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.

Då de flesta människor i Västafrika, framför allt de som bor innanför kustzonen, livnär sig på jordbruk så är pålitliga väderprognoser och säsongsförutsägelser ett viktigt hjälpmedel i det dagliga arbetet och planeringen. I den här rapporten har en litteraturstudie gjorts för att öka kunskapen om de komplexa, både lokala och storskaliga, väderfenomen som ger upphov till nederbörd i området.   Klimatet i Västafrika, ett område som mestadels täcks av regnskog eller savann, präglas av den västafrikanska monsunen som ger regnperiod under norra halvklotets sommar och torrperiod på vintern. Denna monsun visar på stor årlig variation när det gäller dess inledande faser, och prognoser som kan förutsäga dess början är nödvändigt när en jordbrukare ska planera säsongens verksamhet. Av många bidragande faktorer framgår det tydligt att ytvattentemperaturen i Guineabukten är en av de viktigaste parametrarna för monsunens startskede. Den intertropiska konvergenszonen, ITCZ, betraktas som monsunens nordligaste del och denna konvergenszon gör en plötsligt och relativt snabb förflyttning norrut, i fortsättningen benämnd som språnget, över ca 5 breddgrader, vilket av många ses som starten på regnperioden. En tillfällig tryckgradient som uppstår på grund av en tillfällig men skarp temperaturgradient är den bakomliggande orsaken till detta språng. Den i särklass viktigaste processen som ger upphov till regn i Västafrika är konvektion och även om mycket konvektiv nederbörd faller i samband med monsunen så uppstår det även många lokala och mesoskaliga konvektiva system inom monsunen, framförallt kopplat till ostliga vågor. / Since most people in West Africa, particularly those who live away from the shore, work within agriculture, reliable weather forecasts are important in the daily work. In this report, a literature study has been conducted to increase the knowledge about the complex and local weather phenomenon that causes rain.   West Africa is dominated by rainforest and savannah, and the climate is characterized by the West African monsoon which gives rise to a wet season in the northern hemisphere summer and a dry season during the winter. The monsoon shows wide annual variability in its initial stages and forecasts that can predict its beginning is necessary to the farmers who have to decide when and what to plant. Out of many contributing factors, the sea surface temperature seems to be one of the main parameters that have an impact on the starting stage of the monsoon. The inter tropical convergence zone, ITCZ, is regarded as the northernmost part of the monsoon and it makes a sudden and relatively quick jump over about 5 degrees latitude, which is widely regarded as the start of the rainy season. A temporary pressure gradient caused by differences in temperature adjacent to the ITCZ is the reason for this jump. The dominant process that causes rainfall in West Africa is convection. Although a lot of convective precipitation falls in connection with the northern part of the monsoon, convective systems can appear inside the monsoon flow, often linked to African easterly waves.

Liquid metal electrochemical cells are electrochemical device with at least one liquid metal electrode. They were adopted in electro-metallurgical processing, heat-to-power conversion, and energy storage applications. The electrode's liquid state ensures high current density, resulting in batteries with high power densities and electro-metallurgical reactors with high conversion yields. Mass transport is critical in all liquid metal electrochemical cells, but especially in concentration cells like liquid metal batteries. These are fully liquid three-layer cells where the two electrodes are separated by a thin molten salt electrolyte. There, the positive electrode alloying and de-alloying processes store energy in the cell. Inhomogeneities in the liquid metal electrode reduce cell efficiency and material use. In this work, we are interested in understanding mass transport within this electrode. From a first study of diffusive heat and mass transport, we established that solutal effects are predominant in liquid metal electrodes. Any thermally driven convection can not significantly affect a compositionally stable stratification. A solutal flow will efficiently mix the electrode regardless of the temperature distribution. Following that, we developed a consistent explanation for the differences in the cell resistance between charge and discharge, as observed multiple times in the literature. The latter was based on quantitative analysis of a new experimental result. The voltage evolution was measured during the cycling of a liquid metal battery. During discharge, light elements are electro-deposited at the positive electrode's top interface, forming a gravitationally stable stratification. As only diffusion transports the light element away from the interface, the concentration difference and the mass transport overvoltage increase with time. During charging, the opposite phenomenon (electro-refining) takes place. The flux at the active interface builds up an unstable, asymmetric, and time-dependent buoyancy distribution in the layer. That leads first to a diffusive transient and then to a convective flow in the layer. This solutal convection was studied numerically with finite-volume and spectral-element-method solvers. The two-dimensional axisymmetric simulations performed covered Schmidt numbers from 1.125 to 288 and five orders of magnitude of flux Rayleigh numbers, starting from 10000. Two regimes were identified as a function of the flux Rayleigh number. At low Rayleigh numbers, diffusion affects the full layer height before the onset of convection. This results in a global flow. Instead, convection originates in the thin concentration boundary layer with characteristic plume structures in the high Rayleigh number regime. In this regime, onset time and concentration difference are independent with respect to the layer height. Thanks to the extensive parametric study, we retrieved robust scaling for velocity and concentration differences as a function of the current density and material properties of the layer. These results can be used in the design and operation of liquid metal electrodes. For example, they allow estimating the mass transport overvoltage during charge. Furthermore, we studied numerically solutal convection in three-dimensional cylindrical electrodes. We showed that the two-dimensional approximation captures quite remarkably the evolution of integral quantities observed in fully three-dimensional simulations. This is not due to the axisymmetric nature of the flow. On the contrary, we observed a rich dynamic, with polygonal-shaped cells forming and evolving in the active interface concentration distribution. Finally, the influence of non-uniform current distribution on mass transport in a liquid metal electrode was investigated. Differences with respect to the homogenous configuration are present in pure diffusion and at the onset of convection. The solutal flow is able to reduce the inhomogeneities in the electrode. / Elektrochemische Flüssigmetallzellen sind Zellen mit mindestens einer Flüssigmetall Elektrode. Sie werden in der Elektrometallurgie, bei der Wandlung von Wärme in Elektrizität, sowie zur Energiespeicherung eingesetzt. Der flüssige Zustand der Elektroden erlaubt hohe Stromdichten, was Batterien mit guter Ratenfähigkeit und elektrometallurgischen Reaktoren mit hoher Raum-Zeit-Ausbeute ermöglicht. Stofftransport ist ein für alle elektrochemischen Flüssigmetallzellen wesentliches Phänomen, insbesonders für Konzentrationszellen wie Flüssigmetallbatterien. Das sind Dreischichtzellen mit komplett flüssigem Inventar, bei denen die beiden Elektroden durch eine Salzschmelze getrennt sind. Die Legierungs- und Entlegierungsprozesse in der positiven Elektroden sind maßgeblich für die Energiespeicherfähigkeit der Zelle. Inhomogenitäten in der Legierungselektrode verringern den Gesamtwirkungsgrad der Zelle und den Nutzungsgrad der Aktivmaterialien. Diese Arbeit widmet sich dem Verständnis des Stofftransports in der positiven Elektrode. Ein Vergleich typischer Kenngrößen für den Wärme-und Stofftransport zeigt auf, dass solutale Effekte die Transportverhältnisse in Flüssigmetallelektroden dominieren. Thermische Konvektion kann eine stabile solutale Schichtung nicht wesentlich beeinflussen. Eine von Konzentrationsgradienten hervorgerufene Strömung durchmischt die Elektrode jedoch unabhängig von der Temperaturverteilung. Darauf aufbauend wird dargelegt, was die Ursache für die wiederholt in der Literatur berichteten Unterschiede im Zellwiderstand zwischen Ladung und Entladung ist. Die Erklärung stützt sich auf eine quantitative Analyse neuer experimenteller Ergebnisse zum Zyklenverhalten von Flüssigmetallbatterien. Während der Entladung werden leichte Elemente am oberen Rand der positiven Elektrode abgeschieden und bilden eine stabile Dichteschichtung. Da das eingelagerte Element geringer Dichte nur durch Diffusion von der Grenzfläche abtransportiert wird, steigen der Konzentrationsgradient und mit ihm die Stofftransportüberspannung mit der Zeit an. Während der Aufladung findet das entgegengesetzte Phänomen (Elektroraffination) statt. Die Extraktion der leichten Komponente an der aktiven Grenzfläche führt zu einer instabilen Dichteschichtung. Dadurch kommt es zunächst zu einer kurzen Phase instationärer Diffusion, die rasch von einer solutal getriebene Konvektion abgelöst wird. Die solutale Konvektion wurde numerisch mit Finite-Volumen- und Spektral-Element-Methoden untersucht. Dazu durchgeführte axialsymmetrische Simulationen umfassten Schmidt-Zahlen von 1,125 bis 288 und fünf Größenordnungen von Rayleigh-Zahlen, beginnend bei 10000. In Abhängigkeit von der Rayleigh-Zahl wurden zwei Regime identifiziert. Bei niedrigen Rayleigh-Zahlen findet Diffusion über die gesamte Schichthöhe statt, bevor es zum Einsetzen der Konvektion kommt. Daraus resultiert eine globale Strömung. Im Bereich hoher Rayleigh-Zahlen entsteht die Konvektion stattdessen bereits in einer dünnen Konzentrationsgrenzschicht an der Phasengrenze und zeigt die charakteristischen Konzentrationsschlieren (plumes). In diesem Regime sind die Eintrittszeit und die zugehörige Konzentrationsdifferenz von der Schichthöhe unabhängig. Die umfassende Parameterstudie bildet die Grundlage zur Herleitung fundierter Skalengesetze für Geschwindigkeit und Konzentration in Abhängigkeit der Stromdichte und der Materialeigenschaften der Fluide. Diese Ergebnisse können zur Auslegung und zum Betrieb von Flüssigmetall-Elektroden verwendet werden. Sie ermöglichen beispielsweise die Bestimmung der Stofftransportüberspannung während des Ladens. Für ausgewählte Konfigurationen wurden dreidimensionalen Simulationen in zylindrischen Elektroden durchgeführt. Die Ergebnisse der zweidimensionalen Simulationen bezüglich der integralen Größen wurden bestätigt. Die dreidimensionalen Simulationen offenbarten eine reichhaltige Dynamik polygonaler Zellen, die sich aufgrund der absinkenden Schlieren in Grenzflächennähe bilden. Abschließend wurde der Einfluss einer ungleichmäßigen Stromverteilung an der Phasengrenze auf den Stofftransport untersucht. Unterschiede zur homogenen Verteilung ergeben sich lediglich bezüglich der rein diffusiven Ausbreitung und des Einsetzens der Konvektion. Die ausgebildete solutale Konvektion durchmischt die Elektrode in beiden Fällen sehr intensiv, so dass in diesem Stadium keine Differenzen feststellbar sind.

This dissertation aims to better understand the evolution of single hydrogen gas bubbles evolved during the water electrolysis at microelectrodes. In particular, the growth and detachment processes were studied in detail experimentally by means of electrochemical and optical methods in terrestrial, micro-, and hypergravity conditions. The combination of microelectrode and sulfuric acid promoting the bubble coalescence results in a periodical growth and the detachment of single bubbles. This provides a systematic view on the phenomena under study. A shadowgraphy system was used to provide general insight into the bubble behaviour, while Particle Tracking Velocimetry (PTV) was used for the flow velocity measurements around the growing hydrogen bubble. By applying high electric potentials considerably exceeding that in industrial electrolysers, it is possible to analyse the evolution of hydrogen bubbles under extreme conditions and for a wide range of electrolyte concentrations, overall shedding more light on bubble dynamics in general, and especially the underlying balance of forces. The growth of single hydrogen bubbles at micro-electrodes was studied in an acidic electrolyte over a wide range of concentrations and cathodic potentials. New bubble growth regimes were identified which differ in terms of whether the bubble evolution proceeds in the presence of a monotonic or oscillatory variation in the electric current and a carpet of microbubbles underneath the bubble. Key features such as the growth law of the bubble radius, the dynamics of the microbubble carpet, the onset time of the oscillations and the oscillation frequencies were characterised as a function of the concentration and electric potential. Furthermore, the system's response to jumps in the cathodic potential was studied. The electrode, tilted to the horizon, promotes faster growth and, therefore, earlier detachment at the smaller volume of the bubble. During its evolution, the bubble moves laterally from the electrode centre, releasing the electrode area and enabling higher electric current, therefore faster hydrogen generation and bubble-bubble coalescence rates. The duration of the bubble position oscillations found on the horizontal electrode gradually reduces upon tilt angle increase, with an almost complete disappearance at 5°. Based on the analysis of the forces involved and their scaling with the concentration, potential and electric current, a sound hypothesis was formulated regarding the mechanisms underlying the micro-bubble carpet and oscillations. A detailed look was also taken on the dynamics of single hydrogen bubbles in microgravity during parabolic flights. Three bubble evolution scenarios were identified depending on the electric potential applied and the acid concentration. The dominant scenario, characterised by lateral detachment of the grown bubble, was studied in detail. For that purpose, the evolution of the bubble radius, electric current and bubble trajectories as well as the bubble lifetime were comprehensively addressed for different potentials and electrolyte concentrations. The bubble-bubble coalescence events, which are responsible for reversals of the direction of bubble motion, were particularly analysed. Finally, as parabolic flights also permit hypergravity conditions, a detailed comparison of the characteristic bubble phenomena at various levels of gravity was drawn. Finally, the Marangoni convection at the foot of hydrogen gas bubbles mainly induced by the thermocapillary effect is systematically studied during the bubble evolution, the bubble position oscillations, at horizontal and tilted electrodes both in terrestrial and hyper-g environments. The flow structure progressively modifies with the bubble evolution or during the bubble position oscillations, i.e. as per electric current and bubble geometry variation. The velocity increases both with the bubble size and the electric current magnitude. It reaches up to 50 mm/s and 125 mm/s shortly before the bubble detachment at horizontal and tilted electrodes, correspondingly. The bubble position oscillations characterised by the large variation of the electric current govern the velocity of around ~80 mm/s at the highest and ~40 mm/s at the lowest positions. In the case of tilted electrodes, both in terrestrial and hyper-g environments, the lateral movement of the bubble enables higher values of the current and, therefore, stronger convection. The non-homogeneous distribution of the electric current lines at the tilted electrode results in the asymmetrical Marangoni convection around the bubble. There is a certain limitation in terms of the maximal magnitude of the velocity at different tilt angles, governed by the optimal size of the bubble and electric current. At last, the effects of the particles and laser used for PTV measurements were shown to reduce the duration of the oscillations and to retard the bubble evolution. Both effects were considered during the measurements.

In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die numerischen simulationen einer freien Rayleigh-Bénard-Konvektion und einer rein elektromagnetisch angetriebenen gezeiten-artigen Strömung in einem stehenden zylindrischen Volumen mit einem Seitenverhältnis Г = D/H = 1 und seitlich angelegten Magnetspulen eine gute Übereinstimmung mit entspre-chenden Experimenten aufweisen. Kombiniert man beide Mechanismen und moduliert die Lorentzkraft, so zeigen sich in den Frequenzspektren der Helizität in zwei Halbräumen des Volumens deutliche Maxima an der Modulationsfrequenz. Eine solche Helizitätssynchronisierung durch Gezeitenkräfte wird derzeit als mögliche Erklärung für die hohe Regularität des Sonnendynamos diskutiert. Des Weiteren wird die in freier Konvektion auftretende langsame azimutale Wanderung der Konvektionszelle unterdrückt. Der Schwingungswinkel der azimutalen Schwappbewegung nimmt dabei ab und die in der Strömung dominante Frequenz erhöht sich. Die durch die zwei unterschiedlichen Antriebsmechanismen erzeugten Strömungsstrukturen bleiben in der Strömung eigenständig erhalten und treten in gegenseitige Interaktion.:1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1. Rayleigh-Bénard-Konvektion 2.2. MHD - Magnetohydrodynamik 2.3. Wichtige Aspekte des numerischen Modells 3. Modellerstellung 3.1. Geometrie 3.2. Numerisches Modell 3.2.1. Elektromagnetisches Modell in Opera 3.2.2. Modell der Strömungsberechnung in OpenFOAM 4. Ergebnisse 4.1. Ergebnisse der freien Rayleigh-Bénard-Konvektion 4.2. Ergebnisse der nichtmodulierten elektromagnetischen Strömungsanregung ohne Temperaturgradient 4.3. Ergebnisse der zeitmodulierten elektromagnetischen Strömungsanregung ohne Temperaturgradient 4.4. Ergebnisse der elektromagnetisch beeinflussten Rayleigh-Bénard-Konvektion 4.4.1. Auswirkung der elektromagnetischen Beeinflussung auf die Strömungsstruktur 4.4.2. Vergleich ausgewählter Ergebnisse der numerischen Untersuchung und des Experimentes 4.4.3. Auswirkung der elektromagnetischen Beeinflussung auf die Helizität 5. Zusammenfassung und Fazit

Die vorliegende Arbeit behandelt Aspekte der Verschlackung von MgO in sekundärmetall-urgischen Schlacken. Mittels FactSage© wird eine Berechnung der Löslichkeit von MgO in Kalksilikat- und Kalkaluminatschlacke bei 1600, 1650 und 1700°C durchgeführt. Die Ergebnisse werden leicht handhab- und ablesbar dargestellt. Die Verschlackung eines porösen MgO-Probekörpers in einer an MgO ungesättigten und an MgO gesättigten Kalkaluminat-schlacke wird bei 1600°C thermogravimetrisch verfolgt. Der Verschlackungsvorgang wird maßgeblich durch die Mechanismen der Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung in der infiltrierten Mikrostruktur beeinflusst. Das komplexe Zusammenspiel von Zerfall und Auflösung wird nach einem Modell von W. Gans an feuerfestes Material (MgO) angepasst und modelliert. Der Einfluss von Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung auf den voreilenden Verschleiß im 3-Phasenkontakt (Marangoni-Konvektion) wird quantifiziert. Ferner wird ein einfaches Modell zur Abschätzung des voreilenden Verschleißes dargelegt.

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Purpose: Villas built before 1960 represent around 45% of the dwelling in Sweden. Since the average U-value in their walls is around 0,5 W/m2K, there is a great concern to improve  these values. The Swedish government's goal is to reduce energy intensity in the country by 2020 by 20 % from 2008’s values. The aim of this study is to reach phase renovation proposals taking into account energy and moisture on houses consisting of standing shelves. With this, the authors wish to contribute and encourage renovation of existing villas, which in turn can lead to reduced energy consumption. Method: This work is based on a case study of a 1940’s wooden house located in Skillingaryd. Measurements and parameters have been taken in order to calculate the house's specific energy usage in the BV2 analysis program. Document analyses and interviews have been used to get a deeper knowledge of existing conditions, and to suggest ways to utilise the material that the market offers nowadays. This should serve the purpose of creating as energy-efficient phase resolution as possible. Result: The study shows that an outer wall of a massive wooden house should keep a U-value of 0,15 W/m2K to meet the specific energy consumption of 90 kWh/m2 and year, when the other house is additional insulated. The study presents two refurbishment proposals supported by interviewed experts in the insulation and consulting industry. The first option leaves large parts of the old facade untouched, adding new insulation layers of the desired thickness. The second option advises to tear away all old panels into the shelf frame, thus re-building with new materials. Both proposals address the issue of how the facade should be refurbished in order to make it moisture proof. They mostly solve the problem by refurbishing it outwards and by eventually placing a vapor barrier for a maximum of one third in of the insulation. This vapor barrier may or may not be a watershed according to the experts. Some think it is unnecessary when the plank is considered sufficiently diffusion-proof; some believe that it will help to identify where a possible condensation might occur in the wall.  Consequences: The study shows that by means of additional insulation, BBR 24 recommended values ​​can be achieved for an exterior wall while keeping the façade moisture proof. One strength the study shows that the two reported renovation proposals achieve the same end result, although the interference on the facade varies in size. Therefore the authors of the above study recommend to tear down the old facade and build a new control wall with a finishing facade disc. This is when you face a vapor barrier on the façade with a vapor barrier that is laid on the old baselayer of the roof. Then a new roof construction could be built up with roof beams, shavings and roof tiles. As a result, a windy, yet proportional, construction can be created.   Restrictions: The study assumes that the entire house would be refurbished in order for the specific energy use to be possible. Furthermore, the work is based of a shelf shelter located at a particular geographical site. Due to this, the study also offers suggestions on wooden facades only.  Keyword: Plank body, Phase renovation, Specific energy use, diffusion, convection, U-value, air density.

We present the analysis for the higher order continuous Galerkin−Petrov (cGP) time discretization schemes in combination with the one-level local projection stabilization in space applied to time-dependent convection-diffusion-reaction problems. Optimal a priori error estimates will be proved. Numerical studies support the theoretical results. Furthermore, a numerical comparison between continuous Galerkin−Petrov and discontinuous Galerkin time discretization schemes will be given.