Mit dieser Arbeit liegt eine ausführliche Studie zu den Integralverfahren der Grenzschichttheorie vor. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Dissipationsintegralverfahren. Im Vergleich zu anderen Grenzschichtverfahren bestehen die generellen Vorteile der Integralverfahren in ihrer Robustheit, ihrer hohen Praktikabilität sowie den im Sinne der aufzuwendenden Computerkapazität geringen Kosten. Ein spezieller Vorteil der Dissipationsintegralverfahren ist es zudem, das komplette Schubspannungsprofil der Grenzschicht zu berücksichtigen. Über eine entsprechende Ableitung der Dissipationsintegrale kann die Vorgeschichte der Grenzschicht erfassen werden. Ausgangspunkt der Arbeit ist eine Literaturanalyse, welche aufzeigt, dass Integralverfahren weit verbreitet sind und für vielfältige Typen von Grenzschichten Anwendung finden. Ausgehend von den Navier-Stokes-Gleichungen wird über die Grenzschichtgleichungen die allgemeine Form der Dissipationsintegralgleichungen hergeleitet. Auf der Basis dieser Gleichungen werden Berechnungsalgorithmen für zwei- und dreidimensionale Grenzschichten entworfen und ausführlich diskutiert. Die zur Komplettierung der Berechnungsalgorithmen benötigten Parameterzusammenhänge werden aus expliziten Geschwindigkeitsprofilen hergeleitet. Hierzu werden beruhend auf dem Zweischichtenmodell turbulenter Grenzschichten Geschwindigkeitsprofile turbulenter Grenzschichten diskutiert. Drei Kombinationen von Haupt- und Querströmungsprofil werden für den dreidimensionalen Fall ausgewählt und algorithmisch umgesetzt. Die Algorithmen für zweidimensionale Grenzschichten beruhen auf einem Geschwindigkeitsprofil. Dem Aufbau der Algorithmen schließen sich ausführliche Testrechnungen sowie eine Bewertung der Verfahren an. Es wird festgestellt, dass Dissipationsintegralverfahren für zwei- und dreidimensionale Grenzschichten mit gutem Erfolg angewandt werden können. Vergleiche der Rechenergebnisse für zweidimensionale Grenzschichten zeigen die zumindest Gleichwertigkeit mit Zweigleichungsmodellen an. / Calculation and prediction of turbulent boundary layers are among the most challenging tasks of present fluid mechanics. A strong demand exists for robust, easy-to-handle and in terms of computing effort cheap algorithms which can be used for technical applications. From an engineering point of view zonal methods and RANS are the most useful tools for solution of fluid mechanical problems. It is known that zonal methods which use integral approaches for the description of the boundary layer can be used successfully in manifold forms. One way to improve zonal methods further is the Basically three different types of integral algorithms - entrainment, momentum of momentum and dissipation integral method - can be derived from the three-dimensional boundary layer equations. If one compares the usual entrainment integral method with the dissipation integral method it turns out that the latter has the following physical advantages. While the entrainment method considers information about the shear stress distribution only at the outer edge of the boundary layer, the dissipation integral method uses the whole distribution. This work gives an overview over dissipation integral method and extends them to three-dimensional boundary layers. The general integral equations for the three-dimensional case are derived. Using two different sets of mean velocity profiles the hyperbolical character of a dissipation integral method is shown. Apart from the integral momentum balance, the dissipation integral method satisfies a second major balance with the integral balance of mechanical energy. It is found that for a practical calculation the integral momentum equation and the integral energy equation are most useful. Sixteen two-dimensional experimental test cases with none-zero pressure gradients were computed. It was found that the averaged relative deviation between measured and computed values for the skin friction coefficient is about 5 % and about 3 % for the shape parameter. Two three-dimensional fully turbulent boundary layers approaching an obstacle where computed. The agreement between experimental results and the calculation is reasonably good. The calculation allows the prediction of the velocity distributions. Flow angle and flow gradient angle distributions being additional results.

Daily analyses of the zonal and meridional prevailing wind at the mesopause ( - 95 km height) are investigated with respect to planetary wave scale oscillations with periods ranging between 2 and 18 days. A mean climatology of the years 1983 - 1994 is presented. Time series of planetary wave activity show a significant increase during this period, which is in accordance with results from literature. / Tägliche Analysen des zonalen und meridionalen Grundwindes in der Mesopausenregion (- 95 km Höhe) werden hinsichtlich planetarer Wellenaktivität im Periodenbereich von 2 bis 18 Tagen untersucht. Es wird eine mittlere Klimatologie der Jahre 1983 - 1994 dargestellt. In diesem Zeitraum ist eine signifikante Zunahme der Wellenaktivität zu verzeichnen, die in Übereinstimmung mit Literaturangaben steht.

Results of total reflection mesopause wind measurements, carried out at the Collm Observatory of the University of Leipzig in 1994 are presented with special regard to the CRISTA period in November 1994. Height-time cross-sections of the prevailing wind and the semidiumal tidal amplitude and phase show the variation of these parameters during the course of the year. In autumn and early winter oscillations of the prevailing wind with a period of about 2 - 3 weeks are found. They are partly due to an overshooting of the parameters while the circulation adjusts to its winter conditions. A comparison of the zonal prevailing wind in 1994 with the values measured since 1982 shows a solar cycle dependence. / Ergebnisse von Windmessungen in der Mesopausenregion mit Hilfe der Reflexion von Funkwellen, die am Observatorium Collm der Universität Leipzig durchgeführt wurden, werden vorgestellt, wobei besonderes Gewicht auf die Zeit der CRISTA-Satellitenmission im November 1994 gelegt wird. Höhen-Zeit-Schnitte des Grundwindes und der Amplitude des halbtägigen Gezeitenwindes zeigen die Änderung dieser Parameter im Lauf des Jahres. Im Herbst und frühen Winter werden Oszillationen mit Perioden von 2 - 3 Wochen festgestellt. Diese sind zu Teil durch ein Überschießen bedingt, daß mit der Anpassung an die Winterbedingungen zusammenhängt. Ein Vergleich des zonalen Grundwindes 1994 mit des Werten aus anderen Jahren gibt Hinweise auf eine Abhängigkeit von der solaren Aktivität.

Windmessungen im Mesopausenbereich über Mitteleuropa (Collm, 52°N, I5°E) werden im Hinblick auf Langzeittrends und eine eventuelle Abhängigkeit vom 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus hin untersucht. Der Einfluß der solaren Variabilität ist jahreszeitenabhängig; nur in Frühjahr und Sommer wird eine signifikante Korrelation gefunden. Im Sommer ist diese Abhängigkeit mit stärkeren vertikalen Gradienten des mittleren zonalen Grundwindes im solaren Maximum verbunden. Dies weist auf einen Ursprung dieser Abhängigkeit in der Stratosphäre/Mesosphäre sowie auf Koppelungsmechanismen zwischen Stratosphäre, Mesosphäre und unteren Thermosphäre hin. Da die 2-Tage-Welle vom Gradienten abhängt, führt dies zu einer positiven Korrelation zwischen der Amplitude der 2-Tage-Welle und der Sonnenfleckenrelativzahl. / Mesopause winds over Central Europe (Collm, 52°N, I5°E) are analysed with respect to longterm trends and 11-year solar cycle dependencies. The response of the prevailing wind to the solar cycle differs throughout the year. While in winter no significant correlation between the zonal prevailing wind and the solar activity is found, in spring and summer a negative correlation between solar activity and zonal prevailing wind can be seen from the measurements. This is connected with strenger vertical gradients of the zonal prevailing wind during solar maximum than during solar minimum. This hints to a forcing of the mesopause region dynamical reaction on solar activity from the stratosphere/mesosphere and to coupling processes in the stratosphere-mesosphere-lower thermosphere system. Since the amplitude of the quasi twoday wave is dependent on the zonal mean wind gradient, this is connected with a positive correlation between solar activity and quasi two-day wave activity.

Aus täglichen Analysen des sommerlichen zonalen Grundwindes im Mesopausenbereich, der am Observatorium Collm der Universität Leipzig gemessen wurde, werden niederfrequente Variationen im Zeitbereich planetarer Wellen (10 - 20 Tage) bestimmt. Obwohl die direkte Ausbreitung derartiger Wellen durch die stratosphärischen und mesosphärischen Ostwinde verhindert wird, werden in manchen Jahren trotzdem Oszillationen gemessen, die mit planetaren Wellen im Zusammenhang stehen können. Dies unterstützt die Theorie, daß sich planetare Wellen von der Winterhalbkugel entlang der Zonen schwachen Windes bis in die Mesopausenregion mittlerer und polarer Breiten ausbreiten. Betrachtet man die interanuelle Variabilität dieser Wellen, fällt eine Abhängigkeit von der äquatorialen quasi 2-jährigen Schwingung (QBO) auf, wobei während der Ostphase der QBO die Wellenaktivität gering ist, während sie in der Westphase der QBO stärker sein kann. Der Einfluß der QBO auf die sommerliche Wellenaktivität wird vom 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus moduliert, wobei während des solaren Maximums stärkere Aktivität zu verzeichnen ist. / From daily estimates of the summer mesopause region zonal prevailing wind measured at the Collm Observatory of the University of Leipzig long-term variations in the period range of planetary waves (10-20 days) are detected. Although the direct propagation of these waves from lower layers into the mesosphere is not possible because of the wave filtering in the summer stratospheric and mesospheric easterlies, in some years oscillations are found that can be connected with planetary waves, supporting the theory of the propagation of these waves from the equatorial region to the midlatitude and polar upper mesosphere along the zero wind line. The interannual variability of these waves shows a dependence on the equatorial quasi-biennial oscillation (QBO), so that in general during the east phase of the QBO the planetary wave activity is small, while during the QBO west phase it can be larger. The influence of the QBO on the planetary wave activity is modulated by the I I-year solar cycle, so that the strongest signal is found during solar maximum.

Neben der Abnahme des Schalldruckes bzw. der Schallintensität mit zunehmender Entfernung von einer Schallquelle (Kugelwellendivergenz) spielt bei der Schallausbreitung in der atmosphärischen Grenzschicht der Einfluss der höhenveränderlichen meteorologischen Größen, speziell der Temperatur und des Windvektors, auf die Geschwindigkeit und Richtung der Schallwellen eine entscheidende Rolle. Da in den bisherigen Richtlinien zur Erstellung von Lärmkatastern (über einen bestimmten Zeitraum gemittelte Schalldruckpegelverteilung in einem Gebiet) oder zur Messung der Schallimmission in der Umgebung von Schallquellen aktuelle meteorologische Informationen nicht einfließen, wird in dieser Studie untersucht, inwieweit ein entsprechend erweitertes Konzept bzw. Modell zu modifizierten Ergebnissen führt. Die Untersuchungen münden in ein Verfahren, das die Schallausbreitungsbedingungen an einem Ort für einen einzelnen Zeitpunkt bzw. während eines bestimmten Zeitraumes entsprechend der aktuellen thermischen Atmosphärenschichtung und den Vertikalprofilen von Windgeschwindigkeit und –richtung bestimmt. Die dafür benötigten Eingangsinformationen können durch Atmosphärenmodelle jederzeit und für beliebige Gitterpunkte bereitgestellt werden. / Except for the decrease of the acoustic pressure and the acoustic intensity with increasing distance between sound source and receiver (spherical divergence) the sound propagation and thereby the velocity and direction of sound waves inside the atmospheric boundary layer will be mainly influenced by the height-variable meteorological quantities, especially temperature and wind vector. Because actual meteorological information are ignored by the existing rules to create a noise register (averaged sound-pressure level distribution during a definite time interval and over a fixed region) or for the measurement of noise in the environment of sound sources, it will be investigated in this study whether an extended concept and model for the sound propagation will lead to modified results or not. The investigations lead to a technique which quantify the local conditions of sound propagation for one time or for a definite period corresponding to the vertical profiles of the air temperature as well as of wind speed and wind direction. The needed input data can be provided anytime and for any grid point by an atmospheric model.

To study especially the influence of a forest canopy on thermodynamic processes in the Atmospheric Boundary Layer (ABL) an one-dimensional model was developed for an ABL including forest as a vertically high resoluted canopy. In contrast to very expensive mesometeorological and LES (Large-Eddy Simulation)-models it is the aim of our study to construct practical simple applicable ABL-model-versions for a rather detailed non steady-state simulation of energy fluxes as well as of windvector, temperature-, humidity- and turbulence-parameter- profiles within and above a forest canopy. The obtained results show clearly that characteristic features of the meteorological fields as temperature are in a general agreement with observations (BEMA). Numerical experiments also describe the considerable influence of the closure approach used and the values for vegetation parameters on the simulation results. / Um den Einfluß eines Waldbestandes auf die thermodynamischen Prozesse in der Atmosphärischen Grenzschicht (AGS) zu untersuchen, wurde ein eindimensionales Modell für eine AGS mit einem Waldbestand als vertikal hoch aufgelöster Vegetationsschicht entwickelt. Im Gegensatz zu den sehr aufwendigen mesoskaligen und LES (Large-Eddy Simulation)-Modellen ist es Ziel dieser Untersuchung, praktisch leicht anwendbare Modellversionen der AGS für die detaillierte instationäre Simulation von Energieflüssen sowie des Windvektors, von Temperatur-, Feuchte- und Turbulenzparameterprofilen inner- und oberhalb des Waldbestandes zu konstruieren. Die erhaltenen Resultate zeigen deutlich, daß die charakteristischen Eigenschaften der meteorologischen Felder, z.B. Temperatur, in genereller Übereinstimmung mit Messungen (BEMA) sind. Die numerischen Experimente geben außerdem den bedeutenden Einfluß der verwendeten Schließungsannahme und der Werte für die Vegetationsparameter auf die Ergebnisse der Simulationen wieder.

In this work, carbon nanotubes were deposited onto the insulative glass fibre surface to form a semiconductive network. Utilizing the unique properties of CNTs network, a multifunctional composite interphase could be achieved. The interfacial adhesion strength was improved by CNTs distributed in the interphase. The semiconductive interphase have been used as a chemical/phaysical sensor, strain sensor and microswitch.

Die Längsbiegefestigkeit von kohlenstofffaserverstärktem Reinmagnesium konnte durch eine geeignete Nanostrukturierung der Bornitridgrenzschichten von 1140 auf 1620 MPa erhöht werden. Diese optimale Nanostrukturierung zeichnet sich dadurch aus, dass die atomaren Basisebenen des hexagonalen Bornitrids an den Grenzflächen zu den C-Faserfilamenten parallel zu deren Oberfläche verlaufen und an der Grenzfläche zur Matrix turbostratisch verknäult sind, wodurch einerseits an der inneren Grenzfläche die Haftung moderat eingestellt wird und andererseits an der äußeren Grenzfläche eine gute mechanische Verzahnung zwischen Schicht und Matrix besteht. Somit lässt diese Texturierung mikromechanische Versagensprozesse zu, wie z. B. energiedispersives Filamentdebonding und Abbau von Spannungskonzentrationen an den Rissspitzen, die eine weitgehende Nutzung der hohen Faserfestigkeit im Verbund ermöglichen.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung des hochauflösenden Atmosphärenmodells ASAMgpu. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Grobstrukturmodell bei dem gröbere Strukturen mit typischen Skalen von Deka- bis Kilometern in der atmosphärischen Grenzschicht explizit aufgelöst werden. Hochfrequentere Anteile und deren Dissipation müssen dabei entweder explizit mit einem Turbulenzmodell oder, wie im Falle des beschriebenen Modells, implizit behandelt werden. Dazu wurde der Advektionsoperator mit einem dissipativen Upwind-Verfahren dritter Ordnung diskretisiert. Das Modell beinhaltet ein Zwei-Momenten-Schema zur Beschreibung mikrophysikalischer Prozesse. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die verwendete thermodynamische Variable, die einige Vorteile herkömmlicher Ansätze vereint. Im Falle adiabatischer Prozesse stellt sie eine Erhaltungsgröße dar und die Quellen und Senken im Falle von Phasenumwandlungen sind leicht ableitbar. Außerdem können die benötigten Größen Temperatur und Druck explizit berechnet werden. Das gesamte Modell wurde in C++ implementiert und verwendet OpenGL und die OpenGL Shader Language (GLSL) um die nötigen Berechnungen auf Grafikkarten durchzuführen. Durch diesen Ansatz können genannte Simulationen, für die bisher Supercomputer nötig waren, sehr preisgünstig und energieeffizient durchgeführt werden. Neben der Modellbeschreibung werden die Ergebnisse einiger erfolgreicher Test-Simulationen, darunter drei Fälle mit mariner bewölkter Grenzschicht mit flacher Cumulusbewölkung, vorgestellt.