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Bei der Kristallzüchtung insbesondere von Halbleitern hat die Form des freien Randes (dem Interface zwischen fester und flüssiger Phase) einen starken Einfluss auf die Qualität des Kristalls. Die Dissertation befasst sich mit der Optimalsteuerung der Form und des Verlaufs des freien Randes. Als Vorlage für die in der Arbeit betrachteten Modellkonfigurationen dient das VGF-Verfahren (Vertical Gradient Freeze). Der Erstarrungsprozess wird durch ein Zweiphasen-Stefan-Problem mit durch Konvektion und Lorentzkräfte getriebener Strömung beschrieben. Der freie Rand wird als Graph formuliert. Das Kontrollziel besteht in der Ansteuerung eines gewünschten Verlaufs des freien Randes. Als Kontrollgrößen dient die Temperatur auf der Wand des Schmelztiegels und/oder wandnahe oder verteilte Lorentzkräfte. Das Kontrollziel wird durch Minimierung eines geeigneten Kosten-Funktionals erreicht. Das daraus resultierende Minimierungsproblem wird mit einem Adjungierten-Ansatz gelöst. Anhand numerischer Experimente mit Aluminium und Gallium-Arsenid Schmelzen wird gezeigt, das das vorgestellte Verfahren gut funktioniert.

In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Schmelzkonvektion auf das erstarrende Gefüge von peritektischen Nd-Fe-B – und TiAl-Legierungen mit Hilfe neuartiger Methoden untersucht. Da die magnetischen und mechanischen Eigenschaften dieser technisch relevanten Legierungen stark vom Gefüge und insbesondere vom Volumenanteil der properitektischen Phase abhängen, sind diese Untersuchungen von großem Interesse. Auf der Basis der numerischen Simulationen der Schmelzkonvektionsmoden und des elektromagnetischen Problems in einer induktiv beheizten Schmelze, die am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf durchgeführt wurden, wurden am IFW Dresden neuartige Versuchsaufbauten entwickelt, die die Modifizierung der Konvektion in einer Metallschmelze ermöglichen. Dies sind ein Aufbau zur erzwungenen Schmelzrotation in einem Tiegel und eine modifizierte Floating-Zone-Anlage. Die erzwungene Schmelzrotation, bei der der Schmelztiegel mit einer definierten Frequenz rotiert, führt in Übereinstimmung mit der Simulation zu einer starken Reduzierung der Konvektion in Abhängigkeit von der Frequenz. Diese Methode wurde auf Nd-Fe-B-Legierungen angewendet mit dem Ziel, die Bildung der unerwünschten weichmagnetischen Eisenphase zu unterdrücken bzw. deren Volumenanteil zu reduzieren. Im Ergebnis konnte der Volumenanteil der properitektischen Phase mit diesem Verfahren um 38.5 % reduziert werden. Das dendritische Gefüge wurde einer ausführlichen statistischen Analyse unterzogen, bei der die Abstände der sekundären Dendritenarme (SDAS) gemessen wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die SDAS sich mit steigender Frequenz der Tiegelrotation, was einer reduzierten Schmelzkonvektion entspricht, verringern. Die Verringerung des Volumenanteils der properitektischen Eisenphase und der SDAS wird mit dem reduzierten konvektiven Massentransport unter reduzierter Schmelzkonvektion erklärt. Starke interdendritische Strömung reduziert die Dicke der Diffusionsgrenzschicht um die properitektische Phase. Dadurch wird der Stofftransport durch die Grenzschicht erleichtert. Kleinere Dendritenarme werden in die Schmelze zurückgeschmolzen, wodurch sich der Abstand zwischen den verbleibenden Dendritenarmen vergrößert. Eine Floating-Zone-Anlage, die das tiegelfreie Prozessieren von Metallschmelzen erlaubt wurde so modifiziert, dass mit Hilfe eines Doppelspulensystems eine zusätzliche wohl definierte elektromagnetische Kraft eingebracht wird, über die eine sehr intensive (Zweiphasenrührer in Parallelschaltung) bzw. stark verringerte Strömung (Doppelspule in Reihenschaltung) in der Schmelze eingestellt werden kann. Die experimentellen Ergebnisse der Untersuchungen am Nd-Fe-B-System mit der Doppelspule in Reihenschaltung zeigten, dass sich bei einem optimalen Spulenabstand von 5,1 mm die geringste Schmelzkonvektion ergab, wobei der Anteil des a-Eisen-Volumenanteils weiter verringert werden konnte. Im Gegensatz dazu wurde mit dem Zweiphasenrührer in Parallelschaltung eine sehr starke Schmelzkonvektion mit einem maximalen Volumenanteil der a-Eisen-Phase eingestellt, wobei durch die starke Rührung ein Wechsel der Morphologie von dendritisch zu globular zu beobachten war. Die Untersuchungen zum Einfluss der starken Schmelzkonvektion wurden auf ein weiteres peritektisch erstarrendes System ausgedehnt, um eine generalisierte Aussage zum Einfluss der Konvektion auf Gefüge und Eigenschaften peritektisch erstarrender Legierungen zu erhalten. Die ausgewählte Ti45Al55 - Legierung erstarrte unter starker Schmelzkonvektion ebenfalls globulitisch, wobei Reste dendritisch erstarrter properitektischer Phase gefunden wurden. Der Volumenanteil der properitektischen Phase steigt dabei mit zunehmender Rührwirkung an. Der Wechsel der Morphologie von dendritisch zu globular/dendritisch kann mit sphärischem Wachstum oder Fragmentierung der Dendritenarme erklärt werden. Die mechanischen Eigenschaften unter unterschiedlicher Schmelzkonvektion erstarrter Ti45Al55 – Legierung wurden bei Druckversuchen untersucht. Es wurde eine signifikant höhere plastische Verformbarkeit an der unter starker Schmelzkonvektion erstarrten Ti45Al55 – Legierung gefunden. Dies wird der isotropen spherischen Morphologie der lamellaren a2/g-Phase zugeordnet, während die anisotrope Orientierung der dendritisch- lamellaren Phase unerwünschte plastische Eigenschaften zeigt. Die Untersuchungen des Einflusses der Schmelzkonvektion auf das Gefüge peritektisch erstarrender Legierungen zeigten, dass ein maßgeschneidertes Gefüge durch optimale Wahl der Schmelzkonvektion möglich ist und damit magnetische bzw. mechanische Eigenschaften verbessert werden können. Die Kontrolle der Schmelzkonvektion ist daher ein geeignetes Mittel gewünschte Gefüge und Eigenschaften in Abhängigkeit von den Prozessabläufen einzustellen. / In this work, the effect of melt convection on the microstructure evolution of peritectic Nd-Fe-B and Ti-Al alloy systems was studied using novel techniques. The microstructural formation including the change in volume fraction and morphology of the properitectic phase influences the magnetic and mechanical properties for the Nd-Fe-B and Ti-Al alloy systems, respectively. On the basis of numerical simulations by the research group of Dr. Gunter Gerbeth from Department of Magnetohydrodynamics, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, two types of specially designed facilities were developed where melt convection can be altered by changing a number of parameters. These are: forced rotation facility and modified floating zone facility. According to the numerical simulation, an additional crucible rotation suppresses the internal melt motion significantly during forced rotation experiments, where the molten alloy is rotated at a well-defined frequency. This method was applied during the solidification of Nd-Fe-B alloys with the aim to suppress the volume fraction of undesired soft magnetic a-Fe phase. As a result, the volume fraction of properitectic phase with this method can be reduced up to 38 %. A detailed statistical analysis of secondary dendritic arm spacing (SDAS) measurements of a-Fe showed that the SDAS decreases as the rotational frequency increases and melt convection decreases. The reduction in the phase fraction and SDAS of properitectic phase is attributed to the reduced convective mass transfer under reduced melt motion. At high fluid velocity and low rotational frequency, the stronger interdendritic flow reduces the solute boundary layer and increases the transfer of solute through the interface. The smaller dendrite arms dissolve into the melt and thus the SDAS becomes higher than that of the samples solidified at higher rotational frequencies with reduced melt convection. Floating zone facility, which allows contactless heating without any contamination for highly reactive melts, was modified with a double coil system so that an additional electromagnetic force is introduced inside the melt. This induces either very intensive (two-phase stirrer in parallel connection coil system) or very reduced flow (series connection coil system) inside the melt The experimental results of series connection coil system showed that a reduced melt convection state is achieved near 5.1 mm coil distance where a-Fe volume fraction becomes minimum. On the contrary, the parallel coil system experiments showed that a-Fe volume fraction becomes maximum when the phase shift between the coils is close to 90°. The morphology of the a-Fe becomes globular due to spherical growth under strong convection. The study on the effect of strong stirring was extended to another alloy to get a generalized idea about the influence of melt convection on the microstructure development and resulting properties of peritectic alloys. Peritectic Ti45Al55 alloys were investigated by the two-phase stirrer using the coils connected in parallel to study the effect of enhanced melt convection. The increase in the properitectic phase fraction together with a strong change in the morphology from dendritic to spherical were observed in the stirred samples. The increase in the properitectic phase fraction occurs due to the enhanced effective mass transfer under strong melt convection. The change in morphology of the properitectic phase is attributed to spherical growth or fragmentation of dendrite arms under strong convection. The mechanical properties of Ti45Al55 alloys, which are solidified at different convection states, were studied. There was a significantly higher plastic deformability of stirred samples compared to unstirred samples. The coarse anisotropic orientation of the dendritic lamellar phase is detrimental for the plastic deformability, which is absent in the stirred samples due to the spherical and discrete morphology of the properitectic phase. This study indicates that tailored microstructure can be obtained either by decreasing (e.g. for Nd-Fe-B alloy) or increasing (e.g. for Ti-Al alloy) the convection state using effective techniques inside the melt to improve the magnetic and mechanical properties, respectively. Thus, controlling convection is a useful way to get favorable microstructure according to the process need.

Aus Thermalwässern mit Temperaturen nur wenig über der Kühltemperatur ist die Stromgewinnung bisher nicht wirtschaftlich. Ein neuartiger Konvektionsgenerator soll das ändern. Er lässt sich auch für insustrielle Rest- oder Abwärme einsetzen.

SAAB Dynamics producerar och utvecklar flertalet produkter som innehåller krutraketmotorer. Krutraketmotorers prestanda är kraftigt beroende av en effektiv upptändning och det är önskvärt att kunna prediktera detta förlopp numeriskt med god noggrannhet. Ingen etablerad simuleringsmetodik existerar i dagsläget. Detta examensarbete är ett första steg mot att undersöka hur anfyrningsförloppet kan modelleras med Computational Fluid Dynamics. Den komersiella mjukvaran Ansys Fluent har använts som simuleringsverktyg. Anfyrningsförloppet är ett transient förlopp och involverar flertalet komplicerade värmeöverföringsmekanismer. Några av de viktigaste mekanismerna är konvektiv värmeöverföring från anfyrningsgaser, värmeledning från anfyrningspartiklar och termisk strålning från både gaserna och partiklarna. Tre modeller presenteras. De modellerar en approximativ geometri från tidigare experimentella undersökningar och simulerar 2,4 millisekunder av anfyrningsförloppet. Inga kemiska reaktioner modelleras. Modell 1 simulerar konvektiv värmeöverföring från heta förbränningsgaser. Modell 2 inkluderar termisk strålning från förbränningsgaserna som modelleras med Planck-medelvärdes absorptionskoefficienter och Discrete Ordinates modellen. Totalt värmeflöde och slutgiltig temperaturfördelning längs krutranden redovisas. Modellerna predikterar liknande värmeflöden och temperaturfördelningar, med något förhöjda nivåer för modell 2. Ett experimentellt uppmätt tryck används för att validera trycknivåer i simuleringarna. Fysikalisk rimlighet av anfyrningsgasens temperatur bedöms även med den adiabatiska flamtemperaturen. Båda modeller presterar väl med avseende på dessa mått. En tredje modell som försöker modellera anfyrningspartiklar med hjälp av Discrete Phase Model presenteras även. Modellen anses inte tillförlitlig då den lider av numeriska problem för det simulerade fallet. Avslutningsvis diskuteras felkällor och fortsatt arbete för samtliga modeller. / SAAB Dynamics produces and develops several products that use solid-propellant rocket engines. The performance of these rocket engines is heavily dependant upon an efficient ignition. It is desirable to be able to predict this sequence numerically with good accuracy. No established simulation methodology exists as of today however. This master thesis is a first step towards the investigation of how the initial ignition sequence can be modelled using Computational Fluid Dynamics. The commercial software Ansys Fluent has been used as a tool for simulation. The initial heat transfer during ignition is a transient sequence and involves several complex heat transfer mechanisms. Some of the most important ones include convective heat transfer from ignition gases, conduction from ignition particles as well as thermal radiation from both the gases and particles. Three models are presented. They model an approximate geometry from earlier experimental investigations and simulate 2.4 milliseconds of the initial ignition sequence. No chemical reactions are modelled. Model 1 simulates convective heat transfer from hot ignition gases. Model 2 includes thermal radiation from the ignition gases that is modelled using Planck-mean absorption coefficients and the Discrete Ordinates model. Total heat transfer rates and final temperature distributions along the surface of the propellant are reported. The models predict similar total heat transfer rates and final temperature distributions, with somewhat elevated levels for model 2. An experimentally measured pressure is used to validate the simulated pressure levels. Physical validity is also evaluated by comparing the temperature of the ignition gas to the adiabatic flame temperature. Both models perform satisfactorily with regards to these metrics. A third model that attempts to model the ignition particles using the Discrete Phase Model is also presented. The model is deemed unreliable due to numerical problems for the simulated case. Finally sources of error and possible future work is discussed.

Die Tiefenkonvektion ist ein wesentlicher Bestandteil der Zirkulation im Nordatlantik. Sie beeinflusst den nordwärtigen Wärmetransport der thermohalinen Zirkulation. Ein Verständnis ihrer Stabilität und Variabilität ist daher nötig, um Klimaveränderungen im Bereich des Nordatlantiks einschätzen zu können. <br /> <br /> Diese Arbeit hat zum Ziel, das konzeptionelle Verständnis der Stabilität und der Variabilität der Tiefenkonvektion zu verbessern. Beobachtungsdaten aus der Labradorsee zeigen Phasen mit und ohne Tiefenkonvektion. Ein einfaches Modell mit zwei Boxen wird an diese Daten angepasst. Das Ergebnis legt nahe, dass die Labradorsee zwei koexistierende stabile Zustände hat, einen mit regelmäßiger Tiefenkonvektion und einen ohne Tiefenkonvektion. Diese Bistabilität ergibt sich aus einer positiven Salzgehalts-Rückkopplung, deren Ursache ein Netto-Süßwassereintrag in die Deckschicht ist. Der konvektive Zustand kann schnell instabil werden, wenn der mittlere Antrieb sich hin zu wärmeren oder weniger salzhaltigen Bedingungen ändert. <br /> <br /> Die wetterbedingte Variabilität des externen Antriebs wird durch die Addition eines stochastischen Antriebsterms in das Modell eingebaut. Es zeigt sich, dass dann die Tiefenkonvektion häufig an- und wieder ausgeschaltet wird. Die mittlere Aufenthaltszeit in beiden Zuständen ist ein Maß ihrer stochastischen Stabilität. Die stochastische Stabilität hängt in glatter Weise von den Parametern des Antriebs ab, im Gegensatz zu der deterministischen (nichtstochastischen) Stabilität, die sich abrupt ändern kann. Sowohl das Mittel als auch die Varianz des stochastischen Antriebs beeinflussen die Häufigkeit von Tiefenkonvektion. Eine Abnahme der Konvektionshäufigkeit, als Reaktion auf eine Abnahme des Salzgehalts an der Oberfläche, kann zum Beispiel durch eine Zunahme der Variabilität in den Wärmeflüssen kompensiert werden. <br /> <br /> Mit einem weiter vereinfachten Box-Modell werden einige Eigenschaften der stochastischen Stabilität analytisch untersucht. Es wird ein neuer Effekt beschrieben, die wandernde Monostabilität: Auch wenn die Tiefenkonvektion aufgrund geänderter Parameter des Antriebs kein stabiler Zustand mehr ist, kann der stochastische Antrieb immer noch häufig Konvektionsereignisse auslösen. Die analytischen Gleichungen zeigen explizit, wie die wandernde Monostabilität sowie andere Effekte von den Modellparametern abhängen. Diese Abhängigkeit ist für die mittleren Aufenthaltszeiten immer exponentiell, für die Wahrscheinlichkeit langer nichtkonvektiver Phasen dagegen nur dann, wenn diese Wahrscheinlichkeit gering ist. Es ist zu erwarten, dass wandernde Monostabilität auch in anderen Teilen des Klimasystems eine Rolle spielt. <br /> <br /> Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Stabilität der Tiefenkonvektion in der Labradorsee sehr empfindlich auf den Antrieb reagiert. Die Rolle der Variabilität ist entscheidend für ein Verständnis dieser Empfindlichkeit. Kleine Änderungen im Antrieb können bereits die Häufigkeit von Tiefenkonvektionsereignissen deutlich mindern, was sich vermutlich stark auf das regionale Klima auswirkt. / Deep convection is an essential part of the circulation in the North Atlantic Ocean. It influences the northward heat transport achieved by the thermohaline circulation. Understanding its stability and variability is therefore necessary for assessing climatic changes in the area of the North Atlantic. <br /> <br /> This thesis aims at improving the conceptual understanding of the stability and variability of deep convection. Observational data from the Labrador Sea show phases with and without deep convection. A simple two-box model is fitted to these data. The results suggest that the Labrador Sea has two coexisting stable states, one with regular deep convection and one without deep convection. This bistability arises from a positive salinity feedback that is due to the net freshwater input into the surface layer. The convecting state can easily become unstable if the mean forcing shifts to warmer or less saline conditions. <br /> <br /> The weather-induced variability of the external forcing is included into the box model by adding a stochastic forcing term. It turns out that deep convection is then switched &quot;on&quot; and &quot;off&quot; frequently. The mean residence time in either state is a measure of its stochastic stability. The stochastic stability depends smoothly on the forcing parameters, in contrast to the deterministic (non-stochastic) stability which may change abruptly. The mean and the variance of the stochastic forcing both have an impact on the frequency of deep convection. For instance, a decline in convection frequency due to a surface freshening may be compensated for by an increased heat flux variability. <br /> <br /> With a further simplified box model some stochastic stability features are studied analytically. A new effect is described, called wandering monostability: even if deep convection is not a stable state due to changed forcing parameters, the stochastic forcing can still trigger convection events frequently. The analytical expressions explicitly show how wandering monostability and other effects depend on the model parameters. This dependence is always exponential for the mean residence times, but for the probability of long nonconvecting phases it is exponential only if this probability is small. It is to be expected that wandering monostability is relevant in other parts of the climate system as well. <br /> <br /> All in all, the results demonstrate that the stability of deep convection in the Labrador Sea reacts very sensitively to the forcing. The presence of variability is crucial for understanding this sensitivity. Small changes in the forcing can already significantly lower the frequency of deep convection events, which presumably strongly affects the regional climate. <br><br>----<br>Anmerkung:<br> Der Autor ist Träger des durch die Physikalische Gesellschaft zu Berlin vergebenen Carl-Ramsauer-Preises 2003 für die jeweils beste Dissertation der vier Universitäten Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin und Universität Potsdam.

Zusammenfassung Herr Merz: - Auf Basis von gerechneten Stützstellen können beliebige Flachzapfengeometrien innerhalb des Stützbereichs über den Ansatz {Durchmesser^3} umgerechnet werden. - Einfaches und schnelles Programm zur Bestimmung der Vergleichsspannung im Übergang vom Flachzapfenquerschnitt auf Rundquerschnitt - Ergebnisse stimmen sehr gut mit FE-Analysen überein. Zusammenfassung Herr Münker: Ausgehend von einem 2D-FEM-Modell werden mit dem FEM-Programm MSC.Marc der Wärmeeintrag in eine Rolle sowie die transienten Temperatur- und Spannungsfelder berechnet. Anschließend werden vergleichende 2D-FEM-Berechnungen mit den Programmen Mechanica Thermal und Structure durchgeführt. Die Erweiterung auf 3D-FEM-Berechnungen und die Ermittlung der Wärmespannungen in der Rolle schließen den Vortrag ab.

Gegenstand vorliegender Arbeit ist die Untersuchung unterschiedlicher Modellansätze zur Beschreibung der Extraktion organischer Schadstoffe aus Böden unter Verwendung von überkritischem Wasser. Dazu wurden in der Literatur vorhandene Stofftransportmodelle herangezogen und eigene Modellansätze entwickelt. Das Modell berücksichtigt die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung im Reaktor und berechnet daraus, in Abhängigkeit der desorptiven, diffusiven und konvektiven Stofftransportvorgänge eine Schadstoffverteilung. Zur Lösung der Modellgleichungen wurde FEMLAB 3.1 verwendet. Zur Parameterbestimmung und Modellüberprüfung wurden Extraktionsversuche an real kontaminierten Böden und an künstlich kontaminierten Modellböden durchgeführt. Einfache und komplexe chemische Gleichgewichte der organischen Schadstoffe wurden auf Basis der Gibbs Energetik mit FACTSAGE 5.2 ermittelt und dienten als weitere Inputparameter für die Modellberechnungen.

Es wurden Versuche für die ungesättigte Zone duchgeführt, um das Verhalten kleinerer Einträge an Benzen, Toluen und Xylen im Oberboden anschätzen zu können. In einem Vorversuch wurde der Verteilungskoeffizient Gas-Wasser für verschiedene Wässer bestimmt. Der Einfluss der Temperatur hatte einen größeren Einfluss als der Chemismus des Wassers. Die Sorption wurde ermittelt und zeigte sich als ein über sechs Größenordnungen linearer Prozess. Sie ist abhängig vom Humusgehalt. Versuche zur Desorption zeigen Unterschiede zwischen den Aromaten. Xylen desorbiert am langsamsten. Fünf, z.T. mehrmonatige Versuche mit einem großen Laborlysimeter (60 cm Durchmesser, 2 m Länge) zeigten, dass die Korngröße die Diffusion und dichtebedingte Konvektion der gasförmigen Aromaten beeinflusst. Diese Vorgänge sind für den schnellen Transport verantwortlich. Das Sickerwasser bewegt sich deutlich langsamer, transportiert aber die größeren BTX-Mengen. Humushaltige Böden können den Transport in tiefere Bereiche aufgrund von Sorption deutlich reduzieren. Mikrobieller Abbau lässt sich über den Sauerstoffverbrauch nachweisen.

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