In the last decade, a large number of studies have been devoted to the peculiarities of correlated physics found in the quasi-two-dimensional square lattice iridium oxides. It was shown that this 5d family of transition metal oxides has strong structural and electronic similarities to the famous 3d family of copper oxides. Moreover, a delicate interplay of on-site spin-orbit coupling, Coulomb repulsion and crystalline electric field interactions is expected to drive various exotic quantum states. Many theoretical proposals were made in the last decade including the prediction of possible superconductivity in square-lattice iridates emerging as a sister system to high-Tc cuprates, which however met only limited experimental confirmation. One can, therefore, raise a general question: To what extent is the low-energy physics of the quasi-two-dimensional square-lattice iridium oxides different from other transition metal oxides including cuprates? In this thesis we investigate some of the effects which are usually neglected in studies on iridates, focusing on quasi-two-dimensional square-lattice iridates such as Sr2IrO4 or Ba2IrO4. In particular, we discuss the role of the electron-phonon coupling in the form of Jahn-Teller interaction, electron-hole asymmetry introduced by the strong correlations and some effects of coupling scheme chosen to calculate multiplet structure for materials with strong on-site spin-orbit coupling. Thus, firstly, we study the role of phonons, which is almost always neglected in Sr2IrO4, and discuss the manifestation of Jahn-Teller effect in the recent data obtained on Sr2IrO4 with the help of resonant inelastic x-ray scattering. When strong spin-orbit coupling removes orbital degeneracy, it would at the same time appear to render the Jahn-Teller mechanism ineffective. We show that, while the Jahn-Teller effect does indeed not affect the antiferromagnetically ordered ground state, it leads to distinctive signatures in the spin-orbit exciton. Second, we focus on charge excitations and determine the motion of a charge (hole or electron) added to the Mott insulating, antiferromagnetic ground-state of square-lattice iridates. We show that correlation effects, calculated within the self-consistent Born approximation, render the hole and electron case very different. An added electron forms a spin-polaron, which closely resembles the well-known cuprates, but the situation of a removed electron is far more complex. Many-body configurations form that can be either singlets and triplets, which strongly affects the hole motion. This not only has important ramifications for the interpretation of angle-resolved photoemission spectroscopy and inverse photoemission spectroscopy experiments of square lattice iridates, but also demonstrates that the correlation physics in electron- and hole-doped iridates is fundamentally different. We then discuss the application of this model to the calculation of scanning tunneling spectroscopy data. We show that using scanning tunneling spectroscopy one can directly probe the quasiparticle excitations in Sr2IrO4: ladder spectrum on the positive bias side and multiplet structure of the polaron on the negative bias side. We discuss in detail the ladder spectrum and show its relevance for Sr2IrO4 which is in general described by more complicated extended t-J -like model. Theoretical calculation reveals that on the negative bias side the internal degree of freedom of the charge excitation introduces strong dispersive hopping channels encaving ladder-like features. Finally, we discuss how the choice of the coupling scheme to calculate multiplet structure can affect the theoretical calculation of angle-resolved photoemission spectroscopy and scanning tunnelling spectroscopy spectral functions.

Au cours de ces travaux de thèse, la résolution de problèmes non-linéaires en interaction forte entre une structure et un fluide a été étudiée par une approche partitionnée. La stabilité, la convergence et les performances de différents schémas de couplages explicites et implicites ont été explorées. L'approche partitionnée autorise la réutilisation des codes existants dans un contexte plus général. Un des objectifs de nos travaux est de les utiliser comme des boites noires, dont on n'a pas le besoin de connaitre le fonctionnement interne. A cette fin, la technologie des composants et le middleware CTL ont été utilisés. Ainsi, deux composants basés sur des codes existants pour le fluide et la structure ont été développés puis couplés par une approche de type code maître.Les performances de différentes architectures de composants aussi bien que la communication entre composants parallélisés sont décrites dans ce document. La réutilisation de codes existants permet de profiter au plus vite des modèles avancés développés de manière spécifique pour nos sous-problèmes. Pour la partie solide, par exemple, il est possible d'utiliser différents modèles éléments finis en grandes déformations avec des matériaux non-linéaires. Pour la partie fluide, nous avons choisi une approche arbitrairement Lagrangienne-Eulérienne, et la résolution par volumes finis. Différents régimes d'écoulements instationnaires aussi bien incompressibles (modélisés alors par les équations de Navier-Stokes) qu'à surfaces libres sont ici considérés. La description de phénomènes tels que le déferlement des vagues et leur impact sur des structures est ainsi rendu possible / A partitioned approach is studied to solve strongly coupled nonlinear fluid structure interaction problems. The stability, convergence and performance of explicit and implicit coupling algorithms are explored. The partitioned approach allows to re-use existing codes in a more general context. One purpose of this work is to be able to couple them as black-boxes. To that end, the scientific software component framework CTL is considered. Therefore a fluid and a structure component based on existing software are developed and coupled with a master code approach. Computational performance of different remote calls and parallel implementation of components are also depicted herein. The re-use of existing software allows to couple advanced models developed for both sub-problems. In this work, the structure part is solved by the Finite Element Method, with the possibility to use different non-linear and large deformation behaviors. For the fluid part, examples modeled with an arbitrary Lagrangian Eulerian formulation are considered, solved with a finite volume method. The models used are first transient incompressible flows described by the Navier-Stokes equation, then free surface flows. With the latter, the impact of sloshing and breaking waves on model structures can be computed / In dieser Doktorarbeit wird ein partiotionierter Ansatz zur Lösung nichlinearer stark gekoppelter Fluid-Struktur-Interaktionsprobleme behandelt. Dabei werden die Stabilität, die Konvergenz und die Performanz expliziter und impliziter Kopplungsalgorithmen untersucht. Der partitionierte Ansatz ermöglicht die Wiederverwendung von existierender Software in einem allgemeineren Kontext. Ein Ziel dieser Arbeit ist hierbei die Nutzung dieser Software als Blackboxen. Hierzu verwenden wir das komponentenbasierte Framework CTL. Die existierenden Simulationscodes für das Strömungs- und das Strukturproblem werden als CTL Komponenten umgesetzt und über einen Mastercode gekoppelt. Die Performanz des Gesamtsystems wird hinsichtlich unterschiedlicher Komponentenbindungen und der parallelen Implementierungen der Simulationskomponenten analysiert. Existierende Simulationscodes weisen mitunter viele Mannjahre Entwicklungszeit auf, bieten auf die einzelnen Probleme abgestimmte numerische Verfahren und unterstützen unterschiedliche Modelle des betrachteten physikalischen Fachgebietes. Daher ist eine Wiederverwendung erstrebenswert. Der Strukturteil wird über die Finite Elemente Methode approximiert, wobei groé Deformationen und verschiedene nicht-lineare Materialmodelle unterstützt werden. Auf der Strömungsseite werden Beispielprobleme (von instationären inkompressiblen Strömungen zu Strömungen mit freier Oberäche) herangezogen, die mit der Arbitrary Lagrangian Eulerian Methode formuliert und der Finite Volumen Methode diskretisiert werden

Ultrasonic transducers are used in many fields of daily life, e.g. as parking aids or medical devices. To enable their usage also for mass applications small and low- cost transducers with high performance are required. Capacitive, micro-machined ultrasonic transducers (CMUT) offer the potential, for instance, to integrate compact ultrasonic sensor systems into mobile phones or as disposable transducer for diverse medical applications. This work is aimed at providing fundamentals for the future commercialization of CMUTs. It introduces novel methods for the acoustic simulation and characterization of CMUTs, which are still critical steps in the product development process. They allow an easy CMUT cell design for given application requirements. Based on a novel electromechanical model for CMUT elements, the device properties can be determined by impedance measurement already. Finally, an end-of-line test based on the electrical impedance of CMUTs demonstrates their potential for efficient mass production.

Im industriellen Bereich erfolgt die Energiebereitstellung auf thermischer, wie elektrischer Seite zunehmend mittels hocheffizienter Kraft-Wärme-Koppelung (KWK). Konventionelle KWK-Anlagen ohne Dampfturbine (DT) verfügen technologiebedingt über eine relativ starre, lastabhängige Stromkennzahl. Damit kann eine wärme- und/oder stromseitige Volatilität schlecht kompensiert werden ohne die jeweils gekoppelte Größe zu beeinflussen. Der integrierte Gas-Dampf-Prozess (GiD-Prozess) zeichnet sich aufgrund der halboffenen Prozessgestaltung durch eine anlagentechnisch sehr einfache Bauweise und damit gegenüber einer klassischen Gas und Dampf-Prozess (GuD)-Anlage geringeren Investitions- und Wartungskosten aus. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse des lastabhängigen Betriebsverhaltens des integrierter Gas-Dampf-Prozess (GiD)-Prozesses unter Berücksichtigung der Teillastfähigkeit und erreichbarer Lastgradienten. Hierzu werden umfangreiche Versuchsfahrten des Versuchskraftwerks am Zentrum für Energietechnik (ZET) der TU Dresden dargelegt und analysiert. Die Versuche werden durch transiente Systemsimulationen auf Komponentenebene der Kraftwerksanlage nachvollzogen und Erkenntnisse zu dem Effekt der Lastgradienten auf heißgasbeaufschlagte Bauteile gewonnen.

Inhalt: Energieforschungsprogramm des Bundes: Förderkonzept solar optimiertes Bauen Planungsfehler beim Feuchte- und Wärmeschutz von Fußbodenkonstruktionen Heat insulation and indoor climate control in arid areas (Toshky Region) Hygrisch motivierter Wärmeschutz Anlagentechnische Möglichkeiten für die EnEV – Was tun ? Mangelhafter Schallschutz von Gebäuden – Beispiele aus der Praxis Biomassenutzung zur Kraft- und Wärmebereitstellung - ein Blick nach Österreich Challenges and opportunities for solar energy use and energy efficiency measures for buildings and settlements in Dalmatia Wärmecontracting - Eine Dienstleistung zur Kostenminimierung ?

In einem Vorprojekt wurde die Machbarkeit der Kältespeicherung untersucht und positiv bewertet. Obwohl in der Bundesrepublik Deutschland bis 2007 noch kein großtechnischer Kurzzeit-Kältespeicher existierte, haben die Stadtwerke Chemnitz AG einen Speicher erfolgreich errichtet. Seit 2007 ist dieser Kaltwasserspeicher in Betrieb. Die Professur Technische Thermodynamik der TU Chemnitz übernahm bei diesem Verbundforschungsvorhaben die Begleitforschung (Forschung, Entwicklung, Beratung, Überwachung). Es wurde demonstriert, dass große Kältespeicher energetische, ökologische und ökonomische Vorteile bewirken können. Diese Vorteile kann man nutzen, um die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung zu stärken. Neben dem höheren Einsatz von Abwärme aus der Kraft-Wärme-Kopplung, ist die Reduktion des Elektroenergiebedarfs und die Begrenzung von Lastspitzen von besonderer energiewirtschaftlicher Bedeutung. Folgeprojekte in Deutschland zeigen die Akzeptanz dieser Technik. Dieser Bericht liefert eine Beschreibung des Systems und die Ergebnisse des Verbundvorhabens. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Auswertung des Betriebs von 2007 bis 2009. Das zugrunde liegende Monitoringprogramm lieferte hierfür die entsprechenden Messwerte.

Increasingly complex applications and recent shifts in technology scaling have created a large demand for microprocessors which can perform tasks more quickly and more energy efficient. Conventional microarchitectures exploit multiple levels of parallelism to increase instruction throughput and use application specific instruction sets or hardware accelerators to increase energy efficiency. Reconfigurable microprocessors adopt the same principle of providing application specific hardware, however, with the significant advantage of post-fabrication flexibility. Not only does this offer similar gains in performance but also the flexibility to configure each device individually. This thesis explored the benefit of a tight coupled and fine-grained reconfigurable microprocessor. In contrast to previous research, a detailed design space exploration of logical architectures for island-style field programmable gate arrays (FPGAs) has been performed in the context of a commercial 22nm process technology. Other research projects either reused general purpose architectures or spent little effort to design and characterize custom fabrics, which are critical to system performance and the practicality of frequently proposed high-level software techniques. Here, detailed circuit implementations and a custom area model were used to estimate the performance of over 200 different logical FPGA architectures with single-driver routing. Results of this exploration revealed similar tradeoffs and trends described by previous studies. The number of lookup table (LUT) inputs and the structure of the global routing network were shown to have a major impact on the area delay product. However, results suggested a much larger region of efficient architectures than before. Finally, an architecture with 5-LUTs and 8 logic elements per cluster was selected. Modifications to the microprocessor, whichwas based on an industry proven instruction set architecture, and its software toolchain provided access to this embedded reconfigurable fabric via custom instructions. The baseline microprocessor was characterized with estimates from signoff data for a 28nm hardware implementation. A modified academic FPGA tool flow was used to transform Verilog implementations of custom instructions into a post-routing netlist with timing annotations. Simulation-based verification of the system was performed with a cycle-accurate processor model and diverse application benchmarks, ranging from signal processing, over encryption to computation of elementary functions. For these benchmarks, a significant increase in performance with speedups from 3 to 15 relative to the baseline microprocessor was achieved with the extended instruction set. Except for one case, application speedup clearly outweighed the area overhead for the extended system, even though the modeled fabric architecturewas primitive and contained no explicit arithmetic enhancements. Insights into fundamental tradeoffs of island-style FPGA architectures, the developed exploration flow, and a concrete cost model are relevant for the development of more advanced architectures. Hence, this work is a successful proof of concept and has laid the basis for further investigations into architectural extensions and physical implementations. Potential for further optimizationwas identified on multiple levels and numerous directions for future research were described. / Zunehmend komplexere Anwendungen und Besonderheiten moderner Halbleitertechnologien haben zu einer großen Nachfrage an leistungsfähigen und gleichzeitig sehr energieeffizienten Mikroprozessoren geführt. Konventionelle Architekturen versuchen den Befehlsdurchsatz durch Parallelisierung zu steigern und stellen anwendungsspezifische Befehlssätze oder Hardwarebeschleuniger zur Steigerung der Energieeffizienz bereit. Rekonfigurierbare Prozessoren ermöglichen ähnliche Performancesteigerungen und besitzen gleichzeitig den enormen Vorteil, dass die Spezialisierung auf eine bestimmte Anwendung nach der Herstellung erfolgen kann. In dieser Diplomarbeit wurde ein rekonfigurierbarer Mikroprozessor mit einem eng gekoppelten FPGA untersucht. Im Gegensatz zu früheren Forschungsansätzen wurde eine umfangreiche Entwurfsraumexploration der FPGA-Architektur im Zusammenhang mit einem kommerziellen 22nm Herstellungsprozess durchgeführt. Bisher verwendeten die meisten Forschungsprojekte entweder kommerzielle Architekturen, die nicht unbedingt auf diesen Anwendungsfall zugeschnitten sind, oder die vorgeschlagenen FGPA-Komponenten wurden nur unzureichend untersucht und charakterisiert. Jedoch ist gerade dieser Baustein ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit über 200 verschiedene logische FPGA-Architekturen untersucht. Zur Modellierung wurden konkrete Schaltungstopologien und ein auf den Herstellungsprozess zugeschnittenes Modell zur Abschätzung der Layoutfläche verwendet. Generell wurden die gleichen Trends wie bei vorhergehenden und ähnlich umfangreichen Untersuchungen beobachtet. Auch hier wurden die Ergebnisse maßgeblich von der Größe der LUTs (engl. "Lookup Tables") und der Struktur des Routingnetzwerks bestimmt. Gleichzeitig wurde ein viel breiterer Bereich von Architekturen mit nahezu gleicher Effizienz identifiziert. Zur weiteren Evaluation wurde eine FPGA-Architektur mit 5-LUTs und 8 Logikelementen ausgewählt. Die Performance des ausgewählten Mikroprozessors, der auf einer erprobten Befehlssatzarchitektur aufbaut, wurde mit Ergebnissen eines 28nm Testchips abgeschätzt. Eine modifizierte Sammlung von akademischen Softwarewerkzeugen wurde verwendet, um Spezialbefehle auf die modellierte FPGA-Architektur abzubilden und eine Netzliste für die anschließende Simulation und Verifikation zu erzeugen. Für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungs-Benchmarks wurde eine relative Leistungssteigerung zwischen 3 und 15 gegenüber dem ursprünglichen Prozessor ermittelt. Obwohl die vorgeschlagene FPGA-Architektur vergleichsweise primitiv ist und keinerlei arithmetische Erweiterungen besitzt, musste dabei, bis auf eine Ausnahme, kein überproportionaler Anstieg der Chipfläche in Kauf genommen werden. Die gewonnen Erkenntnisse zu den Abhängigkeiten zwischen den Architekturparametern, der entwickelte Ablauf für die Exploration und das konkrete Kostenmodell sind essenziell für weitere Verbesserungen der FPGA-Architektur. Die vorliegende Arbeit hat somit erfolgreich den Vorteil der untersuchten Systemarchitektur gezeigt und den Weg für mögliche Erweiterungen und Hardwareimplementierungen geebnet. Zusätzlich wurden eine Reihe von Optimierungen der Architektur und weitere potenziellen Forschungsansätzen aufgezeigt.

Ultrasonic transducers are used in many fields of daily life, e.g. as parking aids or medical devices. To enable their usage also for mass applications small and low- cost transducers with high performance are required. Capacitive, micro-machined ultrasonic transducers (CMUT) offer the potential, for instance, to integrate compact ultrasonic sensor systems into mobile phones or as disposable transducer for diverse medical applications. This work is aimed at providing fundamentals for the future commercialization of CMUTs. It introduces novel methods for the acoustic simulation and characterization of CMUTs, which are still critical steps in the product development process. They allow an easy CMUT cell design for given application requirements. Based on a novel electromechanical model for CMUT elements, the device properties can be determined by impedance measurement already. Finally, an end-of-line test based on the electrical impedance of CMUTs demonstrates their potential for efficient mass production.

In the last decade, a large number of studies have been devoted to the peculiarities of correlated physics found in the quasi-two-dimensional square lattice iridium oxides. It was shown that this 5d family of transition metal oxides has strong structural and electronic similarities to the famous 3d family of copper oxides. Moreover, a delicate interplay of on-site spin-orbit coupling, Coulomb repulsion and crystalline electric field interactions is expected to drive various exotic quantum states. Many theoretical proposals were made in the last decade including the prediction of possible superconductivity in square-lattice iridates emerging as a sister system to high-Tc cuprates, which however met only limited experimental confirmation. One can, therefore, raise a general question: To what extent is the low-energy physics of the quasi-two-dimensional square-lattice iridium oxides different from other transition metal oxides including cuprates? In this thesis we investigate some of the effects which are usually neglected in studies on iridates, focusing on quasi-two-dimensional square-lattice iridates such as Sr2IrO4 or Ba2IrO4. In particular, we discuss the role of the electron-phonon coupling in the form of Jahn-Teller interaction, electron-hole asymmetry introduced by the strong correlations and some effects of coupling scheme chosen to calculate multiplet structure for materials with strong on-site spin-orbit coupling. Thus, firstly, we study the role of phonons, which is almost always neglected in Sr2IrO4, and discuss the manifestation of Jahn-Teller effect in the recent data obtained on Sr2IrO4 with the help of resonant inelastic x-ray scattering. When strong spin-orbit coupling removes orbital degeneracy, it would at the same time appear to render the Jahn-Teller mechanism ineffective. We show that, while the Jahn-Teller effect does indeed not affect the antiferromagnetically ordered ground state, it leads to distinctive signatures in the spin-orbit exciton. Second, we focus on charge excitations and determine the motion of a charge (hole or electron) added to the Mott insulating, antiferromagnetic ground-state of square-lattice iridates. We show that correlation effects, calculated within the self-consistent Born approximation, render the hole and electron case very different. An added electron forms a spin-polaron, which closely resembles the well-known cuprates, but the situation of a removed electron is far more complex. Many-body configurations form that can be either singlets and triplets, which strongly affects the hole motion. This not only has important ramifications for the interpretation of angle-resolved photoemission spectroscopy and inverse photoemission spectroscopy experiments of square lattice iridates, but also demonstrates that the correlation physics in electron- and hole-doped iridates is fundamentally different. We then discuss the application of this model to the calculation of scanning tunneling spectroscopy data. We show that using scanning tunneling spectroscopy one can directly probe the quasiparticle excitations in Sr2IrO4: ladder spectrum on the positive bias side and multiplet structure of the polaron on the negative bias side. We discuss in detail the ladder spectrum and show its relevance for Sr2IrO4 which is in general described by more complicated extended t-J -like model. Theoretical calculation reveals that on the negative bias side the internal degree of freedom of the charge excitation introduces strong dispersive hopping channels encaving ladder-like features. Finally, we discuss how the choice of the coupling scheme to calculate multiplet structure can affect the theoretical calculation of angle-resolved photoemission spectroscopy and scanning tunnelling spectroscopy spectral functions.

Recently observed cumulation of unexpected collapses of slope-distant waste dumps in lignite mining areas of eastern germany re-initiated research of soil liquefaction. Especially it turned the question of internal initials that correspond to water rise. Parallel to laboritory tests and field experiments a micromechanical model should be developed, which can reproduce processes in the soil during saturation. In first approximation a partly saturated soil consists of two phases: the soil particles and the pore fluid. For micromechanical modeling a coupling of discontinuum particles) and continuum (fluid) is required. The soil particles can be simulated with the Discrete-Element-Method (DEM). For the pore fluid, which is assumed to be a mixture of liquid and gaseous fractions, Pore scale model with Finite Volumes (PFV) is used. At low water content liquid bridges (meniscii) arise between the particles that cause an apparent cohesion. The effect of the meniscii is considered by a correspondingly contact law in the DEM model. During the saturation of a soil both, cohesive effect and fluid bulk modulus, are reduced. In addition buoyancy acts on the particles during the process. The micromechanical modeling approach has the advantage, that just a few model parameters are needed. The numerical model shows pore fluid pressures during saturation process, that leads to a reduction of effective stress. It is investigated how much the reduction is regarding porosity, degree of saturation, stress conditions and grain shape. Furthermore the influence of model parameters as well as hydromechanics is investigated. The investigations are completed with another series of experiments under special conditions like integration of macropores, horizontal fixed model boundaries and abrupt saturation.:Einleitung Literaturauswertung Numerische Modellierung Modellstudien Ergebnisauswertung Zusammenfassung Extended summary