Zugl.: Bonn, Univ., Diss., 2007

Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2008. / Dateien im PDF-Format.

Zugl.: Bonn, Universiẗat, Diss., 2007.

Diss. Univ. Bonn, 2007. / Quellentext lat.

Due to its relevance for global climate, the realistic representation of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) in ocean models is a key task.<br> In recent years, two paradigms have evolved around what are its driving mechanisms: diapycnal mixing and Southern Ocean winds. This work aims at clarifying what sets the strength of the Atlantic overturning components in an ocean general circulation model and discusses the role of spatially inhomogeneous mixing, numerical diffusion and winds. Furthermore, the relation of the AMOC with a key quantity, the meridional pressure difference is analyzed. <br><br> Due to the application of a very low diffusive tracer advection scheme, a realistic Atlantic overturning circulation can be obtained that is purely wind driven.<br> On top of the winddriven circulation, changes of density gradients are caused by increasing the parameterized eddy diffusion in the North Atlantic and Southern Ocean. The linear relation between the maximum of the Atlantic overturning and the meridional pressure difference found in previous studies is confirmed and it is shown to be due to one significant pressure gradient between the average pressure over high latitude deep water formation regions and a relatively uniform pressure between 30°N and 30°S, which can directly be related to a zonal flow through geostrophy. Under constant Southern Ocean windstress forcing, a South Atlantic outflow in the range of 6-16 Sv is obtained for a large variety of experiments. Overall, the circulation is winddriven but its strength not uniquely determined by the Southern Ocean windstress. <br><br> The scaling of the Atlantic overturning components is linear with the background vertical diffusivity, not confirming the 2/3 power law for one-hemisphere models without wind forcing. The pycnocline depth is constant in the coarse resolution model with large vertical grid extends. It suggests the ocean model operates like the Stommel box model with a linear relation of the pressure difference and fixed vertical scale for the volume transport. However, this seems only valid for vertical diffusivities smaller 0.4 cm²/s, when the dominant upwelling within the Atlantic occurs along the boundaries. For larger vertical diffusivities, a significant amount of interior upwelling occurs. It is further shown that any localized vertical mixing in the deep to bottom ocean cannot drive an Atlantic overturning. However, enhanced boundary mixing at thermocline depths is potentially important. <br><br> The numerical diffusion is shown to have a large impact on the representation of the Atlantic overturning in the model. While the horizontal numerical diffusion tends to destabilize the Atlantic overturning the verital numerical diffusion denotes an amplifying mechanism. / Wegen ihrer Bedeutung für das globale Klima ist die realistische Darstellung des Atlantischen meridionalen overturnings in Ozeanmodellen eine zentrale Aufgabe.<br> In den letzten Jahren haben sich zwei verschiedene Hypothesen darüber entwickelt, was diese Zirkulation antreibt: diapyknische Vermischung und Winde im südlichen Ozean.<br> Die vorliegende Arbeit zielt darauf aufzuklären, welche Rolle eine räumlich inhomogene Verteilung der Vermischung, die numerische Diffusion und Winde beim Bestimmen der Stärke des Atlantischen overturnings spielen. Ausserdem wird die Beziehung des Atlantischen overturnings zu meridionalen Druckgradienten untersucht. <br><br> Durch Anwenden eines sehr gering diffusiven Tracer-Advektionsschemas kann eine realistische Zirkulation erzeugt werden, die rein von den Winden im südlichen Ozean getrieben wird. Ausgehend von der windgetriebenen Zirkulation werden Änderungen der Dichtegradienten durch Verstärkung der parametrisierten Eddy Diffusion im Nordatlantik und südlichen Ozean hervorgerufen. Dadurch wird das Bild einer vom Wind bestimmten Zirkulation in der letztendlich Druckgradienten nicht ausschlaggebend sein würden, modifiziert. Das lineare Verhältnis zwischen dem Maximum des Atlantischen overturnings und dem meridionalen Druckgradienten wird bestätigt und erklärt. Diese Linearität ist auf einen signifikanten Druckgradienten zwischen den Tiefenwasserbildungsgebieten und einem zwischen 30°N and 30°S homogenen Druck zurückzuführen. Der Volumentransport bei 30°S variiert über eine Bandbreite von 10 Sv für verschiedene Experimente unter konstantem Wind über dem südlichen Ozean. Zusammenfassend ist die Zirkulation zwar windgetrieben aber ihre Stärke nicht allein vom Wind bestimmt. <br><br> Die Skalierung des Atlantischen overturnings ist linear mit vertikaler Vermischung, was die Skalierung mit einem Exponenten von 2/3 in ein-hemisphärischen Modellen ohne Wind-Antrieb nicht bestätigt. Die Tiefe der Pyknokline bleibt mit der groben vertikalen Auflösung konstant. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Ozeanmodell sich wie das Stommel-Box Modell verhält mit einer linearen Beziehung zum meridionalen Druckgradienten und einer festen vertikalen Skala für den Volumentransport. Das scheint jedoch nur für Diffusivitäten kleiner als 0.4 cm²/s zu gelten, wenn das Aufsteigen im Atlantischen Ozean bevorzugt an den Ozeanrändern statt findet. <br><br> In Bezug auf den Antrieb des Atlantischen overturnings wird gezeigt, dass vertikale Vermischung in der Nähe des Ozeanbodens keinen Einfluss hat. Verstärkte vertikale Vermischung an den Ozeanrändern in der Tiefe der Thermokline jedoch ist potentiell wichtig. <br><br> Die numerische Diffusion hat einen grossen Einfluss auf das Atlantische overturning im Modell. Während die horizontale numerische Diffusion das overturning eher zu destabilisieren tendiert, bewirkt die vertikale numerische Diffusion einen Verstärkungsmechanismus.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.

Despite their increasing usefulness in a wide variety of applications, organic electrochemical transistors still lack a comprehensive and unifying physical framework able to describe the current-voltage characteristics and the polymer/electrolyte interactions simultaneously. Building upon thermodynamic axioms, we present a quantitative analysis of the operation of organic electrochemical transistors. We reveal that the entropy of mixing is the main driving force behind the redox mechanism that rules the transfer properties of such devices in electrolytic environments. In the light of these findings, we show that traditional models used for organic electrochemical transistors, based on the theory of field-effect transistors, fall short as they treat the active material as a simple capacitor while ignoring the material properties and energetic interactions. Finally, by analyzing a large spectrum of solvents and device regimes, we quantify the entropic and enthalpic contributions and put forward an approach for targeted material design and device applications.

Research has shown that mixing in cross-junctions in water distribution systems is far from perfect, and that the entering fluids bifurcate from each other rather than mix. The purpose of this thesis is to study the behaviour of two fluids entering a cross-junction in a water distribution system. In this context, experimental tests and numerical simulations are performed in order to produce and test the mixing at cross-junctions. This study focuses on cross-junctions with equal pipe diameters, with flows that can vary from laminar to turbulent. The fluids are pure water and tracer. Different tracer materials with various flow configurations were tested experimentally and numerically. Firstly, an experimental study of mixing in cross-junctions was performed at the TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser (German Water Center) in Dresden. This experimental study pro-vides an overview of the parameters that can affect the mixing in cross-junctions, and is used to validate the numerical simulations. Different numerical approaches for modelling the mixing in cross-junctions are presented. The simulations use an existing commercial CFD code, ANSYS CFX 19.1, and are also extensively validated using experimental and numerical results from other researchers. In ANSYS CFX there are several models that can be used to simulate the mixing of two fluids. In this study both fluids are considered to be isothermal incompressible and without phase change. Two mixing models are tested: the additional variable model and the multi-component model. The three-dimensional models use RANS turbulence models and LES simulations. The parameters of the numerical setup were investigated carefully in order to study their effect on the results. Furthermore, the effect of changing the turbulent Schmidt number in the RANS simulations was extensively studied, and the results are compared with the experimental results. The accuracy of using Large eddy simulation to simulate mixing in cross junction is also tested, taking into consideration the required mesh resolution and the turbulence in the initial bound-ary conditions. This work presents an applicable numerical approach to simulate the fluid behaviours in cross-junctions. Using this approach, the effect of different parameters is tested, such as: Reynolds number, pipe diameter, mixing time, diffusivity and density difference. The results produced using the numerical approach revealed that one of the main parameters that affect the mixing is the density difference. It has a great effect on the outgoing concentration in cross-junctions, and the mixing behaviour changes when the tracer material and the flow regime are changed. The used approach will help to investigate the effect of various flow parameters on the mixing in cross-junctions. Based on the data set of this study, an empirical conceptual model for mixing in cross-junction is also presented using multiple regression, and there is potential for this model to be further developed in combination with experimental and numerical studies.:Abstract Kurzfassung Nomenclature List of Figures List of Tables 1 Introduction and Literature Review 1.1 Introduction 1.2 Literature Review 1.2.1 Transport in water distribution system 1.2.2 Mixing in pipe junctions 1.3 Research problems 1.4 Research methodology and objectives 2 Theoretical Background 2.1 Basic equations and terms in pipe hydraulic 2.1.1 Conservation of mass (the equation of continuity) 2.1.2 Conservation of momentum (the Navier-Stokes equations) 2.1.3 Contaminant transport (transport equation) 2.1.4 Reynolds number 2.1.5 Flow development in pipes 2.1.6 Velocity distribution in pipe flows 2.1.7 Definition of concentration and mass fraction 2.1.8 Viscosity 2.2 Turbulence and modeling 2.2.1 Spatial discretization methods 2.2.2 Turbulence models 2.2.3 Direct numerical simulation (DNS) 2.2.4 Reynolds averaged Navier-Stokes Equations (RANS) 2.2.5 Large eddy simulation 2.3 Modeling of mixing in ANSYS CFX 2.3.1 Additional variable 2.3.2 Multi-component flow model 2.3.3 Two-phase flow model 2.4 Mixing in cross-junctions (available models) 2.4.1 Complete mixing model 2.4.2 Bulk advective mixing model (BAM) 2.4.3 BAM-Wrap mixing model 2.4.4 Shao mixing model 3 Experimental Study 3.1 Introduction 3.2 Description of the model network 3.3 Results and discussion 3.3.1 Turbulent flow experiments 3.3.2 Laminar flow experiments 3.3.3 The interpolation of the experimental results 3.4 Conclusion 4 3D Numerical Study using ANSYS CFX 4.1 Introduction to ANSYS CFX 4.1.1 Model setup in ANSYS CFX 4.1.2 Modeling of mixing in cross-junctions 4.2 Additional variable model 4.2.1 Application of Reynolds averaged Navier-Stokes simulation 4.2.2 Sensitivity analysis of URANS simulations 4.2.3 Application of the large eddy simulation 4.2.4 Summary 4.3 Multi-component flow model 4.3.1 Setup of the multi-component simulation model 4.3.2 Results and discussion 4.4 Summary 5 Mixing Model for Cross junction 5.1 Introduction 5.2 Parameter sensitivity Analysis 5.2.1 The influence of changing the Reynolds number 5.2.2 The influence of changing the pipe diameter 5.2.3 The influence of the inflow and outflow ratios 5.2.4 The influence of changing the tracer properties 5.2.5 The influence of the pipe roughness 5.3 Conceptual model for mixing in cross junction 6 Summary 7 Outlook References APPENDIX A APPENDIX B / Frühere Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass das Vermischen von gelösten Substanzen in Rohrkreuzen in Wasserversorgungssystemen alles andere als perfekt ist und wenn zwei Flüssigleiten in einem Rohrkreuz eintreten, trennen sie sich eher voneinander anstatt sich zu vermischen. Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, das Verhalten von zwei Flüssigkeiten in einem Rohrkreuz zu untersuchen. In diesem Zusammenhang werden experimentelle Unter-suchungen und numerische Strömungssimulationen durchgeführt, um das Vermischen an Kreuzungspunkten in Wasserversorgungssystemen zu untersuchen. Diese Arbeit konzentriert sich auf Rohrkreuzen mit gleichen Rohrdurchmessern in Strömungen, die von laminar bis turbulent variieren können. Verschiedene Eigenschaften der Flüssigkeiten mit verschiedenen Strömungskonfigurationen wurden experimentell und numerisch getestet. Zunächst wurden im TZW (DVGW-Technologiezentrum Wasser) die experimentellen Untersuchungen zum Mi-schen in Rohrkreuzungen durchgeführt. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen bieten einen Überblick über die Parameter, die das Mischverhältnis in Kreuzungspunkten be-einflussen können, und werden zur Validierung der numerischen Simulationen verwendet. Verschiedene numerische Ansätze zur Modellierung des Vermischens in Rohrkreuzen werden vorgestellt. Die 3D-numerische Strömungssimulationen verwenden einen vorhandenen kommerziellen CFD-Code, ANSYS CFX 19.1, und werden auch anhand experimenteller und numerischer Ergebnisse anderer Forscher umfassend validiert. In ANSYS CFX gibt es mehre-re Modelle, mit denen das Vermischen von Flüssigkeiten simuliert werden kann. In dieser Arbeit werden beide Flüssigkeiten als isotherm, inkompressibel und ohne Phasenwechsel betrachtet. Es werden zwei Mischmodelle getestet: das Additional Variable Model und das Multi-component Model. Die 3D -Strömungsmodelle verwenden RANS-Turbulenzmodelle und LES-Simulationen. Die Parameter des numerischen Aufbaus wurden sorgfältig untersucht, um ihre Auswirkung auf die Ergebnisse zu untersuchen. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Änderung der turbulenten Schmidt-Zahl in den RANS-Simulationen ausführlich untersucht und die Ergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Die Genauigkeit der Ver-wendung einer Large-Eddy-Simulation zur Simulation des Vermischens in Rohrkreuz wird ebenfalls getestet, wobei die erforderliche Netzauflösung und die Turbulenzen in den An-fangs- und Randbedingungen berücksichtigt werden. Diese Arbeit präsentiert einen anwend-baren numerischen Ansatz zur Simulation des Fließverhaltens in Rohrkreuzen. Mit diesem Ansatz wird die Wirkung verschiedener Parameter getestet, z. B.: Reynolds-Zahl, Rohrdurch-messer, Vermischungszeit, Diffusivität und Dichteunterschied. Die mit den numerischen Mo-dellen erzielten Ergebnisse zeigten, dass einer der Hauptparameter, die das Vermischen in Rohrkreuzen beeinflussen, der Dichteunterschied ist, welcher einen großen Einfluss auf die ausgehende Konzentration in Kreuzungen hat. Der verwendete numerische Ansatz wird dazu beitragen, die Auswirkung verschiedener Strömungsparameter auf das Vermischen in Rohr-kreuzen zu untersuchen. Basierend auf dem Datensatz dieser Studie wird auch ein empiri-sches konzeptionelles Modell für das Vermischen in Rohrkreuz unter Verwendung multipler Regression vorgestellt. Dieses Modell kann in Kombination mit experimentellen und numeri-schen Studien weiterentwickelt werden.:Abstract Kurzfassung Nomenclature List of Figures List of Tables 1 Introduction and Literature Review 1.1 Introduction 1.2 Literature Review 1.2.1 Transport in water distribution system 1.2.2 Mixing in pipe junctions 1.3 Research problems 1.4 Research methodology and objectives 2 Theoretical Background 2.1 Basic equations and terms in pipe hydraulic 2.1.1 Conservation of mass (the equation of continuity) 2.1.2 Conservation of momentum (the Navier-Stokes equations) 2.1.3 Contaminant transport (transport equation) 2.1.4 Reynolds number 2.1.5 Flow development in pipes 2.1.6 Velocity distribution in pipe flows 2.1.7 Definition of concentration and mass fraction 2.1.8 Viscosity 2.2 Turbulence and modeling 2.2.1 Spatial discretization methods 2.2.2 Turbulence models 2.2.3 Direct numerical simulation (DNS) 2.2.4 Reynolds averaged Navier-Stokes Equations (RANS) 2.2.5 Large eddy simulation 2.3 Modeling of mixing in ANSYS CFX 2.3.1 Additional variable 2.3.2 Multi-component flow model 2.3.3 Two-phase flow model 2.4 Mixing in cross-junctions (available models) 2.4.1 Complete mixing model 2.4.2 Bulk advective mixing model (BAM) 2.4.3 BAM-Wrap mixing model 2.4.4 Shao mixing model 3 Experimental Study 3.1 Introduction 3.2 Description of the model network 3.3 Results and discussion 3.3.1 Turbulent flow experiments 3.3.2 Laminar flow experiments 3.3.3 The interpolation of the experimental results 3.4 Conclusion 4 3D Numerical Study using ANSYS CFX 4.1 Introduction to ANSYS CFX 4.1.1 Model setup in ANSYS CFX 4.1.2 Modeling of mixing in cross-junctions 4.2 Additional variable model 4.2.1 Application of Reynolds averaged Navier-Stokes simulation 4.2.2 Sensitivity analysis of URANS simulations 4.2.3 Application of the large eddy simulation 4.2.4 Summary 4.3 Multi-component flow model 4.3.1 Setup of the multi-component simulation model 4.3.2 Results and discussion 4.4 Summary 5 Mixing Model for Cross junction 5.1 Introduction 5.2 Parameter sensitivity Analysis 5.2.1 The influence of changing the Reynolds number 5.2.2 The influence of changing the pipe diameter 5.2.3 The influence of the inflow and outflow ratios 5.2.4 The influence of changing the tracer properties 5.2.5 The influence of the pipe roughness 5.3 Conceptual model for mixing in cross junction 6 Summary 7 Outlook References APPENDIX A APPENDIX B

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Die epitaktische Wachstum von GeTe Dünnschichten und Sb2Te3/GeTe Übergittern durch Molekularstrahlepitaxie wird auf drei verschiedenen Silizium Oberflächen gezeigt: Si(111)−(7×7), Si(111)−(√3×√3)R30°−Sb, und Si(111)−(1×1)−H. Mit Röntgenstrukturanalyse wird bewiesen, dass die epitaktische Beziehung der GeTe Schicht von der Oberflächepassievierung abhängig ist; auf einer passivierten Fläche können verdrehte Domänen unterdrückt sein. Dieses Verhalten ähnelt dem, welches bei 2D Materialien zu erwarten wäre, und wird auf die Schwäche der Resonanten ungebundenen Zustände zurückgeführt, die durch Peierls Verzerrung noch schwächer werden. / The growth by molecular beam epitaxy of GeTe and Sb2Te3/GeTe superlattices on three differently reconstructed Si(111) surfaces is demonstrated. Namely, these are the Si(111)−(7×7), Si(111)−(√3×√3)R30°−Sb, and Si(111)−(1×1)−H reconstructions. Through X-ray diffraction, the epitaxial relationship of GeTe is shown to depend on the passivation of the surface; in-plane twisted and twinned domains could be suppressed on a passivated surface. This behavior which resembles what would be expected from lamellar materials, is attributed to the relative weakness of resonant dangling bonds, that are further weakened by Peierls distortion.