Viele technische Prozesse führen auf Randwertprobleme mit partiellen Differentialgleichungen, die mit Finite-Elemente-Methoden näherungsweise gelöst werden können. Spezielle Varianten dieser Methoden sind Finite-Elemente-Mortar-Methoden. Sie erlauben das Arbeiten mit an Teilgebietsschnitträndern nichtzusammenpassenden Netzen, was für Probleme mit komplizierten Geometrien, Randschichten, springenden Koeffizienten sowie für zeitabhängige Probleme von Vorteil sein kann. Ebenso können unterschiedliche Diskretisierungsmethoden in den einzelnen Teilgebieten miteinander gekoppelt werden. In dieser Arbeit wird das Finite-Elemente-Mortaring nach einer Methode von Nitsche für elliptische Randwertprobleme auf zweidimensionalen polygonalen Gebieten untersucht. Von besonderem Interesse sind dabei nichtreguläre Lösungen (u \in H^{1+\delta}(\Omega), \delta>0) mit Eckensingularitäten für die Poissongleichung sowie die Lamé-Gleichung mit gemischten Randbedingungen. Weiterhin werden singulär gestörte Reaktions-Diffusions-Probleme betrachtet, deren Lösungen zusätzlich zu Eckensingularitäten noch anisotropes Verhalten in Randschichten aufweisen. Für jede dieser drei Problemklassen wird das Nitsche-Mortaring dargelegt. Es werden einige Eigenschaften der Mortar-Diskretisierung angegeben und a-priori-Fehlerabschätzungen in einer H^1-artigen sowie der L_2-Norm durchgeführt. Auf lokal verfeinerten Dreiecksnetzen können auch für Lösungen mit Eckensingularitäten optimale Konvergenzordnungen nach gewiesen werden. Bei den Lösungen mit anisotropen Verhalten werden zusätzlich anisotrope Dreiecksnetze verwendet. Es werden auch hier Konvergenzordnungen wie bei klassischen Finite-Elemente-Methoden ohne Mortaring erreicht. Numerische Experimente illustrieren die Methode und die Aussagen zur Konvergenz.

During the development of multicellular organisms, organs grow to well-defined shapes and sizes. The proper size and patterning of tissues are ensured by signaling molecules as e.g. morphogens. Secreted from a restricted source, morphogens spread into the adjacent target tissue where they form a graded concentration profile. Upon binding of the morphogens to receptors on the cell surfaces, the morphogenetic signal is transduced inside the cell via the phosphorylation of transcription factors, which subsequently regulate the expression of different target genes. Thus, cell fates are determined by the local concentration of such morphogens. In this work, we investigate three key aspects of morphogenetic signaling processes in growing tissues. First, we study the mechanics of tissue growth via cell division and cell death. We examine the rearrangements of cells on large scales and times by developing a continuum theory which describes the growing tissue as an active complex fluid. In our description we include anisotropic stresses generated by oriented cell division, and we show that average cellular trajectories exhibit anisotropic scaling behaviors. Our description is used to study experimentally measured shape changes of the developing wing disk of the fruit fly Drosophila melanogaster. Second, we focus on the spreading of morphogens in growing tissues. We show that the flow field of cell movements due to oriented cell division and cell death causes a drift term in the morphogen transport equation, which captures the stretching and dilution of the concentration profile. Comparing our theoretical results to recent experiments in the Drosophila wing disk, we find that the transport of the morphogen Dpp is mainly intracellular. We moreover show that the decay length of the Dpp gradient increases during development as a result of changing degradation rate and diffusion coefficient, whereas the drift of molecules due to growth is negligible. Thus growth does not affect the decay length of the gradient, but the decay length of the gradient might affect the tissue growth rate as discussed in this work. Finally, we develop a microscopic theoretical description of the intracellular transduction machinery of morphogenetic signals within an individual cell. Our description captures the kinetics of the trafficking of proteins between different cellular compartments in response to receptor-bound signaling molecules. Analyzing experimental data at the Drosophila neuromuscular junction, we show that the morphogenetic signaling is modulated by synaptic signaling via neuronal action potentials.

The discovery of the entropy production paradox (Hoffmann et al., 1998) raised basic questions about the nature of irreversibility in the regime between diffusion and waves. First studied in the form of spatial movements of moments of H functions, pseudo propagation is the pre-limit propagation-like movements of skewed probability density function (PDFs) in the domain between the wave and diffusion equations that goes over to classical partial differential equation propagation of characteristics in the wave limit. Many of the strange properties that occur in this extraordinary regime were thought to be connected in some manner to this form of proto-movement. This paper eliminates pseudo propagation by employing a similar evolution equation that imposes spatial unimodal symmetry on evolving PDFs. Contrary to initial expectations, familiar peculiarities emerge despite the imposed symmetry, but they have a distinct character.

Wir untersuchen ein Defektkorrekturverfahren, das ein einfaches Upwind-Differenzenverfahren erster Ordnung mit einem zentralen Differenzenverfahren kombiniert, für ein- und zweidimensionale singulär gestörte Konvektions-Diffusions-Probleme auf einer Klasse von Shishkin-Typ-Gittern. Im eindimensionalen Fall wird nachgewiesen, dass das Verfahren von (fast) zweiter Ordnung, gleichmäßig bezüglich des Diffusionsparameters $\epsilon$ konvergiert. Zur Konvergenzanalyse für das zweidimensionale Modellproblem werden verschiedene Techniken diskutiert. In einem Spezialfall kann auf einem stückweise uniformen Shishkin-Gitter die $\epsilon$-gleichmäßige Konvergenz des Verfahrens von fast zweiter Ordnung gezeigt werden. Ferner sind die bisher bekannten Stabilitätsaussagen und ihre Verwendung zur Konvergenzanalysis der betrachteten Differenzenverfahren sowie Methoden zur Analyse von Defektkorrekturverfahren zusammengestellt. Einige Bemerkungen zu Defektkorrekturverfahren und Finite-Elemente-Methoden schließen die Arbeit ab. Numerische Experimente untermauern die theoretischen Resultate. / We consider a defect correction method that combines a first-order upwinded difference scheme with a second-order central difference scheme for model singularly perturbed convection-diffusion problems in one and two dimensions on a class of Shishkin-Type meshes. In one dimension, the method is shown to be convergent uniformly in the diffusion parameter $\epsilon$ of second order in the discrete maximum norm. To analyze the two-dimensional case, we discuss several proof techniques for defect correction methods. For a special problem with constant coefficients on a piecewise uniform Shishkin-mesh we can show the second order convergence of the considered scheme, uniformly with respect to the diffusion parameter. Moreover the known stability properties and their impact on the convergence analysis of the considered differnce schemes are compiled. Some remarks on defect correction and finite elements conclude the theses. Numerical experiments support our theoretical results.

The aim of this thesis is to investigate the dynamical behaviors of spatially extended systems with fluctuating time delays. In recent years, the study of spatially extended systems and systems with fluctuating delays has experienced a fast growth. In ubiquitous natural and laboratory situations, understanding the action of time-delayed signals is a crucial for understanding the dynamical behavior of these systems. Frequently, the length of the delay is found to change with time. Spatially extended systems are widely studied in many fields, such as chemistry, ecology, and biology. Self-organization, turbulence, and related nonlinear dynamic phenomena in spatially extended systems have developed into one of the most exciting topics in modern science. The first part of this thesis considers the discrete system. Diffusively coupled map lattices with a fluctuating delay are used in the study. The uncoupled local dynamics of the considered system are represented by the delayed logistic map. In particular, the influences of diffusive coupling and fluctuating delay are studied. To observe and understand the influences, the results for the considered system are compared with coupled map lattices without delay and with a constant delay as well as with the uncoupled logistic map with fluctuating delays. Identifying different patterns, determining the existence of traveling wave solutions, and specifying the fully synchronized stable state are the focus of this part of the study. The Lyapunov exponent, the master stability function, spectrum analysis, and the structure factor are used to characterize the different states and the transitions between them. The second part examines the continuous system. The delay is introduced into the reactionterm of the Fisher-KPP equation. The focus of this part of study is the time-delay-induced Turing instability in one-component reaction-diffusion systems. Turing instability has previously only been found in multiple-component reaction-diffusion systems. However, this work demonstrates with the help of the stability exponent that fluctuating delay can result in Turing instability in one-component reaction-diffusion systems as well. / Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Einflüsse der zeitlich fluktuierenden Verzögerungen in räumlich ausgedehnten diffusiven Systemen. Durch den Vergleich von Systemen mit konstanter Verzögerung bzw. Systemen ohne räumliche Kopplung erhält man ein tieferes Verständnis und eine bessere Beschreibungsweise der Dynamik des räumlich ausgedehnten diffusiven Systems mit fluktuierenden Verzögerungen. Im ersten Teil werden diskrete Systeme in Form von diffusiven Coupled Map Lattices untersucht. Als die lokale iterierte Abbildung des betrachteten Systems wird die logistische Abbildung mit Verzögerung gewählt. In diesem Teil liegt der Fokus auf Musterbildung, Existenz von Multiattraktoren und laufenden Wellen sowie der Möglichkeit der vollen Synchronisation. Masterstabilitätsfunktion, Lyapunov Exponent und Spektrumsanalyse werden benutzt, um das dynamische Verhalten zu verstehen. Im zweiten Teil betrachten wir kontinuierliche Systeme. Hier wird die Fisher-KPP Gleichung mit Verzögerungen im Reaktionsteil untersucht. In diesem Teil liegt der Fokus auf der Existenz der Turing Instabilität. Mit Hilfe von analytischen und numerischen Berechnungen wird gezeigt, dass bei fluktuierenden Verzögerungen eine Turing Instabilität auch in 1-Komponenten-Reaktions-Diffusionsgleichungen gefunden werden kann

Liquid film flow is an important flow type in many applications of process engineering. For supporting experiments, theoretical and numerical investigations are required. The present state of the art is to model the liquid film flow with Navier--Stokes-based methods, whereas the lattice Boltzmann method is employed here. The final model has been developed within this treatise by means of a two-phase flow and a heat transfer model, and boundary and initial conditions. All these sub-models have been applied to simple test cases. It could be found that the two-phase model is capable of solving flow phenomena with a large density ratio which has been shown impressively in conjunction with wall boundary conditions. The heat transfer model was tested against spectral method results with a transient non-uniform flow field. It was possible to find optimal parameters for computation. The final model has been applied to steady-state film flow, and showed very good agreement to OpenFOAM simulations. Tests with transient film flow demonstrated that the model is also able to predict these flow phenomena. / Flüssigkeitsfilmströmungen kommen in vielen verfahrenstechnischen Prozessen zum Einsatz. Zur Unterstützung von Experimenten sind theoretische und numerische Untersuchungen nötig. Stand der Technik ist es, Navier--Stokes-basierte Modelle zu verwenden, wohingegen hier die Lattice-Boltzmann-Methode verwendet wird. Das finale Modell wurde unter Verwendung eines Zweiphasen- und eines Wärmeübertragungsmodell entwickelt und geeignete Rand- und Anfangsbedingungen formuliert. Alle Untermodelle wurden anhand einfacher Testfälle überprüft. Es konnte herausgefunden werden, dass das Zweiphasenmodell Strömungen großer Dichteunterschiede rechnen kann, was eindrucksvoll im Zusammenhang mit Wandrandbedingungen gezeigt wurde. Das Wärmeübertragungsmodell wurde gegen eine Spektrallösung anhand eines transienten und nichtuniformen Strömungsproblemes getestet. Stationäre Filmströmungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit OpenFOAM-Lösungen und instationäre Berechungen bewiesen, dass das Model auch solche Strömungen abbilden kann.

Liquid film flow is an important flow type in many applications of process engineering. For supporting experiments, theoretical and numerical investigations are required. The present state of the art is to model the liquid film flow with Navier--Stokes-based methods, whereas the lattice Boltzmann method is employed here. The final model has been developed within this treatise by means of a two-phase flow and a heat transfer model, and boundary and initial conditions. All these sub-models have been applied to simple test cases. It could be found that the two-phase model is capable of solving flow phenomena with a large density ratio which has been shown impressively in conjunction with wall boundary conditions. The heat transfer model was tested against spectral method results with a transient non-uniform flow field. It was possible to find optimal parameters for computation. The final model has been applied to steady-state film flow, and showed very good agreement to OpenFOAM simulations. Tests with transient film flow demonstrated that the model is also able to predict these flow phenomena. / Flüssigkeitsfilmströmungen kommen in vielen verfahrenstechnischen Prozessen zum Einsatz. Zur Unterstützung von Experimenten sind theoretische und numerische Untersuchungen nötig. Stand der Technik ist es, Navier--Stokes-basierte Modelle zu verwenden, wohingegen hier die Lattice-Boltzmann-Methode verwendet wird. Das finale Modell wurde unter Verwendung eines Zweiphasen- und eines Wärmeübertragungsmodell entwickelt und geeignete Rand- und Anfangsbedingungen formuliert. Alle Untermodelle wurden anhand einfacher Testfälle überprüft. Es konnte herausgefunden werden, dass das Zweiphasenmodell Strömungen großer Dichteunterschiede rechnen kann, was eindrucksvoll im Zusammenhang mit Wandrandbedingungen gezeigt wurde. Das Wärmeübertragungsmodell wurde gegen eine Spektrallösung anhand eines transienten und nichtuniformen Strömungsproblemes getestet. Stationäre Filmströmungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit OpenFOAM-Lösungen und instationäre Berechungen bewiesen, dass das Model auch solche Strömungen abbilden kann.