Abrasivmittels ein flächiger Materialabtrag, der die Schaufeldicke reduziert. Durch eine Beschichtung von Bauteiloberflächen eröffnet sich eine Möglichkeit, Triebwerksschaufeln effektiv vor Partikelerosion zu schützen. Im Vordergrund der Entwicklung von Erosionsschutzschichten steht ihre verschleißreduzierende Wirkung, die durch das bestmögliche Verhältnis von Schichtzähigkeit und –härte zum Grundwerkstoff erreicht wird. Diese Arbeit liefert Untersuchungen zu Wechselwirkungen zwischen Beschichtungen und Grundwerkstoff als Gesamtsystem und den daraus resultierenden Einfluss auf das Partikelerosionsverhalten des Bauteils. Ziel der Untersuchungen ist es, eine bestmögliche Auswahl qualifizierter Schichtsysteme für den Erosionsschutz zu gewährleisten. Dafür wurden verschiedene Kombinationen aus PVD-Beschichtungen (konventionelle Hartstoffschichten, Cr2AlC MAX-Phase, DLC ta-C) und Grundwerkstoffen (Inconel 718 lösungsgeglüht, Inconel 718 ausscheidungsgehärtet, WC-Co) hinsichtlich ihres Partikelerosionsverhaltens getestet und ihre Schichtverbundeigenschaften charakterisiert, um relevante Einflussgrößen auf die Partikelerosion zu eruieren. Die dabei ablaufenden verschiedenen Erosionsmechanismen wurden analysiert und in grundlegende Modelle überführt. Abgerundet wurden diese experimentellen Untersuchungen mit theoretischen Betrachtungen zum mechanischen Verhalten unterschiedlicher Kombinationen von Beschichtung und Grundwerkstoff bei Partikelimpakt. Die vorliegende Arbeit leistet einen essentiellen Beitrag zum besseren Verständnis des Einflusses von Schicht-Grundwerkstoff-Verbundeigenschaften auf das Partikelerosionsverhalten. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass das Deformationsverhalten des Substrats einen erheblichen Einfluss auf das Erosionsverhalten des Schicht-Grundwerkstoff-Systems hat. Im Falle eines duktilen Substrats ist eine entsprechend gute Schichthaftung von wesentlicher Bedeutung. Die Erosionsversuche auf hartem WCCo Grundwerkstoff zeigen, dass bei Vorhandensein identischer mechanischer Eigenschaften von Substrat und Beschichtung die Schichthaftung nicht in dem Maße erforderlich ist, wie bei plastisch verformbaren Grundwerkstoffen. Erstmalig wird in dieser Arbeit das schadenstolerante Erosionsverhalten der superharten DLC ta-C-Beschichtung auf duktilem Inconel 718 aufgezeigt. Der hohe elastische Verformungsanteil der DLC-Beschichtung in Kombination mit einer guten Schichthaftung resultiert in einem hohen Erosionswiderstand des Schicht-Grundwerkstoff-Verbunds, wobei im Versuch keine plastische Verformung des Grundwerkstoffs nachgewiesen wird.

Marine bioeroders, borers, and burrowers can have drastic effects to marine habitats and facilities. By physically altering the structure of marine habitats, these organisms may elicit ecosystem-level effects that cascade through the community. While borer damage is typically restricted to a few substratum types, burrowing isopods in the genus Sphaeroma attack a diversity of substrata in tropical and temperate systems. My dissertation examined how boring sphaeromatid isopods affect coastal habitats (saltmarshes, mangroves) and other estuarine substrata as well as marine structures. I used a combination of lab and mensurative field experiments to quantify the effects of boring by isopods and examine how select factors affect the colonization, hence burrowing damage by isopods. I explored these questions primarily using the temperate boring sphaeromatid, Sphaeroma quoianum, as a model organism. My initial lab experiments quantified the per capita erosion rates of S. quoianum in four commonly attacked estuarine substrata. I found marsh banks and Styrofoam substrata were the most affected per capita. I supplemented this lab experiment with a year-long mensurative field experiment examining how erosion rates differ between marshes infested and uninfested by boring isopods. Marshes infested with isopods eroded 300% faster than uninfested marshes. I further examined the boring effects on Styrofoam floats. I compiled surveys and observations and conducted a short experiment to describe how isopods affect Styrofoam floats used in floating docks. I observed dense colonies of isopods attacking floats and expelling millions of plastic particles in the ocean. The boring effects to simulated Styrofoam floats were also affected by seawater temperature. Burrowing effects in Styrofoam floats exhibited a curvilinear relationship with temperature and peaked around 18°C. These results suggest a 1-2°C increase in water temperature could increase boring effects 5-17% of populations of isopods in Oregon and California bays. To examine the small-scale factors that mediate colonization and boring, I conducted a series of binary choice experiments. I found the presence of conspecifics, biofilm, and shade were important factors influencing colonization. These small scale factors likely explain why isopod attack is focused in some substrata. Finally, to examine the boring effects of tropical isopods in mangroves, I examined the associations between burrowing by S. terebrans and mangrove performance and fecundity. I found negative relationships between boring effects and performance and fecundity in two mangrove species in a restored mangrove stand in Taiwan. Together, these studies elucidate the effects of bioerosive isopods on saltmarshes, mangroves, and marine structures. However, the similar mechanisms involved in bioerosion in other boring species suggest that these results can be used to infer similar effects of other borers. In addition, since many species of sphaeromatid isopods have been introduced, this research shows how the effects of a non-native bioeroder can damage marine facilities and degrade and alter marine habitats. Through biological erosion and thus changing the physical structure of a marine habitat these non-native species can have ecosystem-level effects that cascade throughout the local community.

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Low pressure steam turbine last stage blade behaviour was investigated and researched over duration of this PhD project period. The aim of the research was to enhance the life of last stage blades by investigation and mitigation of the accumulative damage throughout the life of the turbine blade. The research was mainly broken down in to three main themes covering erosion, High Cycle Fatigue in industrial service and High Cycle Fatigue under laboratory conditions. The three themes were then further analysed during the research analysis for correlation and the extent of accumulative damage contribution during each stage. An accumulative damage model was constructed together with mathematical expressions for each stage of accumulative damage. The erosion damage model was constructed first and separately, followed by a separate damage model for crack initiation and propagation. After this a combined damage model was constructed to represent accumulative damage throughout the turbine blade lifecycle. After the damage mechanisms were researched and understood, a damage mitigation model was constructed consisting of primary damage mechanisms and secondary damage mechanisms. The primary damage mechanisms were then investigated further and a life extension technique developed to increase turbine blade life by reducing damage rates per turbine start, giving more starts life capability to the last stage blades. The secondary mitigation mechanisms was not covered in this project and regarded as future work under the low pressure turbine life extension possibilities. The research work also gave a spin off which allowed the author to conduct and finish a separate piece of work of designing the problem out through redesigning the turbine blade and condenser space in conjunction with leading experts from the industry.

published_or_final_version / Civil Engineering / Doctoral / Doctor of Philosophy

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