Der Bericht beschäftigt sich mit spontaner Grenzflächenkonvektion und -turbulenz beim Stoff- und Wärmeübergang an fluiden Phasengrenzen zwischen zwei nicht mischbaren Phasen. Solche Effekte sind von großer industrieller Bedeutung, da die erzielten Stoffübergangsraten um ein Vielfaches über den bei gewöhnlicher Diffusion auftretenden liegen. Zwei unterschiedliche Mechanismen sind der "Motor" für die Instabilitäten: Marangoni-Instabilität: Die Grenzflächenspannung ist eine Funktion der Temperatur und der Grenzflächenkonzentration des ausgetauschten Stoffes. Schwankungen der Temperatur und der Konzentration entlang der Phasengrenze führen folglich zu Grenzflächenspannungsgradienten. Grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitäten äußern sich durch rollenförmige oder polygonale Konvektionszellen, Eruptionen oder Turbulenz an der Phasengrenze. Schwerkraftgetriebene Instabilität: Die Dichte ist ebenfalls eine Funktion der Temperatur und der Konzentration des gelösten Stoffes. Der Transport eines Stoffes über eine fluide Phasengrenze verändert die Zusammensetzung und die Dichte der angrenzenden Flüssigkeitsschichten, sodass instabile Dichteschichtungen auftreten können. Temperaturgradienten entstehen dabei durch Freisetzung von Reaktions- und/oder Lösungsenthalpie. Auftriebsbewegungen haben die Form von Thermiken (engl. plumes, thermals). Die Phänomene der Grenzflächenkonvektion werden in einer vertikalen Kapillarspaltgeometrie untersucht. Neben Stoffsystemen mit reaktivem Stoffübergang (Neutralisation von Karbonsäuren, Hydrolyse und Veresterung von Alkanoylhloriden) kamen auch solche mit reaktionsfreiem Stoffübergang (Karbonsäuren, Tensid) zur Anwendung. Die instabile Dichteschichtung, die durch den Konzentrationsgradienten infolge der Stoffdiffusion erzeugt wird, führt zu Auftriebskonvektion in Form von Thermiken. Die Anwesenheit einer exothermen Reaktion bewirkt eine Vergrößerung des Längenwachstums der Thermiken in der oberen Phase durch Aufprägung eines zusätzlich destabilisierenden Temperaturgradienten. In der unteren Phase kommt es dagegen zum Entstehen des doppeldiffusiven Fingerregimes bei Überlagerung des destabilisierenden Konzentrationsgradienten durch den stabilisierenden Temperaturgradienten. Beim Übergang eines Tensids konnten die für diese Stoffklasse charakteristischen Rollzellen, die durch Grenzflächenspannungsgradienten angetrieben werden, beobachtet werden. Diese Konvektionsstrukturen bleiben auf einen schmalen Bereich ober- und unterhalb der Phasengrenze beschränkt. Die Transportgleichungen für Impuls, Stoff und Wärme wurden in ihrer 2-dimensionalen Form in einen Rechenkode umgesetzt und der Übergang einer einzelnen Komponente simuliert. Die hydrodynamischen Bedingungen an der Phasengrenze wurden so formuliert, dass lokale Änderungen der Zusammensetzung und der Temperatur zu Grenzflächenspannungsgradienten führen und die Phasengrenze damit dem Marangonieffekt unterliegt. Die Stoffeigenschaften wurden mit Ausnahme der Dichte im Volumenkraftterm der Impulsgleichung als konstant angenommen, sodass dichtegetriebene Konvektionen simuliert werden können. Die verschiedenen Konvektionsformen werden durch die Simulation qualitativ gut wiedergegeben. Bei Marangonikonvektion kommt es zu einer Verschiebung des steilen Konzentrationsgradienten von der Phasengrenze in die Kerne der Phasen, was zum schnellen Absterben der Marangonikonvektion führt. Die Wiedergabe des Längenwachstums der Thermiken durch Simulation eines realen Stoffsystems ist zufriedenstellend. Ebenso gibt die Simulation eine realistische Abschätzung zu erwartender Stoffströme bei Anwesenheit hydrodynamischer Instabilitäten. Größere Abweichungen zwischen Simulation und Experiment sind jedoch bei der horizontalen Größenskala der Fingerstruktur festzustellen, die wahrscheinlich auf die Boussinesq-Approximation zurückzuführen sind.

In recent years, the desperate need for reliable clean and relatively small power demand has emerged for edge-of-grid or off-grid regions to keep pace with development demands. A salient technology that has gained much attention for this purpose is the Small Modular Reactors, i.e., SMRs. SMRs differ from conventional Nuclear Power Plants (NPPs) in many aspects, specifically the enclosing structure of the reactor. The burial depth of the SMR structure is expected to reach great depths. For example, the substructure depth reaches 30 m in the SMR design proposed by NuScale (NuScale Power, 2020). Consequently, seismic analysis of deeply embedded structures with a relatively small footprint has been identified as one of the challenges to the safe implementation of SMR technology (DIS-16-04, 2016). Such structures are expected to be more sensitive to surface wave propagation and the seismic interaction with nearby substructures and nonstructural elements such as pipelines. This dissertation develops analytical and numerical methods to analyze the seismic earth pressure exerted on the SMR substructure by considering the effects of seismic surface waves, structure-soil-structure interaction (SSSI), and the interaction with nearby pipelines. The three-dimensional wave propagation theory is employed in the analysis. Solutions for the earth pressure induced by Rayleigh waves are obtained for substructures deeply embedded into homogeneous or multilayered soil profiles. In addition, the effect of thin soil layer (stiff or soft) soils in a soil profile is investigated in the presence of Rayleigh waves. Furthermore, additional earth pressure due to SSSI is examined, and a simplified procedure is proposed based on the three-dimensional wave propagation theory and a guided flow chart to track seismic wave interference. The SSSI analysis yields solutions for the optimal distance between substructures corresponding to the minimum SSSI in new designs. The interaction between substructures and nearby pipelines is explored numerically using the Spectral Element Method. SPECFEM2D software is adopted to perform the analysis, where the three-dimensional wave propagation is successfully implemented. Based on the analysis for pipelines with different configurations, general conclusions are drawn regarding the additional earth pressure on substructures and pipelines based on a comprehensive parametric study of various parameters. In addition, this research also provides an approach to determine the backfill configuration and the selection of backfill materials, which could minimize the seismic amplitudes transmitted to substructures. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Small Modular Reactors (SMRs) are the cornerstone of recent developments in the nuclear industry. However, the SMRs technology faces several safety-related challenges, which includes the earthquake hazards related to the large embedment depth of the enclosing structure. In particular, the major concerns are about the risks related to seismic surface waves as well as the seismic interaction between nearby structural and non-structural elements (e.g., pipelines). The thesis addressed these major concerns by developing analytical and numerical methods to complement the analysis for the integrity of SMRs with sufficient seismic resistance. The solutions are verified and benchmarked using data in the literature. Future researches are suggested to further improve seismic analysis of SMRs.

<p dir="ltr">From transonic to hypersonic regimes, the characterization of high-speed flow dynamics is critical for the development, testing, and improvement of launch and reentry vehicles, boost-glide vehicles, and thermal protection systems. The design of this technology often relies on computational/empirical models for predictions which make quantitative thermodynamic measurements crucial for numerical validation. Laser diagnostic techniques facilitate non-intrusive, <i>in situ</i> measurements of fluid dynamic properties as well as visualization of flows, shocks, and boundary layer interactions. However, many diagnostics rely on seeding the flow with foreign materials to make measurements, such as the application of particle image velocimetry (PIV), Doppler global velocimetry (DGV), and planar laser-induced fluorescence (PLIF). Molecular filtered Rayleigh scattering (FRS) diagnostics are attractive for flow characterization due to the fact that pressure, temperature, density and velocity measurements can be made directly from air or N₂ molecules without the need for seeding materials. The development of the burst-mode laser (BML) has enabled high-energy pulses generated at the rates necessary to resolve phenomena such as instabilities in boundary-layers and shock-wave evolution using Rayleigh scattering methods. The goal of this dissertation is to advance molecular burst-mode FRS for quantitative, high resolution, multi-parameter measurements. For fixed-wavelength FRS measurements, the spectral characteristics of a BML system were investigated and improved by integrating an etalon for spectral-gating. For multi-parameter measurements, two strategies for wavelength-agility, the ability to quickly switch between two or more laser wavelengths, of the BML were explored: frequency-scanning and frequency-shifting. The frequency-scanning FRS (FS-FRS) technique measurement rate was increased to 1 kHz and demonstrated for 1-ms pressure, temperature, and radial velocity measurements in an underexpanded jet flow. Building upon this, an acousto-optic modulator-based method was implemented to generate frequency-shifted pulses. The rapid frequency-shifting increased the effective FRS multi-parameter measurement rate to 25 kHz and planar pressure, temperature, and radial velocity measurements were captured in an overexpanded jet flow. Finally, design tools for the laser configuration of wavelength-agile FRS were developed for the optimization of relative absolute measurement errors.</p>

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