Diese Arbeit stützt sich auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Thermodiffusion im Magnetfeld. Bei magnetischen Flüssigkeiten als kolloidalen Suspensionen versteht man unter der Thermodiffusion einen durch einen Temperaturgradienten angestoßenen unidirektionalen Partikeltransport, der zur Separation des Fluids führt. Beschrieben wird die Thermodiffusion theoretisch über das Konzentrationsprofil der Partikel in Abhängigkeit von Zeit und Ort in einer Fluidschicht. Die Experimente detektieren die Separation des Fluids über die Konzentrationsdifferenz zwischen zwei Fluidkammern. Die Bestimmung des Soret-Koeffizienten erfolgt über einen Datenfit zwischen experimentellen und theoretischen Daten. Für das kerosinbasierte Ferrofluid EMG905 wurden zwei Effekte festgestellt. Bei kleinen Magnetfeldstärken wandern die Partikel zum kalten Rand der Schicht (ST>0), bei steigenden Feldstärken kehrt sich diese Richtung um (ST<0). Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Thermodiffusion gehen dann in eine lineare Stabilitätsanalyse einer Ferrofluidschicht bei anliegendem Temperaturgradienten und Magnetfeld ein. Dabei wird festgestellt, dass die kritische Rayleigh-Zahl als charakteristische Größe zum Einsetzen von Konvektion von dem Soret-Koeffizienten abhängt. Ist letzterer positiv, wird das Einsetzen von Konvektion begünstigt, ist er wiederum negativ, so kann Konvektion vollständig unterdrückt werden.

Das thermische Verhalten von Werkzeugmaschinen verursacht geometrische Abweichungen an Werkstücken. In vielen Forschungsarbeiten wurden wertvolle Beiträge zu deren Verbesserung veröffentlicht. Dabei kommt die Finite-Elemente (FE)- Simulation zum Einsatz. Für diese ist unter anderem der Wärmeübergangskoeffizient als Randparameter notwendig. Insbesondere für Hohlräume, beispielsweise unter der Maschinenverkleidung, gibt es keine Methode diesen schnell zu berechnen. Die vorliegende Arbeit liefert umfangreiche Untersuchungen zu den thermischen Vorgängen in Hohlräumen und deren Auswirkungen auf die thermischen Verlagerungen an Werkzeugmaschinen. Dafür erarbeitet diese Arbeit eine Methode, um Metamodelle für die schnelle Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten in Hohlräumen zu erstellen. Mögliche Hohlraumkonfigurationen werden dafür kategorisiert und für messtechnische Untersuchungen ein Versuchsstand konzipiert. Der Einfluss des Mikroklimas auf die thermischen Verlagerungen wird analysiert. Dabei wird der Einfluss von Konvektion und Strahlung, der Maschinenverkleidung und des Öffnens der Arbeitsraumtüre untersucht. In dieser Arbeit werden zwei Metamodelle erstellt, für einen Hohlraum mit einer Seitenwand als Wärmequelle und für einen Hohlraum mit mittig platzierter Wärmequelle. Die Anwendung der Metamodelle wird mit der thermischen FE-Simulation einer Werkzeugmaschine erläutert und eine Hilfestellung für die Übertragung auf weitere Werkzeugmaschinen gegeben. / The thermal behavior of machine tools causes most of the geometric errors on workpieces. In recent years, many authors published valuable contributions to the analysis, correction and compensation of the thermal behavior of machine tools. One way is the finite element simulation, where the heat transfer coefficient is needed as an input parameter. In particular, for enclosures, for example under the machine housing, there is no method to calculate this coefficient quickly. As state of the art the heat transfer coefficient is received from a computation-intensive fluid simulation of the enclosure. The present work provides investigations of enclosures, the microclimate in enclosures, its effect on the thermal errors of machine tools and finally a method to develop metamodels for the fast calculation of the heat transfer coefficient in enclosures and to use them in the finite element simulation. Possible enclosure configurations are categorized and a test stand is designed for metrological investigations. In basic investigations the thermal processes in different enclosures are analyzed. The influence of the microclimate on thermal errors of machine tools is analyzed in experiments. The influence of convection and radiation, the machine housing and the opening of the working room door are examined. In this work two metamodels are developed. One for an enclosure with a side wall as a heat source and one for an enclosure with a centrally placed heat source. The application of the metamodels is explained in the thermal finite element simulation of a machine tool.

Industriedampfturbinen weisen zwischen ihren Leitgitterträgern und dem Außengehäuse dampfgefüllte Seitenräume auf, die in ihrer Form und in ihren Abmessungen stark variieren. Der durch die Wirbelstrukturen im Seitenraum induzierte erzwungene konvektive Wärmeübergang bestimmt das thermomechanische Verhalten des Gehäuses maßgeblich. Bislang existiert jedoch noch kein verallgemeinerungsfähiges Wissen zum lokalen Wärmeübergang in Gehäuseseitenräumen. Mittels des neu konzipierten Seitenraumversuchsstandes „SiSTeR“ sind erstmalig systematische experimentelle Untersuchungen zum Wärmeübergang in skalierten, generisch variablen Totraummodellen in Luftströmung durchgeführt worden. Die Bestimmung lokal aufgelöster Wärmeübergangskoeffizienten (WÜK) erfolgt mittels zweier unabhängiger rückwirkungsarmer Messverfahren mit geringem Wärmeeintrag. Für die stationäre inverse Methode wurden Materialtemperaturen in der Totraumaußenwand gemessen und mittels verschiedener thermischer Ersatzmodelle, die sich hinsichtlich ihrer Komplexität, Berechnungsdauer und Genauigkeit unterscheiden, umgewertet. Die Unsicherheit der aus den Temperaturen berechneten WÜK liegt bei allen eingesetzten inversen Verfahren deutlich unter 10 %, mit Ausnahme der äußersten Randbereiche des Seitenraumes. Die WÜK-Verteilung im Totraum kann in guter Näherung mit einer parametrisierten Gauß’schen Glockenkurve approximiert werden. Neben der Reynolds-Zahl in der Hauptströmung stellt die Breite des Einströmspaltes zum Seitenraum einen Haupteinflussparameter auf den Wärmeübergang dar. Es wurde eine Nusselt-Korrelation entwickelt, die alle experimentell ermittelten Werte zufriedenstellend abbildet und dafür geeignet ist, innerhalb ihrer Gültigkeitsgrenzen detaillierte WÜK-Verläufe für beliebige Seitenräume in Turbinen und Strömungsverhältnisse zu berechnen. Begleitend zu den experimentellen Untersuchungen erfolgte die Nachrechnung ausgewählter Versuchskonfigurationen mittels numerischer Strömungssimulation.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand des Wissens 2.1 Strömung und Wärmeübergang in Seitenräumen von Dampfturbinen 2.2 Strömung in Kavitäten mit T- und L-förmigem Querschnitt 2.3 Wärmeübergang in Kavitäten mit quadratischem Querschnitt 2.4 Notwendigkeit und Ausgangslage der Untersuchungen 2.5 Überblick über aktuelle Forschungstätigkeiten auf dem Gebiet 3 Zielstellung, Methodik und Lösungsweg 4 Versuchsaufbau und -durchführung 4.1 Seitenraumversuchsstand „SiSTeR“ 4.1.1 Versuchsstandkonzept 4.1.2 Dimensionierung und Skalierung der Modellgeometrie 4.1.3 Experimentelle Implementierung des Versuchsstandes 4.1.4 Versuchsanlage zur geregelten Druckluftbereitstellung für den Versuchsstand 4.2 Instrumentierung 4.2.1 Wärmeübergangsmessung im Seitenraum 4.2.2 Wanddruckmessung im Seitenraum 4.2.3 Strömungsmessung im konzentrischen Ringspalt des Hauptströmungskanals 4.2.4 Betriebsmessstellen an der Versuchsanlage 4.3 Messdatenerfassung und -verarbeitung 4.3.1 Messwerterfassungssystem 4.3.2 Datenverarbeitung und -synchronisierung 4.4 Datenauswertung 4.4.1 Massenstrom aus Blendenberechnung 4.4.2 Bezugstemperatur, Bezugsdruck und charakteristische Strömungsgrößen im Versuchsstand 4.4.3 Thermisches Netzwerkmodell zur Abschätzung lokaler Wärmeübergangskoeffizienten 4.4.4 Rückwärtsrechnung mittels gradientenbasiertem Optimierungsverfahren 4.4.5 Ableitungsfreie Optimierung mittels evolutionärem Algorithmus 4.4.6 Inverse Berechnung mittels Trefftz-Funktionen und Regularisierung 4.4.7 Vergleich der mit den Rechenmodellen ermittelten WÜK-Verläufe 4.5 Versuchsplanung und -durchführung 4.5.1 Versuchsablauf 4.5.2 Versuchsmatrix 4.6 Datenreduktion und -mittelung 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Betriebscharakteristik der Versuchsanlage 5.2 Kalibrierung der Fünflochsonde an der Freistrahldüse 5.3 Strömungsfeld im konzentrischen Ringspaltkanal 5.4 Druckverteilung an der Außenwandinnenoberfläche 5.5 Thermodynamische Stoffwerte der Wandmaterialien 5.5.1 Dichte 5.5.2 Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität 5.6 Kalibrierung des Messaufbaus an der Saugrohrstrecke 5.7 Messergebnisse zum lokalen Wärmeübergang in generischen Seitenraumgeometrien 5.7.1 Vergleich der Messmethoden 5.7.2 Reproduzierbarkeit und Streuung der Messwerte 5.7.3 Einfluss der Reynolds-Zahl Re in der Hauptströmung 5.7.4 Einfluss der Einströmbreite s 5.7.5 Einfluss der Breite der Kavität b 5.7.6 Einfluss der Exzentrizität der Kavität e 5.7.7 Einfluss des Drallwinkels α in der Anströmung zum Seitenraum 5.8 Analyse und Abschätzung von Messunsicherheiten 5.8.1 Unsicherheit der gemessenen Absolut- und Differenzdrücke 5.8.2 Unsicherheit der gemessenen Temperaturen 5.8.3 Unsicherheit der berechneten Wärmeübergangskoeffizienten 5.8.4 Unsicherheit der geometrischen Maße von Seitenraum und Strömungskanal 5.8.5 Unsicherheit des Massenstromes an der Blendenmessstrecke 5.8.6 Unsicherheit der Reynolds-Zahl 5.8.7 Unsicherheit der Nusselt-Zahl 5.8.8 Unsicherheit der Strömungswinkel und Geschwindigkeitskomponenten 5.9 Verallgemeinerung der Ergebnisse als Nusselt-Korrelation 6 Numerische Nachrechnung ausgewählter Konfigurationen mittels CFD-Simulation 6.1 CFD-Basismodell 6.1.1 Geometrie 6.1.2 Vernetzung 6.1.3 Randbedingungen 6.1.4 Medium/ Stoffkennwerte 6.1.5 Physikalische Modellierung/ Setup 6.1.6 Lösung/ Konvergenz 6.1.7 Auswertung und Ergebnisse 6.2 Modelldetaillierungsgrad und Abbruchfehler 6.3 Netzunabhängigkeitsstudie 6.4 Einfluss der Randbedingungen und der Modellierung 6.5 Large-Eddy-Simulation 6.6 Ergebnisse der systematischen Nachrechnung 7 Übertragung der Ergebnisse auf reale Turbinenverhältnisse 8 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 9 Ausblick Literatur / Industrial steam turbines have steam-filled side spaces between their guide vane carriers and the outer casing, which vary greatly in shape and dimensions. The forced convective heat transfer induced by the vortex structures in the side space significantly influences the thermo-mechanical behaviour of the casing. Up to present, however, there is no generalisable knowledge about the local heat transfer in casing side spaces. By means of the newly designed side space test rig 'SiSTeR', systematic experimental investigations of heat transfer in scaled, generically variable side space models have been carried out for the first time using air flow. Local heat transfer coefficients (HTC) were determined by using two independent measuring methods with low heat input. For the steady-state inverse method, material temperatures in the outer wall of the side space were measured and converted by means of different thermal substitute models, which differ in terms of complexity, calculation time and accuracy. The uncertainty of the HTC calculated from the temperatures is clearly below 10 % for all inverse methods used, with the exception of the outermost edge areas of the side space. The HTC distribution in the side space can be approximated with a parameterised Gaussian bell curve. In addition to the Reynolds number in the main flow, the width of the inflow gap to the side space represents a main influence parameter on the heat transfer. A Nusselt correlation was developed that satisfactorily reproduces all experimentally determined values and is suitable for calculating detailed heat transfer curves for any side spaces in turbines and flow conditions within its limits of validity. Accompanying the experimental investigations, selected test configurations were further studied by means of numerical flow simulations.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand des Wissens 2.1 Strömung und Wärmeübergang in Seitenräumen von Dampfturbinen 2.2 Strömung in Kavitäten mit T- und L-förmigem Querschnitt 2.3 Wärmeübergang in Kavitäten mit quadratischem Querschnitt 2.4 Notwendigkeit und Ausgangslage der Untersuchungen 2.5 Überblick über aktuelle Forschungstätigkeiten auf dem Gebiet 3 Zielstellung, Methodik und Lösungsweg 4 Versuchsaufbau und -durchführung 4.1 Seitenraumversuchsstand „SiSTeR“ 4.1.1 Versuchsstandkonzept 4.1.2 Dimensionierung und Skalierung der Modellgeometrie 4.1.3 Experimentelle Implementierung des Versuchsstandes 4.1.4 Versuchsanlage zur geregelten Druckluftbereitstellung für den Versuchsstand 4.2 Instrumentierung 4.2.1 Wärmeübergangsmessung im Seitenraum 4.2.2 Wanddruckmessung im Seitenraum 4.2.3 Strömungsmessung im konzentrischen Ringspalt des Hauptströmungskanals 4.2.4 Betriebsmessstellen an der Versuchsanlage 4.3 Messdatenerfassung und -verarbeitung 4.3.1 Messwerterfassungssystem 4.3.2 Datenverarbeitung und -synchronisierung 4.4 Datenauswertung 4.4.1 Massenstrom aus Blendenberechnung 4.4.2 Bezugstemperatur, Bezugsdruck und charakteristische Strömungsgrößen im Versuchsstand 4.4.3 Thermisches Netzwerkmodell zur Abschätzung lokaler Wärmeübergangskoeffizienten 4.4.4 Rückwärtsrechnung mittels gradientenbasiertem Optimierungsverfahren 4.4.5 Ableitungsfreie Optimierung mittels evolutionärem Algorithmus 4.4.6 Inverse Berechnung mittels Trefftz-Funktionen und Regularisierung 4.4.7 Vergleich der mit den Rechenmodellen ermittelten WÜK-Verläufe 4.5 Versuchsplanung und -durchführung 4.5.1 Versuchsablauf 4.5.2 Versuchsmatrix 4.6 Datenreduktion und -mittelung 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Betriebscharakteristik der Versuchsanlage 5.2 Kalibrierung der Fünflochsonde an der Freistrahldüse 5.3 Strömungsfeld im konzentrischen Ringspaltkanal 5.4 Druckverteilung an der Außenwandinnenoberfläche 5.5 Thermodynamische Stoffwerte der Wandmaterialien 5.5.1 Dichte 5.5.2 Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität 5.6 Kalibrierung des Messaufbaus an der Saugrohrstrecke 5.7 Messergebnisse zum lokalen Wärmeübergang in generischen Seitenraumgeometrien 5.7.1 Vergleich der Messmethoden 5.7.2 Reproduzierbarkeit und Streuung der Messwerte 5.7.3 Einfluss der Reynolds-Zahl Re in der Hauptströmung 5.7.4 Einfluss der Einströmbreite s 5.7.5 Einfluss der Breite der Kavität b 5.7.6 Einfluss der Exzentrizität der Kavität e 5.7.7 Einfluss des Drallwinkels α in der Anströmung zum Seitenraum 5.8 Analyse und Abschätzung von Messunsicherheiten 5.8.1 Unsicherheit der gemessenen Absolut- und Differenzdrücke 5.8.2 Unsicherheit der gemessenen Temperaturen 5.8.3 Unsicherheit der berechneten Wärmeübergangskoeffizienten 5.8.4 Unsicherheit der geometrischen Maße von Seitenraum und Strömungskanal 5.8.5 Unsicherheit des Massenstromes an der Blendenmessstrecke 5.8.6 Unsicherheit der Reynolds-Zahl 5.8.7 Unsicherheit der Nusselt-Zahl 5.8.8 Unsicherheit der Strömungswinkel und Geschwindigkeitskomponenten 5.9 Verallgemeinerung der Ergebnisse als Nusselt-Korrelation 6 Numerische Nachrechnung ausgewählter Konfigurationen mittels CFD-Simulation 6.1 CFD-Basismodell 6.1.1 Geometrie 6.1.2 Vernetzung 6.1.3 Randbedingungen 6.1.4 Medium/ Stoffkennwerte 6.1.5 Physikalische Modellierung/ Setup 6.1.6 Lösung/ Konvergenz 6.1.7 Auswertung und Ergebnisse 6.2 Modelldetaillierungsgrad und Abbruchfehler 6.3 Netzunabhängigkeitsstudie 6.4 Einfluss der Randbedingungen und der Modellierung 6.5 Large-Eddy-Simulation 6.6 Ergebnisse der systematischen Nachrechnung 7 Übertragung der Ergebnisse auf reale Turbinenverhältnisse 8 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 9 Ausblick Literatur

Room models, currently used for controller tests, assume the room air to be perfectly mixed. A new room model is developed, assuming non-homogeneous room conditions and distinguishing between different sensor positions. From measurement in real test rooms and detailed CFD simulations, a list of convective phenomena is obtained that has to be considered in the development of a model for a room equipped with different HVAC systems. The zonal modelling approach that divides the room air into several sub-volumes is chosen, since it is able to represent the important convective phenomena imposed on the HVAC system. The convective room model is divided into two parts: a zonal model, representing the air at the occupant zone and a second model, providing the conditions at typical sensor positions. Using this approach, the comfort conditions at the occupant zone can be evaluated as well as the impact of different sensor positions. The model is validated for a test room equipped with different HVAC systems. Sensitivity analysis is carried out on the main parameters of the model. Performance assessment and energy consumption are then compared for different sensor positions in a room equipped with different HVAC systems. The results are also compared with those obtained when a well-mixed model is used. A main conclusion of these tests is, that the differences obtained, when changing the position of the controller's sensor, is a function of the HVAC system and controller type. The differences are generally small in terms of thermal comfort but significant in terms of overall energy consumption. For different HVAC systems the cases are listed, in which the use of a simplified model is not recommended. This PhD has been submitted in accordance to the conditions for attaining both the French and the German degree of a PhD, on a co-national basis, in the frame of a statement of the French government from January 18th, 1994. The research has been carried out in the Automation and Energy Management Group (AGE), Department of Sustainable Development (DDD), at the &amp;quot;Centre Scientifique et Technique du Bâtiment&amp;quot; (CSTB) in Marne la Vallée, France, in collaboration with the &amp;quot;Centre Energétique&amp;quot; (CENERG) at the &amp;quot;Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris&amp;quot; (ENSMP), Paris, France and the Technical University of Dresden (TUD), Germany.

Diese Arbeit stützt sich auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Thermodiffusion im Magnetfeld. Bei magnetischen Flüssigkeiten als kolloidalen Suspensionen versteht man unter der Thermodiffusion einen durch einen Temperaturgradienten angestoßenen unidirektionalen Partikeltransport, der zur Separation des Fluids führt. Beschrieben wird die Thermodiffusion theoretisch über das Konzentrationsprofil der Partikel in Abhängigkeit von Zeit und Ort in einer Fluidschicht. Die Experimente detektieren die Separation des Fluids über die Konzentrationsdifferenz zwischen zwei Fluidkammern. Die Bestimmung des Soret-Koeffizienten erfolgt über einen Datenfit zwischen experimentellen und theoretischen Daten. Für das kerosinbasierte Ferrofluid EMG905 wurden zwei Effekte festgestellt. Bei kleinen Magnetfeldstärken wandern die Partikel zum kalten Rand der Schicht (ST>0), bei steigenden Feldstärken kehrt sich diese Richtung um (ST<0). Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Thermodiffusion gehen dann in eine lineare Stabilitätsanalyse einer Ferrofluidschicht bei anliegendem Temperaturgradienten und Magnetfeld ein. Dabei wird festgestellt, dass die kritische Rayleigh-Zahl als charakteristische Größe zum Einsetzen von Konvektion von dem Soret-Koeffizienten abhängt. Ist letzterer positiv, wird das Einsetzen von Konvektion begünstigt, ist er wiederum negativ, so kann Konvektion vollständig unterdrückt werden.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit regionaler Klimamodellierung über Südamerika, der Analyse von Modellsensitivitäten bezüglich Wolkenparametrisierungen und der Entwicklung neuer Methoden zur Modellevaluierung mithilfe von Klimanetzwerken. Im ersten Teil untersuchen wir Simulationen mit dem COnsortium for Small scale MOdeling model in CLimate Mode (COSMO-CLM) und stellen die erste umfassende Evaluierung dieses dynamischen regionalen Klimamodells über Südamerika vor. Dabei untersuchen wir insbesondere die Abhängigkeit simulierter tropischer Niederschläge von Parametrisierungen subgitterskaliger cumuliformer und stratiformer Wolken und finden starke Sensitivitäten bezüglich beider Wolkenparametrisierungen über Land. Durch einen simultanen Austausch der entsprechenden Schemata gelingt uns eine beträchtliche Reduzierung von Fehlern in klimatologischen Niederschlags- und Strahlungsmitteln, die das COSMO-CLM über tropischen Regionen für lange Zeit charakterisierten. Im zweiten Teil führen wir neue Metriken für die Evaluierung von Klimamodellen bezüglich räumlicher Kovariabilitäten ein. Im Kern bestehen diese Metriken aus Unähnlichkeitsmaßen für den Vergleich von simulierten mit beobachteten Klimanetzwerken. Wir entwickeln lokale und globale Unähnlichkeitsmaße zum Zwecke der Darstellung lokaler Unähnlichkeiten in Form von Fehlerkarten sowie der Rangordnung von Modellen durch Zusammenfassung lokaler zu globalen Unähnlichkeiten. Die neuen Maße werden dann für eine vergleichende Evaluierung regionaler Klimasimulationen mit COSMO-CLM und dem Statistical Analogue Resampling Scheme über Südamerika verwendet. Dabei vergleichen wir die sich ergebenden Modellrangfolgen mit solchen basierend auf mittleren quadratischen Abweichungen klimatologischer Mittelwerte und Varianzen und untersuchen die Abhängigkeit dieser Rangfolgen von der betrachteten Jahreszeit, Variable, dem verwendeten Referenzdatensatz und Klimanetzwerktyp. / This dissertation is about regional climate modeling over South America, the analysis of model sensitivities to cloud parameterizations, and the development of novel model evaluation techniques based on climate networks. In the first part we examine simulations with the COnsortium for Small scale MOdeling weather prediction model in CLimate Mode (COSMO-CLM) and provide the first thorough evaluation of this dynamical regional climate model over South America. We focus our analysis on the sensitivity of simulated tropical precipitation to the parameterizations of subgrid-scale cumuliform and stratiform clouds. It is shown that COSMO-CLM is strongly sensitive to both cloud parameterizations over tropical land. Using nondefault cumulus and stratus parameterization schemes we are able to considerably reduce long-standing precipitation and radiation biases that have plagued COSMO-CLM across tropical domains. In the second part we introduce new performance metrics for climate model evaluation with respect to spatial covariabilities. In essence, these metrics consist of dissimilarity measures for climate networks constructed from simulations and observations. We develop both local and global dissimilarity measures to facilitate the depiction of local dissimilarities in the form of bias maps as well as the aggregation of those local to global dissimilarities for the purposes of climate model intercomparison and ranking. The new measures are then applied for a comparative evaluation of regional climate simulations with COSMO-CLM and the STatistical Analogue Resampling Scheme (STARS) over South America. We compare model rankings obtained with our new performance metrics to those obtained with conventional root-mean-square errors of climatological mean values and variances, and analyze how these rankings depend on season, variable, reference data set, and climate network type.

In the present thesis it is shown that the most natural choice for a norm for the analysis of the Galerkin FEM, namely the energy norm, fails to capture the boundary layer functions arising in certain reaction-diffusion problems. In view of a formal Definition such reaction-diffusion problems are not singularly perturbed with respect to the energy norm. This observation raises two questions: 1. Does the Galerkin finite element method on standard meshes yield satisfactory approximations for the reaction-diffusion problem with respect to the energy norm? 2. Is it possible to strengthen the energy norm in such a way that the boundary layers are captured and that it can be reconciled with a robust finite element method, i.e.~robust with respect to this strong norm? In Chapter 2 we answer the first question. We show that the Galerkin finite element approximation converges uniformly in the energy norm to the solution of the reaction-diffusion problem on standard shape regular meshes. These results are completely new in two dimensions and are confirmed by numerical experiments. We also study certain convection-diffusion problems with characterisitc layers in which some layers are not well represented in the energy norm. These theoretical findings, validated by numerical experiments, have interesting implications for adaptive methods. Moreover, they lead to a re-evaluation of other results and methods in the literature. In 2011 Lin and Stynes were the first to devise a method for a reaction-diffusion problem posed in the unit square allowing for uniform a priori error estimates in an adequate so-called balanced norm. Thus, the aforementioned second question is answered in the affirmative. Obtaining a non-standard weak formulation by testing also with derivatives of the test function is the key idea which is related to the H^1-Galerkin methods developed in the early 70s. Unfortunately, this direct approach requires excessive smoothness of the finite element space considered. Lin and Stynes circumvent this problem by rewriting their problem into a first order system and applying a mixed method. Now the norm captures the layers. Therefore, they need to be resolved by some layer-adapted mesh. Lin and Stynes obtain optimal error estimates with respect to the balanced norm on Shishkin meshes. However, their method is unable to preserve the symmetry of the problem and they rely on the Raviart-Thomas element for H^div-conformity. In Chapter 4 of the thesis a new continuous interior penalty (CIP) method is present, embracing the approach of Lin and Stynes in the context of a broken Sobolev space. The resulting method induces a balanced norm in which uniform error estimates are proven. In contrast to the mixed method the CIP method uses standard Q_2-elements on the Shishkin meshes. Both methods feature improved stability properties in comparison with the Galerkin FEM. Nevertheless, the latter also yields approximations which can be shown to converge to the true solution in a balanced norm uniformly with respect to diffusion parameter. Again, numerical experiments are conducted that agree with the theoretical findings. In every finite element analysis the approximation error comes into play, eventually. If one seeks to prove any of the results mentioned on an anisotropic family of Shishkin meshes, one will need to take advantage of the different element sizes close to the boundary. While these are ideally suited to reflect the solution behavior, the error analysis is more involved and depends on anisotropic interpolation error estimates. In Chapter 3 the beautiful theory of Apel and Dobrowolski is extended in order to obtain anisotropic interpolation error estimates for macro-element interpolation. This also sheds light on fundamental construction principles for such operators. The thesis introduces a non-standard finite element space that consists of biquadratic C^1-finite elements on macro-elements over tensor product grids, which can be viewed as a rectangular version of the C^1-Powell-Sabin element. As an application of the general theory developed, several interpolation operators mapping into this FE space are analyzed. The insight gained can also be used to prove anisotropic error estimates for the interpolation operator induced by the well-known C^1-Bogner-Fox-Schmidt element. A special modification of Scott-Zhang type and a certain anisotropic interpolation operator are also discussed in detail. The results of this chapter are used to approximate the solution to a recation-diffusion-problem on a Shishkin mesh that features highly anisotropic elements. The obtained approximation features continuous normal derivatives across certain edges of the mesh, enabling the analysis of the aforementioned CIP method.

In the present thesis it is shown that the most natural choice for a norm for the analysis of the Galerkin FEM, namely the energy norm, fails to capture the boundary layer functions arising in certain reaction-diffusion problems. In view of a formal Definition such reaction-diffusion problems are not singularly perturbed with respect to the energy norm. This observation raises two questions: 1. Does the Galerkin finite element method on standard meshes yield satisfactory approximations for the reaction-diffusion problem with respect to the energy norm? 2. Is it possible to strengthen the energy norm in such a way that the boundary layers are captured and that it can be reconciled with a robust finite element method, i.e.~robust with respect to this strong norm? In Chapter 2 we answer the first question. We show that the Galerkin finite element approximation converges uniformly in the energy norm to the solution of the reaction-diffusion problem on standard shape regular meshes. These results are completely new in two dimensions and are confirmed by numerical experiments. We also study certain convection-diffusion problems with characterisitc layers in which some layers are not well represented in the energy norm. These theoretical findings, validated by numerical experiments, have interesting implications for adaptive methods. Moreover, they lead to a re-evaluation of other results and methods in the literature. In 2011 Lin and Stynes were the first to devise a method for a reaction-diffusion problem posed in the unit square allowing for uniform a priori error estimates in an adequate so-called balanced norm. Thus, the aforementioned second question is answered in the affirmative. Obtaining a non-standard weak formulation by testing also with derivatives of the test function is the key idea which is related to the H^1-Galerkin methods developed in the early 70s. Unfortunately, this direct approach requires excessive smoothness of the finite element space considered. Lin and Stynes circumvent this problem by rewriting their problem into a first order system and applying a mixed method. Now the norm captures the layers. Therefore, they need to be resolved by some layer-adapted mesh. Lin and Stynes obtain optimal error estimates with respect to the balanced norm on Shishkin meshes. However, their method is unable to preserve the symmetry of the problem and they rely on the Raviart-Thomas element for H^div-conformity. In Chapter 4 of the thesis a new continuous interior penalty (CIP) method is present, embracing the approach of Lin and Stynes in the context of a broken Sobolev space. The resulting method induces a balanced norm in which uniform error estimates are proven. In contrast to the mixed method the CIP method uses standard Q_2-elements on the Shishkin meshes. Both methods feature improved stability properties in comparison with the Galerkin FEM. Nevertheless, the latter also yields approximations which can be shown to converge to the true solution in a balanced norm uniformly with respect to diffusion parameter. Again, numerical experiments are conducted that agree with the theoretical findings. In every finite element analysis the approximation error comes into play, eventually. If one seeks to prove any of the results mentioned on an anisotropic family of Shishkin meshes, one will need to take advantage of the different element sizes close to the boundary. While these are ideally suited to reflect the solution behavior, the error analysis is more involved and depends on anisotropic interpolation error estimates. In Chapter 3 the beautiful theory of Apel and Dobrowolski is extended in order to obtain anisotropic interpolation error estimates for macro-element interpolation. This also sheds light on fundamental construction principles for such operators. The thesis introduces a non-standard finite element space that consists of biquadratic C^1-finite elements on macro-elements over tensor product grids, which can be viewed as a rectangular version of the C^1-Powell-Sabin element. As an application of the general theory developed, several interpolation operators mapping into this FE space are analyzed. The insight gained can also be used to prove anisotropic error estimates for the interpolation operator induced by the well-known C^1-Bogner-Fox-Schmidt element. A special modification of Scott-Zhang type and a certain anisotropic interpolation operator are also discussed in detail. The results of this chapter are used to approximate the solution to a recation-diffusion-problem on a Shishkin mesh that features highly anisotropic elements. The obtained approximation features continuous normal derivatives across certain edges of the mesh, enabling the analysis of the aforementioned CIP method.:Notation 1 Introduction 2 Galerkin FEM error estimation in weak norms 2.1 Reaction-diffusion problems 2.2 A convection-diffusion problem with weak characteristic layers and a Neumann outflow condition 2.3 A mesh that resolves only part of the exponential layer and neglects the weaker characteristic layers 2.3.1 Weakly imposed characteristic boundary conditions 2.4 Numerical experiments 2.4.1 A reaction-diffusion problem with boundary layers 2.4.2 A reaction-diffusion problem with an interior layer 2.4.3 A convection-diffusion problem with characteristic layers and a Neumann outflow condition 2.4.4 A mesh that resolves only part of the exponential layer and neglects the weaker characteristic layers 3 Macro-interpolation on tensor product meshes 3.1 Introduction 3.2 Univariate C1-P2 macro-element interpolation 3.3 C1-Q2 macro-element interpolation on tensor product meshes 3.4 A theory on anisotropic macro-element interpolation 3.5 C1 macro-interpolation on anisotropic tensor product meshes 3.5.1 A reduced macro-element interpolation operator 3.5.2 The full C1-Q2 interpolation operator 3.5.3 A C1-Q2 macro-element quasi-interpolation operator of Scott-Zhang type on tensor product meshes 3.5.4 Summary: anisotropic C1 (quasi-)interpolation error estimates 3.6 An anisotropic macro-element of tensor product type 3.7 Application of macro-element interpolation on a tensor product Shishkin mesh 4 Balanced norm results for reaction-diffusion 4.1 The balanced finite element method of Lin and Stynes 4.2 A C0 interior penalty method 4.3 Galerkin finite element method 4.3.1 L2-norm error bounds and supercloseness 4.3.2 Maximum-norm error bounds 4.4 Numerical verification 4.5 Further developments and summary References