Turbulente Austauschprozesse in der atmosphärischen Grenzschicht spielen eine Schlüsselrolle beim vertikalen Impuls-, Energie- und Stofftransport in der Erdatmosphäre. In meso- und globalskaligen Atmosphärenmodellen sind turbulente Austauschprozesse jedoch subskalig und müssen unter Verwendung geeigneter Schliessungsansätze parametrisiert werden. Hierbei spielt die Spezifikation der charakteristischen Turbulenzlängenskala in Abhängigkeit vom Stabilitätszustand der Atmosphäre eine entscheidende Rolle. Gegenwärtig verwendete Ansätze, die auf der Verwendung der turbulenten Mischungslänge für neutrale Schichtung sowie dimensionsloser Stabilitätsfunktionen basieren, zeigen vor allem Defizite im oberen Bereich der konvektiven Grenzschicht sowie in der Entrainmentzone, wo starke vertikale Gradienten auftreten. In der vorliegenden Arbeit wurden hochaufgelöste dreidimensionale Grobstruktursimulationen der trockenen und feuchten Grenzschicht für ein weites Spektrum von Labilitätsbedingungen durchgeführt. Erste und zweite Momente atmosphärischer Strömungsvariablen wurden aus den simulierten hydro- und thermodynamischen Feldern berechnet und diskutiert. Die Spektraleigenschaften turbulenter Fluktuationen der Strömungsvariablen, das raumzeitliche Verhalten kohärenter Strukturen sowie charakteristische Turbulenzlängenskalen wurden abgeleitet. Eine Verifizierung der charakteristischen Turbulenzlängenskalen erfolgte durch Vergleich mit Ergebnissen früherer numerischer Simulationen, mit Turbulenzmessungen in der atmosphärischen Grenzschicht sowie mit Laborexperimenten. Mit Hilfe der nichtlinearen Datenmodellierung wurden leicht verwendbare Approximationen der charakteristischen Turbulenzlängenskalen abgeleitet und deren statistische Signifikanz diskutiert. Unter Verwendung dieser Approximationen wurde ein existierendes Parametrisierungsmodell revidiert und mit Hilfe von Grobstruktursimulationen verifiziert. Desweiteren wurde der Einfluß der turbulenten Mischungslänge auf die Prognose mesokaliger Felder untersucht. Hierzu wurde mit dem Lokal-Modell des Deutschen Wetterdienstes eine entsprechende Sensitivitätsstudie durchgeführt. Anhand von Satellitendaten und Analysedaten aus der 4D-Datenassimilation wurden die Simulationsergebnisse verifiziert.

Zugl.: München, Universiẗat der Bundeswehr, Diss.

Heidelberg, Univ., Diss., 2008.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Neubiberg, Univ. der Bundeswehr München, Diss., 2006.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.

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.

Atmosphärenmodelle, die mit Hilfe numerischer Methoden nach einer Lösung der thermohydrodynamischen Gleichungen unter bestimmten Randbedingungen über einer vorgegebenen Unterlage (Landschaft) suchen, prognostizieren Volumenmittel entsprechender Größen. Zur Validierung der Modelle benötigte experimentell erfaßte meteorologische Größen repräsentieren meist Punktwerte. Im folgenden werden theoretische Ansätze und eine experimentelle Meßmethode vorgestellt, die es ermöglichen, volumengemittelte Werte meteorologischer Größen bereitzustellen und somit zu numerischen Atmosphärenmodellen weitgehend konsistente Daten zu liefern. Die Verfahren verwenden die horizontale Ausbreitung von Schallwellen in der Atmosphärischen Grenzschicht. Die Ableitung volumenbezogener Größen erfolgt über die Invertierung von Schallparameterwerten (akustische Tomographie). / Atmospheric models, which searching by means of numerical methods after a solution of the thermodynamic equations under determined border conditions over a given underground (landscape), forecast volume averaged values of corresponding parameters. The experimental registrated values for meteorolgical parameters used for the validation of models represent usually point values. In following chapters theoretical estimations and an experimental measuring method are presented which volume averaged values of meteorolgical parameters provide and so rather firm data for numerical atmospheric models deliver. The proceedings use horizontal spreading of acoustic waves in the Atmospheric Boundary Layer. Derivation of volume averaged parameters results from the invertation of acoustic parameter values (acoustic tomography).

Die Surface Renewal Analysis wurde zur Bestimmung sensibler Wärmeflußdichten im bodennahen Bereich der atmosphärischen Grenzschicht genutzt und mit der Eddy - Korrelations - Methode verglichen. Dazu wurden beide Berechnungsmethoden auf Temperatur - und Vertikalwinddaten angewandt, die unter Verwendung von Strukturfunktionen simuliert wurden. Zur Überprüfung der Resultate wurden über zwei verschiedenen Unterlagen (Wiese und Düne) hochfrequente Zeitreihen von Temperatur und Vertikalwind gemessen und mit der Surface Renewal Analysis und der Eddy - Korrelations - Methode analysiert. / The Surface Renewal Analysis was used to estimate the sensible heat flux density in the ground near area of the boundary layer. The results were compared with eddy correlation method. For it both methods were used to analyse temperature- and vertical velocity-data, which were simulated by the application of structure functions. Time series of high frequency temperature- and vertical velocity-data over two different canopies (meadow and dune) were measured to examine the results. The data were analysed with surface renewal analysis and eddy correlation.

Diese Arbeit umfaßt theoretische und experimentelle Untersuchungen zu turbulenten Strömungs- und Ausbreitungsvorgängen in verschieden rauhen, natürlich gewachsenen Windkanalgrenzschichten (von hydraulisch glatt bis aerodynamisch vollrauh). Dabei werden ausgewählte turbulente Strömungs- und Ausbreitungsgrößen als Funktion der Rauhigkeit und der Höhe vorgestellt. Ferner wird mit den aus der Literatur bekannten kohärenten Strukturen eine bildhafte Vorstellung der physikalischen Vorgänge gegeben. Aus den umfangreichen Untersuchungen zum Strömungsfeld werden die Höhenprofile der mittleren Geschwindigkeit, der Turbulenzintensitäten, der turbulenten Schubspannung und der turbulenten Wirbelzähigkeit präsentiert. Genannt seien zwei wesentliche Ergebnisse: Erstens, es existiert eine einfache, theoretische Beziehung zwischen den Reynolds?schen Normalspannungen und der turbulenten Schubspannung. Beide sind durch den sogenannten Neigungswinkel miteinander gekoppelt. Dieser höhen- und rauhigkeitsabhängige Winkel, der durch eine Hitzdrahtmessung mit nur einer X-Sonde bestimmbar ist, charakterisiert die Ebene, auf der sich kohärente Strukturen stromabwärts bewegen. Zweitens, es besteht eine starke Diskrepanz zwischen integralen Längenmaßstäben der Turbulenz, die einerseits aus Autokorrelations- und andererseits aus 2-Punkt-Korrelationsmessungen ermittelt werden. Der Unterschied wird durch die Verletzung der Taylor-Hypothese in der turbulenten Scherschicht verursacht. Als Ergebnis folgt, daß statt der mittleren Strömungsgeschwindigkeit die sogenannte Wirbeltransportgeschwindigkeit zur Umrechnung von Längen- und Zeitmaßstäben verwendet werden muß. Weiterhin wird die Ausbreitung eines passiven Tracergases im Nachlauf einer horizontal ausblasenden Punktquelle untersucht. Die turbulenten Massenflüsse werden direkt gemessen. Damit wird einerseits das Problem der Vernachlässigung des in Ausbreitungsrichtung liegenden turbulenten Massenflusses gegenüber dem konvektiven Transport untersucht, und andererseits werden mittels der Boussinesq-Approximation die turbulenten Diffusionsparameter als Funktion der Höhe berechnet. Ferner werden theoretische Beziehungen, die das Nah- und Fernfeld berücksichtigen, sowohl für die turbulenten Diffusionsparameter als auch für die räumlichen Ausbreitungsparameter hergeleitet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Schließlich wird aus dem Verhältnis der turbulenten Diffusionsparameter für den Impuls- und Stoffaustausch die turbulente Schmidt-Zahl berechnet, die keine, wie in der Literatur oft angenommene, Konstante ist, sondern stark über der Höhe variiert.