Eugene Clement created a design method for swept-back cambered step hulls with deadrise. The cambered step is designed to carry 90% of the planing vessels weight with the remaining 10% being support by a stern mounted hydrofoil. The method requires multiple design iterations in order to achieve an optimal design. Clement stated that the method was not suitable for cambered planing surfaces with high deadrise angles greater than 15 degrees. The goal of this thesis is to create a design procedure for swept-back cambered planing surfaces with high deadrise angles that does not require multiple iterations to obtain an optimal design. Computational fluid dynamics (CFD) program STAR CCM+ is used to generate a database for performance characteristics for a wide range of designs varying deadrise angle, load requirements, trim angle, and different camber values. The simulations are first validated with experimental data for two different cambered steps designed by Stefano Brizzolara and tested in the tow tank at the United States Naval Academy. A series of validation studies utilizing fixed and overset meshes led to a final simulation set up with an overset mesh that allowed for accurate prediction of drag, trim moment, wetted keel length, and the wake profile aft of the cambered planing surface. The database is fitted such that the final equations for optimal design values such as camber, trim angle, drag (shear and pressure), wetted keel length, wetted surface area, and trim moment are in terms of deadrise angle and lift. The optimized design equations are validated with CFD simulation. / Master of Science / Eugene Clement developed a new design method to improve the performance of ultra-fast planing crafts. A planing craft uses the force generated from the flow of water over the bottom to lift the vessel without the use of the static buoyancy force that classic boat designs rely on. Clement wanted to improve the performance of the planing vessel by reducing the total drag force caused by the flow of water on the bottom of the vessel. Clement's design method involves reducing the wetted surface area which reduces drag. Reducing the wetted surface area would normally cause the lifting force on the vessel to reduce, but with the addition of curvature in the smaller wetted surface area, the lifting force would remain the same. Clement's new design method requires multiple iterations to obtain an optimal design. The method limits the angle of the vessels bottom relative to horizontal to under 15 degree. The goal of this thesis is to create a new design method for planing vessels with bottoms that have an incline of 15 degrees or more relative to horizontal. The design method is created using Computational Fluid Dynamics (CFD) solver to model the planing surface moving through water. The CFD solver is validated with experimental test performed at the United States Naval Academy. The improved design method uses equations that can predict the forces and other design characteristics based on the desired vessel weight and seakeeping requirements.

Ziel dieser Studie war es, Auswirkungen von subgingival applizierter Hyaluronsäure (Gengigel®) nach scaling and root planing (SRP) auf mikrobiologische Variablen bei Parodontitispatienten nachzuweisen. Dabei wurden die möglichen Zusammenhänge zwischen Ergebnissen der Bakterienspezies und zuvor ermittelten Ergebnissen klinischer Variablen untersucht. An der Untersuchung nahmen 20 Männer und 29 Frauen teil. Es erfolgte eine Randomisierung in zwei Gruppen, bestehend aus einer Testgruppe mit 23 und einer Kontrollgruppe mit 26 Probanden. Bei den Versuchteilnehmern wurde in zwei Sitzungen in einem 24-stündigen Abstand ein SRP mittels Hand- und Ultraschallinstrumenten durchgeführt. Am Ende des SRP wurde in der Testgruppe Gengigel prof® (mit 0,8% Hyaluronsäure) in die parodontalen Taschen eingebracht. Zusätzlich trugen die Probanden der Testgruppe während der folgenden 14 Tage zweimal täglich morgens und abends Gengigel® (0,2%) auf den Gingivarand auf. In der Kontrollgruppe erfolgte das übliche SRP ohne Verwendung von Gengigel®. Alle Probanden wurden zu Beginn der Untersuchung, nach drei und sechs Monaten aus parodontologischer Sicht untersucht. Des Weiteren wurden Proben der Sulkusflüssigkeit für eine spätere Analyse von zehn parodontopathogenen Keimen sowie der Peroxidase- und Granulozytenaktivität gewonnen. Im Gegensatz zur kontinuierlichen Zunahme in der Kontrollgruppe (p=0,035) konnte beim Verlauf der Gesamtbakterienzahl für die Testgruppe keine Veränderung der Keimzahlen (p=0,737) beobachtet werden. In der Testgruppe wurde nach sechs Monaten für Campylobacter rectus, Treponema denticola und Aggregatibacter actinomycetemcomitans eine Reduktion der Keimbelastung festgestellt (p=0,05; p=0,043; p=0,066). Am Ende der Untersuchung waren in der Testgruppe keine Unterschiede in der bakteriellen Besiedlung unterschiedlich tiefer Taschen mehr nachweisbar (p=1). In der Testgruppe bestand eine stark signifikante Korrelation der Granulozytenaktivität mit der Zeit (r=0,443; p<0,0001) und mit der Gesamtbakterienzahl (r=0,336; p=0,009). Die Ergebnisse der Studie weisen auf einen wachstumshemmenden Effekt der Hyaluronsäure auf parodontopathogene Bakterien hin, welcher womöglich auf einer indirekten Interaktion mit dem Immunsystem basiert.

Die Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) ermöglicht als einzigartige Methode die dreidimensionale Visualisierung der makromolekularen Struktur von Eis-eingebetteten Zellen in ihrem nativen Zustand [Baumeister 2005; Leis et al. 2009]. Ziel dieser Arbeit war es einen universellen Einsatz der Kryo-ET bei eukaryotischen Zellen zu ermöglichen. Dazu wurden neue Ansätze entwickelt bzw. bestehende Methoden optimiert. Da bei der Anwendung der Tomographie die Probendicke mit jedem Kippwinkel zunimmt, gilt momentan die Probendicke (< 1 µm) als limitierender Faktor bei der Kryo-ET. Während prokaryotische Zellen nahezu routinemäßig mittels Kryo-ET untersucht werden können, ist dies bei eukaryotischen Zellen nur partiell in peripheren Arealen oder Ausläufern der Zelle möglich. Dies konnte anhand der Untersuchung von intakten, pluripotenten Stammzellen (P19 Zellen) bestätigt werden. Aufgrund ihrer neuronen-ähnlichen dendritischen Morphologie können diese dünnen Bereiche mit dem Elektronenstrahl durchdrungen werden. So konnte in der 3D-Rekonstruktion eines Zellausläufers ein Mitochondrium in seiner nativen Umgebung visualisiert werden. Zudem wurden mehrere ATP-Synthasen in der Cristaemembran identifiziert, die erstmalig die Existenz von ATP-Synthasedimeren in situ bestätigen. Für die Untersuchung von zellmittigen (dicken) Bereichen müssen jedoch andere Methoden angewendet werden. So ermöglicht die Kryo-Ultramikrotomie das Herstellen von Dünnschnitten (< 100 nm) Eis-eingebetteter Proben. Mit Hilfe dieser Methode wurden in dieser Arbeit Kryo-Schnitte von HL-1 Kardiomyozyten erstellt und tomographisch analysiert. Da die Probe sehr heterogen verteilt ist, ist die Suche nach der Zielstruktur im Elektronenmikroskop sehr zeitaufwendig. Gleichzeitig ist die strahlenempfindliche Probe während der Suche dem Elektronenstrahl ausgesetzt, was die Struktur beeinträchtigen kann. Um die ‚Effizienz’ der Kryo-ET an Kryo-Schnitten zu erhöhen, wurden zwei neue Verfahren implementiert: Einerseits die korrelative Kryo-Fluoreszenzmikroskopie, welche sich zur Suche und Identifikation von Mitochondrien innerhalb des Dünnschnittes unter Flüssigstickstoff (LN2)-Temperatur eignet und andererseits eine neue Methode, die das Aufbringen von Goldkolloiden auf Kryo-Schnitten zum späteren Alignieren der Kippserie ermöglicht. Letztere setzt eine Synthese von 10 nm großem, kolloidalem Gold in Toluol voraus. Nach Zugabe von Isopentan werden die auf dem EM-Trägernetzchen (Grid) angehefteten Kryo-Schnitte bei einer Temperatur von -150°C in diese Suspension getaucht. Des Weiteren wurden verschiedene Trägermaterialien zur Kultivierung von Kardiomyozyten getestet und Osmolalitätsmessungen von unterschiedlichen Kryo-Schutz¬lösungen, welche für das Hochdruck-Verfahren notwendig sind, durchgeführt. Auch hier konnten in den 3D-Rekonstruktionen von Kardiomyozyten die ATP-Synthasen eindeutig in Kryo-Schnitten identifiziert werden. Darüber hinaus gelang die 3D-Visualisierung von zwei Mitochondrien, die sich in der Teilungs- oder Fusionsphase befanden. In einem dieser Mitochondrien sind inorganische Ablagerungen sichtbar. Im Verlauf dieser Dissertation wurde zusätzlich die Methode des Cryo-Planings entwickelt; eine Variante der Kryo-Ultramikrotomie. Bei dieser Technik wird die vitrifizierte Probe direkt auf dem EM-Grid gedünnt. Dieses Verfahren ermöglicht es, Material vom vitrifizierten Eisfilm mittels eines Diamantmessers zu entfernen. Dafür wurde ein spezieller Halter für das Kryo-Ultramikrotom konzipiert und hergestellt. Der Halter erlaubt das Zentrieren und Klemmen eines EM-Grids. Um das Abtragen kleinerer Bereiche der Eisoberfläche zu ermöglichen, wurde ein 1 mm breites Diamantmesser angefertigt. Die Analyse der gedünnten Proben mittels Kryo-Scanning Electron Microscopy (SEM) zeigte eine gleichmäßig abgetragene Oberfläche. Schneideartefakte, wie sie bei der Kryo-Ultramikrotomie auftreten, wurden nicht beobachtet. Zudem sind die zellulären Proben im gedünnten Bereich des Eisfilms sehr leicht identifizierbar. Brüche, die möglicherweise durch den Probeneinbau im Eisfilm entstehen, konnten mittels Kryo-SEM bis dato nicht beobachtet werden. Die theoretischen Betrachtungen ergaben, dass unter Verwendung des Cryo-Planings als alleinige Methode elektronentransparente Bereiche (< 1 µm Dicke) hergestellt werden können. Bisher konnte jedoch keine elektronentomographische Untersuchung einer geplanten Probe erfolgen, da sie sich als zu dick erwies. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mit dem Stereomikroskop nur eine sehr grobe Abschätzung der tatsächlichen Dicke des abgetragenen Bereichs möglich ist.

Die Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) ermöglicht als einzigartige Methode die dreidimensionale Visualisierung der makromolekularen Struktur von Eis-eingebetteten Zellen in ihrem nativen Zustand [Baumeister 2005; Leis et al. 2009]. Ziel dieser Arbeit war es einen universellen Einsatz der Kryo-ET bei eukaryotischen Zellen zu ermöglichen. Dazu wurden neue Ansätze entwickelt bzw. bestehende Methoden optimiert. Da bei der Anwendung der Tomographie die Probendicke mit jedem Kippwinkel zunimmt, gilt momentan die Probendicke (< 1 µm) als limitierender Faktor bei der Kryo-ET. Während prokaryotische Zellen nahezu routinemäßig mittels Kryo-ET untersucht werden können, ist dies bei eukaryotischen Zellen nur partiell in peripheren Arealen oder Ausläufern der Zelle möglich. Dies konnte anhand der Untersuchung von intakten, pluripotenten Stammzellen (P19 Zellen) bestätigt werden. Aufgrund ihrer neuronen-ähnlichen dendritischen Morphologie können diese dünnen Bereiche mit dem Elektronenstrahl durchdrungen werden. So konnte in der 3D-Rekonstruktion eines Zellausläufers ein Mitochondrium in seiner nativen Umgebung visualisiert werden. Zudem wurden mehrere ATP-Synthasen in der Cristaemembran identifiziert, die erstmalig die Existenz von ATP-Synthasedimeren in situ bestätigen. Für die Untersuchung von zellmittigen (dicken) Bereichen müssen jedoch andere Methoden angewendet werden. So ermöglicht die Kryo-Ultramikrotomie das Herstellen von Dünnschnitten (< 100 nm) Eis-eingebetteter Proben. Mit Hilfe dieser Methode wurden in dieser Arbeit Kryo-Schnitte von HL-1 Kardiomyozyten erstellt und tomographisch analysiert. Da die Probe sehr heterogen verteilt ist, ist die Suche nach der Zielstruktur im Elektronenmikroskop sehr zeitaufwendig. Gleichzeitig ist die strahlenempfindliche Probe während der Suche dem Elektronenstrahl ausgesetzt, was die Struktur beeinträchtigen kann. Um die ‚Effizienz’ der Kryo-ET an Kryo-Schnitten zu erhöhen, wurden zwei neue Verfahren implementiert: Einerseits die korrelative Kryo-Fluoreszenzmikroskopie, welche sich zur Suche und Identifikation von Mitochondrien innerhalb des Dünnschnittes unter Flüssigstickstoff (LN2)-Temperatur eignet und andererseits eine neue Methode, die das Aufbringen von Goldkolloiden auf Kryo-Schnitten zum späteren Alignieren der Kippserie ermöglicht. Letztere setzt eine Synthese von 10 nm großem, kolloidalem Gold in Toluol voraus. Nach Zugabe von Isopentan werden die auf dem EM-Trägernetzchen (Grid) angehefteten Kryo-Schnitte bei einer Temperatur von -150°C in diese Suspension getaucht. Des Weiteren wurden verschiedene Trägermaterialien zur Kultivierung von Kardiomyozyten getestet und Osmolalitätsmessungen von unterschiedlichen Kryo-Schutz¬lösungen, welche für das Hochdruck-Verfahren notwendig sind, durchgeführt. Auch hier konnten in den 3D-Rekonstruktionen von Kardiomyozyten die ATP-Synthasen eindeutig in Kryo-Schnitten identifiziert werden. Darüber hinaus gelang die 3D-Visualisierung von zwei Mitochondrien, die sich in der Teilungs- oder Fusionsphase befanden. In einem dieser Mitochondrien sind inorganische Ablagerungen sichtbar. Im Verlauf dieser Dissertation wurde zusätzlich die Methode des Cryo-Planings entwickelt; eine Variante der Kryo-Ultramikrotomie. Bei dieser Technik wird die vitrifizierte Probe direkt auf dem EM-Grid gedünnt. Dieses Verfahren ermöglicht es, Material vom vitrifizierten Eisfilm mittels eines Diamantmessers zu entfernen. Dafür wurde ein spezieller Halter für das Kryo-Ultramikrotom konzipiert und hergestellt. Der Halter erlaubt das Zentrieren und Klemmen eines EM-Grids. Um das Abtragen kleinerer Bereiche der Eisoberfläche zu ermöglichen, wurde ein 1 mm breites Diamantmesser angefertigt. Die Analyse der gedünnten Proben mittels Kryo-Scanning Electron Microscopy (SEM) zeigte eine gleichmäßig abgetragene Oberfläche. Schneideartefakte, wie sie bei der Kryo-Ultramikrotomie auftreten, wurden nicht beobachtet. Zudem sind die zellulären Proben im gedünnten Bereich des Eisfilms sehr leicht identifizierbar. Brüche, die möglicherweise durch den Probeneinbau im Eisfilm entstehen, konnten mittels Kryo-SEM bis dato nicht beobachtet werden. Die theoretischen Betrachtungen ergaben, dass unter Verwendung des Cryo-Planings als alleinige Methode elektronentransparente Bereiche (< 1 µm Dicke) hergestellt werden können. Bisher konnte jedoch keine elektronentomographische Untersuchung einer geplanten Probe erfolgen, da sie sich als zu dick erwies. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mit dem Stereomikroskop nur eine sehr grobe Abschätzung der tatsächlichen Dicke des abgetragenen Bereichs möglich ist.

Ziel dieser Studie war es, Auswirkungen von subgingival applizierter Hyaluronsäure (Gengigel®) nach scaling and root planing (SRP) auf mikrobiologische Variablen bei Parodontitispatienten nachzuweisen. Dabei wurden die möglichen Zusammenhänge zwischen Ergebnissen der Bakterienspezies und zuvor ermittelten Ergebnissen klinischer Variablen untersucht. An der Untersuchung nahmen 20 Männer und 29 Frauen teil. Es erfolgte eine Randomisierung in zwei Gruppen, bestehend aus einer Testgruppe mit 23 und einer Kontrollgruppe mit 26 Probanden. Bei den Versuchteilnehmern wurde in zwei Sitzungen in einem 24-stündigen Abstand ein SRP mittels Hand- und Ultraschallinstrumenten durchgeführt. Am Ende des SRP wurde in der Testgruppe Gengigel prof® (mit 0,8% Hyaluronsäure) in die parodontalen Taschen eingebracht. Zusätzlich trugen die Probanden der Testgruppe während der folgenden 14 Tage zweimal täglich morgens und abends Gengigel® (0,2%) auf den Gingivarand auf. In der Kontrollgruppe erfolgte das übliche SRP ohne Verwendung von Gengigel®. Alle Probanden wurden zu Beginn der Untersuchung, nach drei und sechs Monaten aus parodontologischer Sicht untersucht. Des Weiteren wurden Proben der Sulkusflüssigkeit für eine spätere Analyse von zehn parodontopathogenen Keimen sowie der Peroxidase- und Granulozytenaktivität gewonnen. Im Gegensatz zur kontinuierlichen Zunahme in der Kontrollgruppe (p=0,035) konnte beim Verlauf der Gesamtbakterienzahl für die Testgruppe keine Veränderung der Keimzahlen (p=0,737) beobachtet werden. In der Testgruppe wurde nach sechs Monaten für Campylobacter rectus, Treponema denticola und Aggregatibacter actinomycetemcomitans eine Reduktion der Keimbelastung festgestellt (p=0,05; p=0,043; p=0,066). Am Ende der Untersuchung waren in der Testgruppe keine Unterschiede in der bakteriellen Besiedlung unterschiedlich tiefer Taschen mehr nachweisbar (p=1). In der Testgruppe bestand eine stark signifikante Korrelation der Granulozytenaktivität mit der Zeit (r=0,443; p<0,0001) und mit der Gesamtbakterienzahl (r=0,336; p=0,009). Die Ergebnisse der Studie weisen auf einen wachstumshemmenden Effekt der Hyaluronsäure auf parodontopathogene Bakterien hin, welcher womöglich auf einer indirekten Interaktion mit dem Immunsystem basiert.

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Rotary planing, and moulding, machining operations have been employed within the woodworking industry for a number of years. Due to the rotational nature of the machining process, cuttermarks, in the form of waves, are created on the machined timber surface. It is the nature of these cuttermarks that determine the surface quality of the machined timber. It has been established that cutting tool inaccuracies and vibrations are a prime factor in the form of the cuttermarks on the timber surface. A principal aim of this thesis is to create a control architecture that is suitable for the adaptive operation of a wood planing machine in order to improve the surface quality of the machined timber. In order to improve the surface quality, a thorough understanding of the principals of wood planing is required. These principals are stated within this thesis and the ability to manipulate the rotary wood planing process, in order to achieve a higher surface quality, is shown. An existing test rig facility is utilised within this thesis, however upgrades to facilitate higher cutting and feed speeds, as well as possible future implementations such as extended cutting regimes, the test rig has been modified and enlarged. This test rig allows for the dynamic positioning of the centre of rotation of the cutterhead during a cutting operation through the use of piezo electric actuators, with a displacement range of ±15μm. A new controller for the system has been generated. Within this controller are a number of tuneable parameters. It was found that these parameters were dependant on a high number external factors, such as operating speeds and run‐out of the cutting knives. A novel approach to the generation of these parameters has been developed and implemented within the overall system. Both cutterhead inaccuracies and vibrations can be overcome, to some degree, by the vertical displacement of the cutterhead. However a crucial information element is not known, the particular displacement profile. Therefore a novel approach, consisting of a subtle change to the displacement profile and then a pattern matching approach, has been implemented onto the test rig. Within the pattern matching approach the surface profiles are simplified to a basic form. This basic form allows for a much simplified approach to the pattern matching whilst producing a result suitable for the subtle change approach. In order to compress the data levels a Principal Component Analysis was performed on the measured surface data. Patterns were found to be present in the resultant data matrix and so investigations into defect classification techniques have been carried out using both K‐Nearest Neighbour techniques and Neural Networks. The application of these novel approaches has yielded a higher system performance, for no additional cost to the mechanical components of the wood planing machine, both in terms of wood throughput and machined timber surface quality.

<p>Simulation of the planing hull in waves has been addressed during the last 25 years and basically been approached by strip methods. This work follows that tradition and describes a time-domain strip model for simulation of the planing hull in waves. The actual fluid mechanical problem is simplified through the strip approach. The load distribution acting on the hull is approximated by determining the section load at a number of hull sections, strips. The section-wise 2-dimensional calculations are expressed in terms of added mass coefficients and used in the formulations of both inertia and excitation forces in the equations of motions. The modeling approach starts from the hypothetic assumption that the transient conditions can be modeled based on those section-wise calculations. The equation of motion is solved in the time-domain. The equation is up-dated at each time step and every iteration step with respect to the momentary distribution of section draught and relative incident velocity between the hull and water and catches the characteristic non-linear behavior of the planing craft in waves.</p><p>The model follows the principles of the pioneering work of E. E. Zarnick differing on model structure and in details such as the modeling of the lift in the transom area. A major part of the work is concerned with experiments and evaluation of simulations with respect to performed model tests and to published experiment data. Simulations of model tests have been performed and comparisons have been made between measured and simulated time series. The link between simulation and experiment is a wave model which is based on a wave height measurement signal. It is developed and evaluated in the thesis.</p><p>The conclusions are in favor of the 2-dimensional approach to modeling the conditions for the planing hull in waves and among further studies is evaluation of simulated loads and motions to full-scale trial measurement data.</p>

Slamming of marine planing craft is expected to arise due to the high speed nature of their operating conditions. High hydrodynamic forces are inevitably induced causing the shell plating to deflect, which in turn can influence the flow physics surrounding the hull. In order to study the hull’s hydroelastic response due to a slamming event, wedge drop experiments were performed with an aluminum wedge of 57 inches in length, 47 inches in breadth, and 20 degree deadrise with 1/4 in. thick unstiffened bottom panels. The elastic behavior of the hull plating was measured via two methods. The first method uses strain gages to analyze the wedge’s deadrise panel deflections, and the second method is a Stereoscopic- Digital Image Correlation (S-DIC) technique. In the present investigation, an S-DIC code has been developed and utilized to study the deflections and to advance the capabilities of future research. Comparisons are made between the methods and also with theoretical studies. The deflections measured are approximately 0.1 in. on a panel spanning 24.5 inches, and the predictions made using S-DIC and strain gages differ by approximately 23%.

The diverse applications of advanced marine craft ascribed to their high speed and technological advancements has led to the use of stronger and lighter metals in such crafts. High speed, in effect also increases slamming loads as higher speed increases frequency of wave encounter while operating in waves. The present study is limited to wedge impact models. Fundamentally, the study is thus about two-dimensional (2D) wedge impact in water. In an attempt to predict the structural response to impact hydrodynamic force, a beam element based finite element (FE) computer program is written and the results of the code are presented in the thesis. A computational tool is developed to predict the transient elastic response of a 2D wedge under impact force using two different numerical methods. Both explicit and implicit numerical schemes have also been studied in order to apply to the present work. Explicit forth order Runge-Kutta (RK4) method and implicit Newmark-b (NB) method have been used in the present work. Coupling effects between excitation and response are ignored in the present numerical computations. Both the numerical schemes are validated using simple static solution and also modal expansion technique.