University, Diss., 2003--Kassel.

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This work is about the reaction around both isomeres of formylcations, formylcation (HCO+) and isoformylcation (HOC+). In interstellar chemistry these isomeres are of significant importance: radio astronomic measurements have detected the metastabil isomere HOC+ in present of the stabil isomere HCO+ in many objects. The HOC+ was found in photon dominated regions like (SgrB2, NGC 7538 und NGC 2024) as well as in dense clouds like DR21 (OH), W51M, W3 (OH), Orion (3N, 1E)). The ratecoefficiants for reactions forming both isomeres have been measured. Further more the ratecoefficiant for the isomerisation of isoformyl (HOC+) with molecular hydrogen has been measured at 25 K. / In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zu dem Ionensystem Formylkationen (HCO+) / Isoformylkationen (HOC+) vorgestellt. In der interstellaren Chemie kommt diesen Isomeren eine hohe Bedeutung zu: neuere radioastronomische Beobachtungen haben das metastabile Ion HOC+ in Anwesenheit des stabilen Isomers HCO+ in einer Vielzahl von interstellaren Umgebungen nachgewiesen. Das HOC+ - Isomer ist in signifikanter Dichte sowohl in Photon - dominierten Gebieten (wie z.B. SgrB2, NGC 7538 und NGC 2024) als auch in Dichten Molekularen Wolken (wie z.B. DR21 (OH), W51M, W3 (OH), Orion (3N, 1E), Orion KL, und G34.3) festgestellt worden. Es konnten die Ratenkoeffizienten für die Bildungsreaktionen beider Isomere bestimmt werden. Des weiteren konnte die Isomerisierung von Isoformylkationen (HOC+) mit Wasserstoff (H2) bei 25 K estimmt werden.

Die Oberflächen-stoßinduzierte Fragmentierung von reinen und gemischten Antimonclustern wurde im Bereich hyperthermischer Kollisionsenergien untersucht. In diesem Energiebereich sind die Prozesse des Ladungstransfers, des Energietransfers sowie der Fragmentierung der Cluster besonders wichtig. Die Cluster wurden in einer gepulsten Bogenentladungsquelle erzeugt und nach Massenselektion in einem Flugzeit-Massenspektrometer mit sechs verschiedenen Oberflächen (Diamant, Siliziumdioxid, Antimon(III)oxid, Gold, Graphit und einer fluorierten organischen Monolagenoberfläche (C10-F-SAM)) unter Ultrahochvakuumbedingungen zur Wechselwirkung gebracht. Die daraus hervorgehenden ionischen Produkte wurden in einem zweiten Flugzeit-Massenspektrometer analysiert. Der Ladungstransfer zwischen Projektilion und Oberfläche zeigte deutliche Unterschiede in Abhängigkeit von der Oberfläche. Dieser Effekt wurde anhand der Gesamtfragmentionenausbeute studiert und kann gut durch die unterschiedlichen Austrittsarbeiten beschrieben werden. Die Effektivität der Oberflächen hinsichtlich des Transfers von kinetischer in innere Energie der auftreffenden Cluster ließ sich aus den Massenspektren der Fragmentionen bestimmen. Diese konnten aufgrund der bekannten Bindungsenergien der Antimon-Cluster mittels der Thermometermolekülmethode ausgewertet werden. Es wurde eine für alle Clustergrößen charakteristische Korrelation zwischen Energietransfereffektivität und Oberfläche festgestellt. Von allen untersuchten Oberflächen zeigt die F-SAM-Oberfläche den geringsten Energieübertrag. Der höchste Energieübertrag wird bei der Streuung an der Diamantoberfläche gemessen. Die Energieübertragseffektivität der anderen Oberflächen reiht sich zwischen diesen beiden Extremen ein. Diese Korrelation konnte sowohl mit makroskopischen (Härte) als auch mit mikroskopischen (Bindungsenergie, interatomare Abstände und Debye-Temperatur) Eigenschaften der zugehörigen Festkörper erklärt werden. / Surface-induced fragmentation of pure and mixed antimony clusters was investigated within the hyperthermal collision energy range. Charge transfer, energy transfer and fragmentation of the clusters are important processes in this range. Clusters were produced in a pulsed arc-discharge cluster ion source (PACIS) and mass-selected in a time-of-flight mass spectrometer. In a next step, the clusters were brought into interaction with six different surfaces (diamond, silicon dioxide, antimony(III)oxide, gold, graphite and a self-assembled organic mono-layer surface (C10-F-SAM)) under ultra-high vacuum conditions. The emerging product ions were analysed in a second time-of-flight mass spectrometer. A notable difference between the six surfaces was found with respect to the charge transfer between projectile ion and surface. This effect was analysed in considering the total fragment ion yield and can be attributed to the different work functions of these surfaces. The transfer from translational energy into vibrational modes of the impinging clusters has been determined from the mass spectra of the fragment ions as a function of the surface. The known binding energies of the antimony clusters allow the use of the thermometer molecule model to evaluate the fragment ion distribution. A correlation between the energy transfer efficiency and the type of surface was found which is valid for all cluster sizes. From all the surfaces, which have been investigated, the F-SAM surface shows the lowest and the diamond surface shows the highest energy transfer efficiency. The efficiency of the other surfaces falls in-between these two extremes. The correlation between the energy transfer efficiency of a surface and the kind of surface can be satisfactorily explained in terms of either macroscopic (hardness) or microscopic (binding energy, interatomic distances and Debye-temperature) properties of the solids.

Many fluid flow processes in nature and technology are characterized by the presence and coexistence of two ore more phases. These two- or multiphase flows are furthermore characterized by a greater complexity of possible flow phenomena and phase interactions then in single phase flows and therefore the numerical simulation of these multiphase flows is usually demanding a much higher numerical effort. The presented work summarizes the research and development work of the author and his research group on "Numerical Methods for Multiphase Flows" at the University of Technology, Chemnitz over the last years. This work was focussed on the development and application of numerical approaches for the prediction of disperse fluid-particle flows in the field of fluid mechanics and process technology. A main part of the work presented here is concerned with the modelling of different physical phenomena in fluid-particle flows under the paradigm of the Lagrangian treatment of the particle motion in the fluid. The Eulerian-Lagrangian approach has proved to be an especially well suited numerical approach for the simulation of disperse multiphase flows. On the other hand its application requires a large amount of (parallel) computational power and other computational ressources. The models described in this work give a mathematical description of the relevant forces and momentum acting on a single spherical particle in the fluid flow field, the particle-wall interaction and the particle erosion to the wall. Further models has been derived in order to take into account the influence of particle-particle collisions on the particle motion as well as the interaction of the fluid flow turbulence with the particle motion. For all these models the state-of-the-art from literature is comprehensively discussed. The main field of interest of the work presented here is in the area of development, implementation, investigation and comparative evaluation of parallelization methods for the Eulerian-Lagrangian approach for the simulation of disperse multiphase flows. Most of the priorly existing work of other authors is based on shared-memory approaches, quasi-serial or static domain decomposition approaches. These parallelization methods are mostly limited in theire applicability and scalability to parallel computer architectures with a limited degree of parallelism (a few number of very powerfull compute nodes) and to more or less homogeneous multiphase flows with uniform particle concentration distribution and minor complexity of phase interactions. This work now presents a novel parallelization method developed by the author, realizing a dynamic load balancing for the Lagrangian approach (DDD - Dynamic Domain Decomposition) and therefore leading to a substantial decrease in total computation time necessary for multiphase flow computations with the Eulerian-Lagrangian approach. Finally, the developed and entirely parallelized Eulerian-Lagrangian approach MISTRAL/PartFlow-3D offers the opportunity of efficient investigation of disperse multiphase flows with higher concentrations of the disperse phase and the resulting strong phase interaction phenomena (four-way coupling). / Viele der in Natur und Technik ablaufenden Strömungsvorgänge sind durch die Koexistenz zweier oder mehrerer Phasen gekennzeichnet. Diese sogenannten Zwei- oder Mehrphasensysteme zeichnen sich durch ein hohes Maß an Komplexität aus und erfordern oft einen sehr hohen rechentechnischen Aufwand zu deren numerischer Simulation. Die vorliegende Arbeit faßt langjährige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Autors und seiner Forschungsgruppe "Numerische Methoden für Mehrphasenströmungen" an der TU Chemnitz zusammen, die sich mit der Entwicklung und Anwendung numerischer Berechnungsverfahren für disperse Fluid-Partikel-Strömungen auf dem Gebiet der Strömungs- und Verfahrenstechnik befassen. Ein wesentlicher Teil der Arbeit befaßt sich mit der Modellierung unterschiedlicher physikalischer Phänomene in Fluid-Partikel-Strömungen unter dem Paradigma der Lagrange'schen Betrachtungsweise der Partikelbewegung. Das Euler-Lagrange-Verfahren hat sich als besonders geeignetes Berechnungsverfahren für die numerische Simulation disperser Mehrphasenströmungen erwiesen, stellt jedoch in seiner Anwendung auch höchste Anforderungen an die Ressourcen der verwendeten (parallelen) Rechnerarchitekturen. Die näher ausgeführten mathematisch-physikalischen Modelle liefern eine Beschreibung der auf eine kugelförmige Einzelpartikel im Strömungsfeld wirkenden Kräfte und Momente, der Partikel-Wand-Wechselwirkung und der Partikelerosion. Weitere Teilmodelle dienen der Berücksichtigung von Partikel-Partikel-Stoßvorgängen und der Wechselwirkung zwischen Fluidturbulenz und Partikelbewegung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt im Weiteren in der Entwicklung, Untersuchung und vergleichenden Bewertung von Parallelisierungsverfahren für das Euler-Lagrange-Verfahren zur Berechnung von dispersen Mehrphasenströmungen. Zuvor von anderen Autoren entwickelte Parallelisierungsmethoden für das Lagrange'sche Berechnungsverfahren basieren im Wesentlichen auf Shared-Memory-Ansätzen, Quasi-Seriellen Verfahren oder statischer Gebietszerlegung (SDD) und sind somit in ihrer Einsetzbarkeit und Skalierbarkeit auf Rechnerarchitekturen mit relativ geringer Parallelität und auf weitgehend homogene Mehrphasenströmungen mit geringer Komplexität der Phasenwechselwirkungen beschränkt. In dieser Arbeit wird eine vom Autor entwickelte, neuartige Parallelisierungsmethode vorgestellt, die eine dynamische Lastverteilung für das Lagrange-Verfahren ermöglicht (DDD - Dynamic Domain Decomposition) und mit deren Hilfe eine deutliche Reduzierung der Gesamtausführungszeiten einer Mehrphasenströmungsberechnung mit dem Euler-Lagrange-Verfahren möglich ist. Im Ergebnis steht mit dem vom Autor und seiner Forschungsgruppe entwickelten vollständig parallelisierten Euler-Lagrange-Verfahren MISTRAL/PartFlow-3D ein numerisches Berechnungsverfahren zur Verfügung, mit dem disperse Mehrphasenströmungen mit höheren Konzentrationen der dispersen Phase und daraus resultierenden starken Phasenwechselwirkungen (Vier-Wege-Kopplung) effektiv untersucht werden können.

This work is about the reaction around both isomeres of formylcations, formylcation (HCO+) and isoformylcation (HOC+). In interstellar chemistry these isomeres are of significant importance: radio astronomic measurements have detected the metastabil isomere HOC+ in present of the stabil isomere HCO+ in many objects. The HOC+ was found in photon dominated regions like (SgrB2, NGC 7538 und NGC 2024) as well as in dense clouds like DR21 (OH), W51M, W3 (OH), Orion (3N, 1E)). The ratecoefficiants for reactions forming both isomeres have been measured. Further more the ratecoefficiant for the isomerisation of isoformyl (HOC+) with molecular hydrogen has been measured at 25 K. / In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zu dem Ionensystem Formylkationen (HCO+) / Isoformylkationen (HOC+) vorgestellt. In der interstellaren Chemie kommt diesen Isomeren eine hohe Bedeutung zu: neuere radioastronomische Beobachtungen haben das metastabile Ion HOC+ in Anwesenheit des stabilen Isomers HCO+ in einer Vielzahl von interstellaren Umgebungen nachgewiesen. Das HOC+ - Isomer ist in signifikanter Dichte sowohl in Photon - dominierten Gebieten (wie z.B. SgrB2, NGC 7538 und NGC 2024) als auch in Dichten Molekularen Wolken (wie z.B. DR21 (OH), W51M, W3 (OH), Orion (3N, 1E), Orion KL, und G34.3) festgestellt worden. Es konnten die Ratenkoeffizienten für die Bildungsreaktionen beider Isomere bestimmt werden. Des weiteren konnte die Isomerisierung von Isoformylkationen (HOC+) mit Wasserstoff (H2) bei 25 K estimmt werden.

This work presents applications of an ab-initio molecular dynamics method, the so-called nonadiabatic quantum molecular dynamics (NA-QMD), for various molecular systems with many electronic and nuclear degrees of freedom. Thereby, the nuclei will be treated classically and the electrons with time-dependent density functional theory (TD-DFT) in basis expansion. Depending on the actual system and physical process, well suited basis sets for the Kohn-Sham orbitals has to be chosen. For the ionization process a novel absorber acting in the energy space as well as additional basis functions will be used depending on the laser frequency. In the first part of the applications, a large variety of different laser-induced molecular processes will be investigated. This concerns, the orientation dependence of the ionization of multielectronic diatomics (N2, O2), the isomerization of organic molecules (N2H2) and the giant excitation of the breathing mode in fullerenes (C60). In the second part, fullerene-fullerene collisions are investigated, for the first time in the whole range of relevant impact velocities concerning the vibrational and electronic energy transfer (\"stopping~power\"). For low energetic (adiabatic) collisions, it is surprisingly found, that a two-dimensional, phenomenological collision model can reproduce (even quantitatively) the basic features of fusion and scattering observed in the fully microscopic calculations as well as in the experiment. For high energetic (nonadiabatic) collisions, the electronic and vibrational excitation regimes are predicted, leading to multifragmentation up to complete atomization.

Many fluid flow processes in nature and technology are characterized by the presence and coexistence of two ore more phases. These two- or multiphase flows are furthermore characterized by a greater complexity of possible flow phenomena and phase interactions then in single phase flows and therefore the numerical simulation of these multiphase flows is usually demanding a much higher numerical effort. The presented work summarizes the research and development work of the author and his research group on "Numerical Methods for Multiphase Flows" at the University of Technology, Chemnitz over the last years. This work was focussed on the development and application of numerical approaches for the prediction of disperse fluid-particle flows in the field of fluid mechanics and process technology. A main part of the work presented here is concerned with the modelling of different physical phenomena in fluid-particle flows under the paradigm of the Lagrangian treatment of the particle motion in the fluid. The Eulerian-Lagrangian approach has proved to be an especially well suited numerical approach for the simulation of disperse multiphase flows. On the other hand its application requires a large amount of (parallel) computational power and other computational ressources. The models described in this work give a mathematical description of the relevant forces and momentum acting on a single spherical particle in the fluid flow field, the particle-wall interaction and the particle erosion to the wall. Further models has been derived in order to take into account the influence of particle-particle collisions on the particle motion as well as the interaction of the fluid flow turbulence with the particle motion. For all these models the state-of-the-art from literature is comprehensively discussed. The main field of interest of the work presented here is in the area of development, implementation, investigation and comparative evaluation of parallelization methods for the Eulerian-Lagrangian approach for the simulation of disperse multiphase flows. Most of the priorly existing work of other authors is based on shared-memory approaches, quasi-serial or static domain decomposition approaches. These parallelization methods are mostly limited in theire applicability and scalability to parallel computer architectures with a limited degree of parallelism (a few number of very powerfull compute nodes) and to more or less homogeneous multiphase flows with uniform particle concentration distribution and minor complexity of phase interactions. This work now presents a novel parallelization method developed by the author, realizing a dynamic load balancing for the Lagrangian approach (DDD - Dynamic Domain Decomposition) and therefore leading to a substantial decrease in total computation time necessary for multiphase flow computations with the Eulerian-Lagrangian approach. Finally, the developed and entirely parallelized Eulerian-Lagrangian approach MISTRAL/PartFlow-3D offers the opportunity of efficient investigation of disperse multiphase flows with higher concentrations of the disperse phase and the resulting strong phase interaction phenomena (four-way coupling). / Viele der in Natur und Technik ablaufenden Strömungsvorgänge sind durch die Koexistenz zweier oder mehrerer Phasen gekennzeichnet. Diese sogenannten Zwei- oder Mehrphasensysteme zeichnen sich durch ein hohes Maß an Komplexität aus und erfordern oft einen sehr hohen rechentechnischen Aufwand zu deren numerischer Simulation. Die vorliegende Arbeit faßt langjährige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Autors und seiner Forschungsgruppe "Numerische Methoden für Mehrphasenströmungen" an der TU Chemnitz zusammen, die sich mit der Entwicklung und Anwendung numerischer Berechnungsverfahren für disperse Fluid-Partikel-Strömungen auf dem Gebiet der Strömungs- und Verfahrenstechnik befassen. Ein wesentlicher Teil der Arbeit befaßt sich mit der Modellierung unterschiedlicher physikalischer Phänomene in Fluid-Partikel-Strömungen unter dem Paradigma der Lagrange'schen Betrachtungsweise der Partikelbewegung. Das Euler-Lagrange-Verfahren hat sich als besonders geeignetes Berechnungsverfahren für die numerische Simulation disperser Mehrphasenströmungen erwiesen, stellt jedoch in seiner Anwendung auch höchste Anforderungen an die Ressourcen der verwendeten (parallelen) Rechnerarchitekturen. Die näher ausgeführten mathematisch-physikalischen Modelle liefern eine Beschreibung der auf eine kugelförmige Einzelpartikel im Strömungsfeld wirkenden Kräfte und Momente, der Partikel-Wand-Wechselwirkung und der Partikelerosion. Weitere Teilmodelle dienen der Berücksichtigung von Partikel-Partikel-Stoßvorgängen und der Wechselwirkung zwischen Fluidturbulenz und Partikelbewegung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt im Weiteren in der Entwicklung, Untersuchung und vergleichenden Bewertung von Parallelisierungsverfahren für das Euler-Lagrange-Verfahren zur Berechnung von dispersen Mehrphasenströmungen. Zuvor von anderen Autoren entwickelte Parallelisierungsmethoden für das Lagrange'sche Berechnungsverfahren basieren im Wesentlichen auf Shared-Memory-Ansätzen, Quasi-Seriellen Verfahren oder statischer Gebietszerlegung (SDD) und sind somit in ihrer Einsetzbarkeit und Skalierbarkeit auf Rechnerarchitekturen mit relativ geringer Parallelität und auf weitgehend homogene Mehrphasenströmungen mit geringer Komplexität der Phasenwechselwirkungen beschränkt. In dieser Arbeit wird eine vom Autor entwickelte, neuartige Parallelisierungsmethode vorgestellt, die eine dynamische Lastverteilung für das Lagrange-Verfahren ermöglicht (DDD - Dynamic Domain Decomposition) und mit deren Hilfe eine deutliche Reduzierung der Gesamtausführungszeiten einer Mehrphasenströmungsberechnung mit dem Euler-Lagrange-Verfahren möglich ist. Im Ergebnis steht mit dem vom Autor und seiner Forschungsgruppe entwickelten vollständig parallelisierten Euler-Lagrange-Verfahren MISTRAL/PartFlow-3D ein numerisches Berechnungsverfahren zur Verfügung, mit dem disperse Mehrphasenströmungen mit höheren Konzentrationen der dispersen Phase und daraus resultierenden starken Phasenwechselwirkungen (Vier-Wege-Kopplung) effektiv untersucht werden können.

This work presents applications of an ab-initio molecular dynamics method, the so-called nonadiabatic quantum molecular dynamics (NA-QMD), for various molecular systems with many electronic and nuclear degrees of freedom. Thereby, the nuclei will be treated classically and the electrons with time-dependent density functional theory (TD-DFT) in basis expansion. Depending on the actual system and physical process, well suited basis sets for the Kohn-Sham orbitals has to be chosen. For the ionization process a novel absorber acting in the energy space as well as additional basis functions will be used depending on the laser frequency. In the first part of the applications, a large variety of different laser-induced molecular processes will be investigated. This concerns, the orientation dependence of the ionization of multielectronic diatomics (N2, O2), the isomerization of organic molecules (N2H2) and the giant excitation of the breathing mode in fullerenes (C60). In the second part, fullerene-fullerene collisions are investigated, for the first time in the whole range of relevant impact velocities concerning the vibrational and electronic energy transfer (\"stopping~power\"). For low energetic (adiabatic) collisions, it is surprisingly found, that a two-dimensional, phenomenological collision model can reproduce (even quantitatively) the basic features of fusion and scattering observed in the fully microscopic calculations as well as in the experiment. For high energetic (nonadiabatic) collisions, the electronic and vibrational excitation regimes are predicted, leading to multifragmentation up to complete atomization.