This document describes the construction of a computer-based simulation of instationary heat transfer through heat protective textiles. Especially mathematical modeling, numerical treatment and inverse determination of unknown parameters is handled in case of a fault arc test. First simulation results of different model variants are presented. / Die Arbeit beschreibt die Erstellung einer computerbasierten Simulation für instationäre thermische Vorgänge in Hitzeschutztextilien. Speziell wird dabei ein Störlichtbogentest von der mathematischen Modellbildung über die numerische Umsetzung bis hin zur inversen Bestimmung unbekannter Modellparameter betrachtet. Erste Simulationsergebnisse bei verschiedenen Modellvarianten werden dargestellt.

Mathcad gilt in den unterschiedlichsten Bereichen, z.B. in den Ingenieurwissenschaften, der Mathematik, der Physik, der Biologie oder sogar der Qualitätssicherung als hervorragendes Werkzeug zur übersichtlichen Darstellung komplexer Berechnungen. Sollten die enthaltenen Funktionalitäten nicht mehr ausreichen, besteht die Möglichkeit, Mathcad mit Hilfe von User-DLLs zu erweitern. Diese Erweiterung kann perfekt als Schnittstelle zwischen Mathcad und anderen Softwarepaketen genutzt werden. Die von der inuTech GmbH entwickelte Klassenbibliothek Diffpack zur Simulation und numerischen Lösung von Differentialgleichungen aus den verschiedensten Bereichen eignet sich hervorragend, erforderliche Funktionalitäten für Mathcad zu implementieren. Mathcad kann somit zur Parametrisierung, für Berechnungen und zur Darstellung der Ergebnisse verwendet werden, während Diffpack die Lösung der partiellen Differentialgleichung, z.B. mittels FEM, übernimmt.

We present a linear-quadratic regulator (LQR) design for a heat transfer model describing the cooling process of steel profiles in a rolling mill. Primarily we consider a feedback control approach for a linearization of the nonlinear model given there, but we will also present first ideas how to use local (in time) linearizations to treat the nonlinear equation with a regulator approach. Numerical results based on a spatial finite element discretization and a numerical algorithm for solving large-scale algebraic Riccati equations are presented both for the linear and nonlinear models.

This document describes the construction of a computer-based simulation of instationary heat transfer through heat protective textiles. Especially mathematical modeling, numerical treatment and inverse determination of unknown parameters is handled in case of a fault arc test. First simulation results of different model variants are presented. / Die Arbeit beschreibt die Erstellung einer computerbasierten Simulation für instationäre thermische Vorgänge in Hitzeschutztextilien. Speziell wird dabei ein Störlichtbogentest von der mathematischen Modellbildung über die numerische Umsetzung bis hin zur inversen Bestimmung unbekannter Modellparameter betrachtet. Erste Simulationsergebnisse bei verschiedenen Modellvarianten werden dargestellt.

Mathcad gilt in den unterschiedlichsten Bereichen, z.B. in den Ingenieurwissenschaften, der Mathematik, der Physik, der Biologie oder sogar der Qualitätssicherung als hervorragendes Werkzeug zur übersichtlichen Darstellung komplexer Berechnungen. Sollten die enthaltenen Funktionalitäten nicht mehr ausreichen, besteht die Möglichkeit, Mathcad mit Hilfe von User-DLLs zu erweitern. Diese Erweiterung kann perfekt als Schnittstelle zwischen Mathcad und anderen Softwarepaketen genutzt werden. Die von der inuTech GmbH entwickelte Klassenbibliothek Diffpack zur Simulation und numerischen Lösung von Differentialgleichungen aus den verschiedensten Bereichen eignet sich hervorragend, erforderliche Funktionalitäten für Mathcad zu implementieren. Mathcad kann somit zur Parametrisierung, für Berechnungen und zur Darstellung der Ergebnisse verwendet werden, während Diffpack die Lösung der partiellen Differentialgleichung, z.B. mittels FEM, übernimmt.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Untersuchung des stochastischen Verhaltens von Lösungen parabolischer Randanfangswertprobleme mit zufälligen Koeffizienten. Aufgaben dieser Art entstehen beispielsweise bei der mathematischen Modellierung von Wärmeleitprozessen in Materialien, deren Wärmeleitfähigkeit als zufällige Größe bzw. als zufällige Funktion angesehen werden kann. Die Modellierung dieser stochastischen Einflüsse erfolgt u. a. mit Hilfe von epsilon-korrelierten Funktionen. Um stochastische Charakteristiken wie Erwartungswert-, Korrelations- und Varianzfunktion der Lösung des Randanfangswertproblems näherungsweise zu ermitteln, werden die Ansätze der Finite-Elemente-Methode (FEM), der Fouriermethode sowie der Stochastischen Simulation gewählt. Die beiden erstgenannten Verfahren erfahren eine Kombination mit der Methode der Störungsrechnung, wodurch sich jeweils Entwicklungen der gesuchten Charakteristiken bis zur zweiten Ordnung bezüglich eines Störungsparameters ergeben. Konkrete Ergebnisse werden für einfache ein- und zweidimensionale Gebiete ermittelt. Die Anwendung der Störungsrechnung wird im Fall der FEM zudem analytisch gerechtfertigt. Die Methode der Stochastischen Simulation nutzt die Approximation der eingehenden zufälligen Funktion durch Moving-Average-Felder. Für die Auswertung der auftretenden Integrale bei Anwendung der FEM werden explizite Formeln angegeben. Für einige Beispiele im ein- und zweidimensionalen Fall erfolgt die numerische Umsetzung sowie die grafische Präsentation der Ergebnisse sowie deren Vergleich für die verschiedenen eingesetzten Methoden. / This work focuses on the stochastic behavior of solutions of parabolic initial value problems with random coefficients. This sort of tasks is a result of modeling heat conduction processes on material whose heat conductivity can be considered as a random value or a random function. Stochastic influences are modeled, among others, by epsilon correlated functions. In order to determine stochastic characteristics like expectation value function, correlation function, and variance function of the problems solution approximately, the finite element method (FEM), the Fourier method, and the Monte Carlo Simulation are chosen. The first two methods are combined with perturbation techniques. This leads to expansions of the characteristics up to the second order with respect to a perturbation parameter. Results are determined for cases of one and two dimensional domains. The applicability of perturbation methods is verified for the FEM-based solution. The Monte Carlo Simulation uses the approximation of random functions by moving average fields. Explicit formulas are given for the evaluation of integrals which appear by applying the FEM. The work ends with the presenting of numerical examples for the one and two dimensional case.

We present a linear-quadratic regulator (LQR) design for a heat transfer model describing the cooling process of steel profiles in a rolling mill. Primarily we consider a feedback control approach for a linearization of the nonlinear model given there, but we will also present first ideas how to use local (in time) linearizations to treat the nonlinear equation with a regulator approach. Numerical results based on a spatial finite element discretization and a numerical algorithm for solving large-scale algebraic Riccati equations are presented both for the linear and nonlinear models.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Untersuchung des stochastischen Verhaltens von Lösungen parabolischer Randanfangswertprobleme mit zufälligen Koeffizienten. Aufgaben dieser Art entstehen beispielsweise bei der mathematischen Modellierung von Wärmeleitprozessen in Materialien, deren Wärmeleitfähigkeit als zufällige Größe bzw. als zufällige Funktion angesehen werden kann. Die Modellierung dieser stochastischen Einflüsse erfolgt u. a. mit Hilfe von epsilon-korrelierten Funktionen. Um stochastische Charakteristiken wie Erwartungswert-, Korrelations- und Varianzfunktion der Lösung des Randanfangswertproblems näherungsweise zu ermitteln, werden die Ansätze der Finite-Elemente-Methode (FEM), der Fouriermethode sowie der Stochastischen Simulation gewählt. Die beiden erstgenannten Verfahren erfahren eine Kombination mit der Methode der Störungsrechnung, wodurch sich jeweils Entwicklungen der gesuchten Charakteristiken bis zur zweiten Ordnung bezüglich eines Störungsparameters ergeben. Konkrete Ergebnisse werden für einfache ein- und zweidimensionale Gebiete ermittelt. Die Anwendung der Störungsrechnung wird im Fall der FEM zudem analytisch gerechtfertigt. Die Methode der Stochastischen Simulation nutzt die Approximation der eingehenden zufälligen Funktion durch Moving-Average-Felder. Für die Auswertung der auftretenden Integrale bei Anwendung der FEM werden explizite Formeln angegeben. Für einige Beispiele im ein- und zweidimensionalen Fall erfolgt die numerische Umsetzung sowie die grafische Präsentation der Ergebnisse sowie deren Vergleich für die verschiedenen eingesetzten Methoden. / This work focuses on the stochastic behavior of solutions of parabolic initial value problems with random coefficients. This sort of tasks is a result of modeling heat conduction processes on material whose heat conductivity can be considered as a random value or a random function. Stochastic influences are modeled, among others, by epsilon correlated functions. In order to determine stochastic characteristics like expectation value function, correlation function, and variance function of the problems solution approximately, the finite element method (FEM), the Fourier method, and the Monte Carlo Simulation are chosen. The first two methods are combined with perturbation techniques. This leads to expansions of the characteristics up to the second order with respect to a perturbation parameter. Results are determined for cases of one and two dimensional domains. The applicability of perturbation methods is verified for the FEM-based solution. The Monte Carlo Simulation uses the approximation of random functions by moving average fields. Explicit formulas are given for the evaluation of integrals which appear by applying the FEM. The work ends with the presenting of numerical examples for the one and two dimensional case.

Hauptthema der Dissertation ist die Analysis eines nichtlinearen, gekoppelten Systems partieller Differentialgleichungen (PDG), das in der Modellierung der Kristallzüchtung aus der Schmelze mit Magnetfeldern vorkommt. Die zu beschreibenden Phenomäne sind einerseits der im elektromagnetisch geheizten Schmelzofen erfolgende Wärmetransport (Wärmeleitung, -konvektion und -strahlung), und andererseits die Bewegung der Halbleiterschmelze unter dem Einfluss der thermischen Konvektion und der angewendeten elektromagnetischen Kräfte. Das Modell besteht aus den Navier-Stokeschen Gleichungen für eine inkompressible Newtonsche Flüssigkeit, aus der Wärmeleitungsgleichung und aus der elektrotechnischen Näherung des Maxwellschen Systems. Wir erörtern die schwache Formulierung dieses PDG Systems, und wir stellen ein Anfang-Randwertproblem auf, das die Komplexität der Anwendung widerspiegelt. Die Hauptfrage unserer Untersuchung ist die Wohlgestelltheit dieses Problems, sowohl im stationären als auch im zeitabhängigen Fall. Wir zeigen die Existenz schwacher Lösungen in geometrischen Situationen, in welchen unstetige Materialeigenschaften und nichtglatte Trennfläche auftreten dürfen, und für allgemeine Daten. In der Lösung zum zeitabhängigen Problem tritt ein Defektmaß auf, das ausser der Flüssigkeit im Rand der elektrisch leitenden Materialien konzentriert bleibt. Da eine globale Abschätzung der im Strahlungshohlraum ausgestrahlten Wärme auch fehlt, rührt ein Teil dieses Defektmaßes von der nichtlokalen Strahlung her. Die Eindeutigkeit der schwachen Lösung erhalten wir nur unter verstärkten Annahmen: die Kleinheit der gegebenen elektrischen Leistung im stationären Fall, und die Regularität der Lösung im zeitabhängigen Fall. Regularitätseigenschaften wie die Beschränktheit der Temperatur werden, wenn auch nur in vereinfachten Situationen, hergeleitet: glatte Materialtrennfläche und Temperaturunabhängige Koeffiziente im Fall einer stationären Analysis, und entkoppeltes, zeitharmonisches Maxwell für das transiente Problem. / The present PhD thesis is devoted to the analysis of a coupled system of nonlinear partial differential equations (PDE), that arises in the modeling of crystal growth from the melt in magnetic fields. The phenomena described by the model are mainly the heat-transfer processes (by conduction, convection and radiation) taking place in a high-temperatures furnace heated electromagnetically, and the motion of a semiconducting melted material subject to buoyancy and applied electromagnetic forces. The model consists of the Navier-Stokes equations for a newtonian incompressible liquid, coupled to the heat equation and the low-frequency approximation of Maxwell''s equations. We propose a mathematical setting for this PDE system, we derive its weak formulation, and we formulate an (initial) boundary value problem that in the mean reflects the complexity of the real-life application. The well-posedness of this (initial) boundary value problem is the mainmatter of the investigation. We prove the existence of weak solutions allowing for general geometrical situations (discontinuous coefficients, nonsmooth material interfaces) and data, the most important requirement being only that the injected electrical power remains finite. For the time-dependent problem, a defect measure appears in the solution, which apart from the fluid remains concentrated in the boundary of the electrical conductors. In the absence of a global estimate on the radiation emitted in the cavity, a part of the defect measure is due to the nonlocal radiation effects. The uniqueness of the weak solution is obtained only under reinforced assumptions: smallness of the input power in the stationary case, and regularity of the solution in the time-dependent case. Regularity properties, such as the boundedness of temperature are also derived, but only in simplified settings: smooth interfaces and temperature-independent coefficients in the case of a stationary analysis, and, additionally for the transient problem, decoupled time-harmonic Maxwell.

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