In dieser Arbeit wurden einzelne Siliziumdioxid-Partikel (Durchmesser 500nm) in einer elektrodynamischen Vierpolfalle gespeichert und mit Hilfe eines Kohlendioxidlasers aufgeheizt. Die Masse eines gespeicherten Partikels wurde dabei mit hoher Präzision und in situ aus der Auswertung von Streulichtmodulationen gewonnen. Es wurden anhand der zeitlichen Masseänderung laserinduzierte Desorptionen und Adsorptionen von Molekülen beobachtet. Dazu wurde eine weitgehend automatisierte Versuchsanlage aufgebaut. Eine rechnergesteuerte Durchführung der Experimente erfolgte jeweils bis zu einer Dauer mehrerer Tage (Langzeitmessungen). Die Temperatur und die thermische Abstrahlleistung isolierter Partikel wurde mit Hilfe einer modifizierten Planck'schen Strahlungsformel abgeschätzt.

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.

Emaillierte Scheiben finden seit sehr langer Zeit ihre Anwendung im Bauwesen als opake Fassadenpaneele in System- oder vorgehängten, hinterlüfteten Fassaden. Mit Mustern in Form von Punkten, Streifen oder Quadraten wird ein teilweiser Sonnen- beziehungsweise Blendschutz realisiert. Ebenso ist seit langem eine festigkeitsmindernde Wirkung einer solchen Bedruckung auf Glasbauteilen bekannt. Die Gründe dafür sind nicht geklärt, und es existieren mehrere Erklärungsversuche, die ihre Belastbarkeit aber noch nicht bewiesen haben. Ebenso beruhen die Normangaben zu bedruckten, vorgespannten Glasprodukten auf empirischen Untersuchungen ohne weitere wissenschaftliche Basis. Daher wird in dieser Arbeit das Ziel verfolgt, eine in der Fachliteratur genannte mögliche Ursache der Festigkeitsminderung genauer zu untersuchen. Neben einer Bewertung der bereits vorhandenen, wenigen Erklärungsversuche wird die in der Literatur geäußerte und auch durch Versuche im Rahmen von Qualitätskontrollen der Glasveredler berechtigte Annahme der Festigkeitsminderung auf Grund geänderter Temperaturverhältnisse während des Abkühlvorgangs durch die Emailleschicht besonders untersucht. Dieser Annahme wird mit spannungsoptischen Messmethoden und in Bruchversuchen nachgegangen. Mit Streulichtmessungen werden mögliche Veränderungen im Eigenspannungsverlauf über die Glasdicke quantitativ ermittelt. Mit Bruchversuchen in einem modifizierten Doppelring-Biegeversuch können dann unter Ansatz der ermittelten Vorspannung im Glas Rückschlüsse auf mögliche strukturelle Veränderungen der Glasoberfläche beziehungsweise größere Defekte geschlossen werden. Mittels numerischer Simulationen des Vorspannprozesses von bedruckten und unbedruckten Scheiben kann auch die Auswirkung verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten genauer bestimmt werden. In praktischen Versuchen kann eine solche mögliche Auswirkung nicht untersucht werden, da die Emaille als Überzugsmaterial als handelsübliches Produkt verwendet und nicht frei konfektioniert wird. Daher können nur die thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Versuch berücksichtigt werden, die sich im handelsüblichen Produkt einstellen.

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.

Die von Gegenständen abgegebene Wärmestrahlung lässt sich mit Hilfe einer Infrarotkamera messen. Die Atmosphäre zwischen dem Gegenstand und dem Objektiv der Kamera beeinflusst die gemessene infrarote Strahlung [Becker and Li (1995)]. In diesem Artikel soll dieser Einfluss der Atmosphäre auf die langwellige Strahlung quantifiziert werden. Dabei wird die Strahlung aus dem oberen Halbraum gemessen, welche den Weg in das begrenzte Sichtfeld der Kamera findet. Die Temperaturstrahlung aus den einzelnen Winkelelementen der Atmosphäre ist abhängig von den Strahlungseigenschaften der einzelnen Luftschichten. Das verwendete Messgerät vom Typ Varioscan 3021-ST bestimmt die Strahlung im Wellenlängenbereich 8 – 14 μm. Verantwortlich für die Absorption der Strahlung ist der atmosphärische Wasserdampf in der Grenzschicht. Bei geringen Entfernungen unter einem Dekameter kann der Einfluss der Atmosphäre auf die Wärmestrahlung vernachlässigt werden. Es wird versucht die Absorptionskoeffizienten für die untere Troposphäre abzuschätzen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung der Verteilung der Absorptionskoeffizienten mit der Verteilung des atmosphärischen Wasserdampfes. Nach Lozán (2005), befindet sich die Hälfte des atmosphärischen Wasserdampfes unterhalb von 1.5 km Höhe. Weiterhin sind nur 5 % oberhalb von 5 km angesiedelt und sogar nur 1 % in der Stratosphäre anzutreffen. Also lässt sich ein großer Teil des Wasserdampfes mit diesem Messgerät erfassen, wobei ein weiterer Vorteil in der einfachen Transportfähigkeit des Messgerätes zu sehen ist. / With the help of an infrared camera, one can measure the infrared radiation emitted by all bodies. However, the Earth’s atmosphere has a significant effect on the measurements of infrared radiation. In this article, the nature and quantification of these atmospheric effects will be discussed. Therefore we measure the radiation from the upper half space, which is coming to the camera during their field of view. The measurement of thermal radiation from the separate angels of the atmosphere depends on the properties of radiation in the different layers of the Earth’s atmosphere. The measurement Varioscan 3021-ST will account for all the radiation in the wavelength from 8 to 14 μm. The water vapor in the boundary layer is accountable for the absorption of this radiation. Only on small distances under about 100 m the effect of the atmosphere on the long wave radiation is untended. The coefficients of absorption can be estimated for the lower boundary layer. One can see a very good correlation with the atmospheric water vapor. By seeing Lozán (2005), approximately half of the atmospheric water vapor is located under 1.5 km height. Only 5 % are over 5 km and just 1 % is located in die stratosphere. That way a big part of the water vapor can comprise by the measurement. Another advantage is the easy way of transportability of the measurement.

In dieser Arbeit wurden einzelne Siliziumdioxid-Partikel (Durchmesser 500nm) in einer elektrodynamischen Vierpolfalle gespeichert und mit Hilfe eines Kohlendioxidlasers aufgeheizt. Die Masse eines gespeicherten Partikels wurde dabei mit hoher Präzision und in situ aus der Auswertung von Streulichtmodulationen gewonnen. Es wurden anhand der zeitlichen Masseänderung laserinduzierte Desorptionen und Adsorptionen von Molekülen beobachtet. Dazu wurde eine weitgehend automatisierte Versuchsanlage aufgebaut. Eine rechnergesteuerte Durchführung der Experimente erfolgte jeweils bis zu einer Dauer mehrerer Tage (Langzeitmessungen). Die Temperatur und die thermische Abstrahlleistung isolierter Partikel wurde mit Hilfe einer modifizierten Planck'schen Strahlungsformel abgeschätzt.

Emaillierte Scheiben finden seit sehr langer Zeit ihre Anwendung im Bauwesen als opake Fassadenpaneele in System- oder vorgehängten, hinterlüfteten Fassaden. Mit Mustern in Form von Punkten, Streifen oder Quadraten wird ein teilweiser Sonnen- beziehungsweise Blendschutz realisiert. Ebenso ist seit langem eine festigkeitsmindernde Wirkung einer solchen Bedruckung auf Glasbauteilen bekannt. Die Gründe dafür sind nicht geklärt, und es existieren mehrere Erklärungsversuche, die ihre Belastbarkeit aber noch nicht bewiesen haben. Ebenso beruhen die Normangaben zu bedruckten, vorgespannten Glasprodukten auf empirischen Untersuchungen ohne weitere wissenschaftliche Basis. Daher wird in dieser Arbeit das Ziel verfolgt, eine in der Fachliteratur genannte mögliche Ursache der Festigkeitsminderung genauer zu untersuchen. Neben einer Bewertung der bereits vorhandenen, wenigen Erklärungsversuche wird die in der Literatur geäußerte und auch durch Versuche im Rahmen von Qualitätskontrollen der Glasveredler berechtigte Annahme der Festigkeitsminderung auf Grund geänderter Temperaturverhältnisse während des Abkühlvorgangs durch die Emailleschicht besonders untersucht. Dieser Annahme wird mit spannungsoptischen Messmethoden und in Bruchversuchen nachgegangen. Mit Streulichtmessungen werden mögliche Veränderungen im Eigenspannungsverlauf über die Glasdicke quantitativ ermittelt. Mit Bruchversuchen in einem modifizierten Doppelring-Biegeversuch können dann unter Ansatz der ermittelten Vorspannung im Glas Rückschlüsse auf mögliche strukturelle Veränderungen der Glasoberfläche beziehungsweise größere Defekte geschlossen werden. Mittels numerischer Simulationen des Vorspannprozesses von bedruckten und unbedruckten Scheiben kann auch die Auswirkung verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten genauer bestimmt werden. In praktischen Versuchen kann eine solche mögliche Auswirkung nicht untersucht werden, da die Emaille als Überzugsmaterial als handelsübliches Produkt verwendet und nicht frei konfektioniert wird. Daher können nur die thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Versuch berücksichtigt werden, die sich im handelsüblichen Produkt einstellen.:1 Problemstellung 1 1.1 Begriffsbestimmungen 3 1.1.1 Fachbegriffe zur Emaille 3 1.1.2 Festigkeitsbegriffe für Glas 5 1.2 Stand der Wissenschaft und Technik 7 1.2.1 Metallemaillierungen 7 1.2.2 Glasemaillierungen 8 1.3 Abgeleitete Fragestellungen 22 1.4 Lösungsansätze 23 2 Grundlagen der Werkstoffe 27 2.1 Viskosität 27 2.2 Spektrale Eigenschaften und Farbgebung 30 2.3 Glas 36 2.3.1 Mechanische Eigenschaften 36 2.3.2 Thermische Eigenschaften 37 2.4 Emaille / Glasfluss 45 2.4.1 Aufbau / Struktur / Zusammensetzung 45 2.4.2 Mechanische Eigenschaften 48 2.4.3 Thermische Eigenschaften 50 2.5 Emailliertes Glas 52 3 Thermische Vorspannung 56 3.1 Prinzip der thermischen Vorspannung 56 3.2 Mechanismus der thermischen Vorspannung 57 3.3 Mechanik der thermischen Vorspannung 60 3.3.1 Temperaturverlauf 61 3.3.2 Spannungsrelaxation 65 3.3.3 Strukturrelaxation 68 3.3.4 Zusammenfassung und Spannungsverlauf 71 4 Prüfungen und Prüfgeräte – Grundlagen 74 4.1 Optische Untersuchungen 74 4.1.1 Grundlagen der Spannungsoptik 74 4.1.2 Streulichtmessungen 75 4.1.3 Diskussion weiterer Verfahren 79 4.1.4 Anwendung Messgerät SCALP 81 4.1.5 Spektralmessung 86 4.2 Bruchversuche 87 4.2.1 Doppelring-Biegeversuche nach DIN EN 1288 88 4.2.2 Modifizierter Doppelring-Biegeversuch 90 4.2.3 Bestimmung der Versuchsgeometrie 93 4.3 Auswertung und Statistik 97 5 Prüfungen – Durchführung und Auswertung 100 5.1 Parameterzusammenstellung 100 5.2 Form und Art der Probekörper 103 5.3 Optische Untersuchungen 109 5.3.1 Überprüfung der bedruckten Seite 109 5.3.2 Differential-Refraktographie 109 5.3.3 Streulichtmessungen 110 5.3.4 Spektralmessung 117 5.3.5 Zusammenfassung optische Untersuchungen 119 5.4 Bruchversuche 120 5.4.1 Unbedruckte Proben 123 5.4.2 Schwarz bedruckte Proben 124 5.4.3 Weiß bedruckte Proben 126 5.4.4 Zusammenfassung Bruchversuche 127 5.5 Überlagerung Spannungsoptik und Bruchversuch 128 6 Numerische Simulationen 134 6.1 Simulation des Vorspannprozesses 134 6.1.1 Grundlagen 134 6.1.2 Numerische Modellierung 135 6.1.3 Temperaturprofil 137 6.1.4 Vorspannprozess für unbedrucktes Glas 140 6.1.5 Vorspannprozess für bedrucktes Glas 147 6.2 Parameterstudien 150 6.2.1 Auswirkung der Emailleschichtstärke 152 6.2.2 Auswirkung der Ausdehnungsdifferenz 155 6.2.3 Zusammenfassung numerische Simulation 158 7 Zusammenfassung und Ausblick 160 7.1 Zusammenfassung und Diskussion 160 7.2 Ausblick 170 8 Verzeichnisse 174 8.1 Bezeichnungen 174 8.1.1 Formelzeichen 174 8.1.2 Abkürzungen 177 8.2 Literaturverzeichnis 178 8.2.1 Allgemein über Glas und allgemeine Parameter178 8.2.2 Emaille 178 8.2.3 Vorspannung 180 8.2.4 Mechanik und Festigkeit 183 8.2.5 Bruchversuche und Statistik 184 8.2.6 Optik und Spannungsoptik 185 8.2.7 Normen und Richtlinien 186 8.3 Abbildungsverzeichnis 188

Transiente Simulationen im Rahmen von Parameterstudien oder Optimierungsprozessen erfor-dern die Anwendung der Modellordnungsreduktion zur Minimierung der Berechnungs¬zeiten. Die aus der Wärmestrahlung resultierende Nichtlinearität bei der Analyse thermischer Felder wird hier als äußere Last betrachtet, wodurch die entkoppelte Ermittlung der strahlungs-beding¬ten Wärmeströme gelingt. Darüber hinaus ermöglichen die infolgedessen konstanten System¬matrizen die Reduktion des Temperaturvektors mit etablierten Verfahren für lineare Systeme, wie beispielsweise den Krylov-Unterraummethoden. Die aus der in der Regel großflächigen Verteilung der thermischen Lasten folgende hohe Anzahl von Systemeingängen limitiert allerdings die erzielbare reduzierte Dimension. Deshalb werden zustandsunabhängige, sich synchron verändernde Lasten zu einem Eingang zusammengefasst. Die aus der Strahlung resultierenden Wärmeströme sind im Gegensatz dazu durch die aktuelle Temperaturverteilung bestimmt und lassen sich nicht derart gruppieren. Vor diesem Hintergrund wird ein Ansatz basierend auf der Singulärwertzerlegung von aus Trai¬ningssimulationen gewonnenen Beispiellastvektoren vorgeschlagen. Auf diese Weise gelingt eine erhebliche Verringerung der Eingangsanzahl, sodass im reduzierten System ein sehr geringer Freiheitsgrad erreicht wird. Im Vergleich zur Proper Orthogonal Decomposition (POD) genügen dabei deutlich weniger Trainingsdaten, was den Rechenaufwand während der Offline-Phase erheblich vermindert. Darüber hinaus dehnt das entwickelte Verfahren die Gültigkeit des reduzierten Modells auf einen weiten Parameterbereich aus. Die Berechnung der strahlungsbedingten Wärmeströme in der Ausgangsdimension bestimmt dann den numerischen Aufwand. Mit der Discrete Empirical Interpolation Method (DEIM) wird die Auswertung der Nichtlinearität auf ausgewählte Modellknoten beschränkt. Schließlich erlaubt die Anwendung der POD auf die Wärmestrahlungsbilanz die schnelle Anpassung des Emissionsgrades. Somit hängt das reduzierte System nicht mehr vom ursprünglichen Freiheitsgrad ab und die Gesamt-simulationszeit verkürzt sich um mehrere Größenordnungen. / Transient simulations as part of parameter studies or optimization processes require the appli-cation of model order reduction to minimize computation times. Nonlinearity resulting from heat radiation in thermal analyses is considered here as an external load. Thereby, the determi-nation of the radiation-induced heat flows is decoupled from the temperature equation. Hence, the system matrices become invariant and established algorithms for linear systems, such as Krylov Subspace Methods, can be used for the reduction of the temperature vector. However, in general the achievable reduced dimension is limited as the thermal loads distributed over large parts of the surface lead to a high number of system inputs. Therefore, state-independent, synchronously changing loads are combined into one input. In contrast, the heat flows resulting from radiation are determined by the current temperature distribution and cannot be grouped in this way. Against this background, an approach based on the singular value decomposition of snapshots obtained from training simulations is proposed allowing a considerable decreased input number and a very low degree of freedom in the reduced system. Compared to Proper Orthogonal Decomposition (POD), significantly less training data is required reducing the computational costs during the offline phase. In addition, the developed method extends the validity of the reduced model to a wide parameter range. The computation of the radiation-induced heat flows, which is performed in the original dimension, then determines the numerical effort. The Discrete Empirical Interpolation Method (DEIM) restricts the evaluation of the nonlinearity to selected model nodes. Finally, the application of the POD to the heat radiation equation enables a rapid adjustment of the emissivity. Thus, the reduced system is no longer dependent on the original degree of freedom and the total simulation time is shortened by several orders of magnitude.

High-Pressure Partial Oxidation (HP-POX) of natural gas is one of the techniques in the synthesis gas production by non-catalytic reforming. On the path to emissions reduction, all operating facilities must be optimized to satisfy environmental regulations. In a rapidly changing economic and political environment, technological development from lab-scale to demo-scale, and industrial-scale is no longer feasible. Therefore, new research and design methods must be applied. One of such methods commonly used in science and industry is numerical modeling, which utilizes Computational Fluid Dynamics (CFD), Reduce Order Models (ROMs), kinetic, and equilibrium models. The CFD models provide details about flow field, temperature distribution, and species conversion. However, the computational effort required to conduct such calculations is significant. The computationally expensive CFD models cannot be effectively used in the reactor optimization. Herewith, other modeling techniques utilizing kinetic and equilibrium models do not provide necessary details for process optimization and can only be used for adjustments of boundary conditions, investigation of specific processes occurring in the reactor, or development of sub-models for CFD. A numerical investigation was conducted to validate existing CFD models against benchmark experiments. The results reveled that the CFD model is sensitive to modeling parameters, when simulating complex flows where turbulence-chemistry interaction occurs. Moreover, it was shown that the results sensitivity increases along with the oxidizer/fuel inlet velocities ratio. Based on the conducted experiments, the CFD model validation resulted in definition of the modeling parameters suitable for modeling of HP-POX of natural gas. Based on the validated CFD model, a ROM for HP-POX of natural gas was developed. The model assumes that the reactor consists of several zones characterized by specific conversion processes. Moreover, the model considers inlet streams dissipation upon the injection, and includes several optimization stages that allows model adjustments for any reactor geometry and boundary conditions. It was shown that the developed ROM can reproduce global reactor characteristics at non-equilibrium conditions unlike other ROMs, kinetic, or equilibrium models. Moreover, the validation against CFD results showed that the ROM can correctly account for the \gls{rtd} in the reactors of different geometries and volumes without extensive additional optimization. Finally, new experiments were designed and conduced at semi-industrial HP-POX facility at TU Bergakademie Freiberg. The experiments aimed to study the influence of different oxidizer/fuel velocities ratios on the reactants mixing and process characteristics at high operating pressures. The high velocity difference between oxidizer and fuel was achieved by injection of High-Velocity Oxidizer (HVO). The experiments showed no significant influence of the HVO on the global reactor characteristics and overall species conversion process. However, the numerical analysis of the experimental results demonstrated that the oxidation zone is affected by the oxidizer inlet velocity, and becomes less efficient in the fuel conversion when the oxidizer/fuel inlet velocities ratio is increased. In summary, a sophisticated numerical model validation was conducted and sensitivity of the numerical results to the modeling parameters was carefully studied. The novel natural gas conversion technique was experimentally studied. Based on the conducted experiments and numerical evaluation a ROM was developed. The ROM is capable of producing high accuracy results and greatly decreases the computational effort and time needed for reactor development and optimization.

The phase-field formulation for fracture based on the framework of representative crack elements is extended to transient thermo-mechanics. The finite element formulation is derived starting from the variational principle of total virtual power. The intention of this manuscript is to demonstrate the potential of the framework for multi-physical fracture models and complex processes inside the crack. The present model at hand allows to predict realistic deformation kinematics and heat fluxes at cracks. At the application of fully coupled, transient thermo-elasticity to a pre-cracked plate, the opened crack yields thermal isolation between both parts of the plate. Inhomogeneous thermal strains result in a curved crack surface, inhomogeneous recontact and finally heat flow through the crack regions in contact. The novel phase-field framework further allows to study processes inside the crack, which is demonstrated by heat radiation between opened crack surfaces. Finally, numerically calculated crack paths at a disc subjected to thermal shock load are compared to experimental results from literature and a curved crack in a three-dimensional application are presented.