The works aimed at the further development and validation of models for CFD codes. For this reason, the new thermal-hydraulic test facility TOPFLOW was erected and equipped with wire-mesh sensors with high spatial and time resolution. Vertical test sections with nominal diameters of DN50 and DN200 operating with air-water as well as steam-water two-phase flows provided results on the evaluation of flow patterns, on the be¬haviour of the interfacial area as well as on interfacial momentum and heat transfer. The validation of the CFD-code for complex geometries was carried out using 3D void fraction and velocity distributions obtained in an experiment with an asymmetric obstacle in the large DN200 test section. With respect to free surface flows, stratified co- and counter-current flows as well as slug flows were studied in two horizontal test channels made from acrylic glass. Post-test calculations of these experiments succeeded in predicting the slug formation process. Corresponding to the main goal of the project, the experimental data was used for the model development. For vertical flows, the emphasis was put on lateral bubble forces (e.g. lift force). Different constitutive laws were tested using a Multi Bubble Size Class Test Solver that has been developed for this purpose. Basing on the results a generalized inhomogeneous Multiple Size Group (MUSIG) Model has been proposed and implemented into the CFD code CFX (ANSYS). Validation calculations with the new code resulted in the conclusion that particularly the models for bubble coalescence and fragmentation need further optimisation. Studies of single effects, like the assessment of turbulent dissipation in a bubbly flow and the analysis of trajectories of single bubbles near the wall, supplied other important results of the project.

Ziel der Arbeiten war die Weiterentwicklung und Validierung von Modellen in CFD-Codes. Hierzu wurde am FZD die thermohydraulische Versuchsanlage TOPFLOW aufgebaut und mit räumlich und zeitlich hochauflösenden Gittersensoren ausgestattet. Vertikale Teststrecken mit Nenndurchmessern von DN50 bzw. DN200 für Luft/Wasser- sowie Dampf/Wasser-Strömungen lieferten Ergebnisse zur Entwicklung von Strömungsformen, zum Verhalten der Zwischenphasengrenzfläche sowie zum Wärme- und Impulsaustausch zwischen den Phasen. Die Validierung des CFD-Codes in komplexen Geometrien erfolgte anhand von 3D Gasgehalts- und Geschwindigkeitsfeldern, die bei Umströmung eines asymmetrischen Hindernisses auftreten, das in der Teststrecke DN200 eingebaut war. Im Hinblick auf Strömungen mit freier Oberfläche untersuchte das FZD in zwei horizontalen Acrylglas-Kanälen geschichtete Zweiphasenströmungen im Gleich- bzw. Gegenstrom sowie Schwallströmungen. Bei den Nachrechnungen dieser Versuche gelang die Simulation der Schwallentstehung. Entsprechend des Projektziels wurden die experimentellen Ergebnisse zur Modellentwicklung genutzt. Bei vertikalen Strömungen stand die Wirkung der lateralen Blasenkräfte (z.B. Liftkraft) im Vordergrund. Zum Test unterschiedlicher Modellansätze wurde hierzu ein Mehrblasenklassen-Testsolver entwickelt und genutzt. Darauf aufbauend wurde ein neues Konzept für ein Mehrblasenklassenmodell, das Inhomogene MUSIG Modell erarbeitet und in den kommerziellen CFD Code CFX (ANSYS) implementiert. Bei Validierungsrechnungen zeigte sich, dass vor allem die Blasenkoaleszenz- und -zerfallsmodelle weiter optimiert werden müssen. Untersuchungen zu Einzeleffekten, wie z.B. die Abschätzung von Turbulenzkoeffizienten und die Analyse der Trajektoren von Einzelblasen in unmittelbarer Wandnähe, lieferten weitere wichtige Ergebnisse des Projekts.

This thesis takes its place in a context where information on the biophysical state of forest ecosystems at spatial scales only remote sensing can retrieve is in demand more than ever. In order to provide reliable information using validated approaches, the remote sensing research community recognises the need for new and innovative methods, especially in heterogeneous environments like savannas. The recent emergence of terrestrial LiDAR scanners (TLS) and the increase in the computational capability of computers which allow running ray tracing model simulations with a high level of realism hold great potential to improve our understanding of the processes influencing the radiance measured by satellite sensors. This thesis makes use of these two cutting edge technologies for estimating the spatial distribution of tree leaf area, a key element of modeling radiative transfer processes. The first part of the thesis concerns the development of methods for estimating tridimensional leaf area distribution in a savanna environment from TLS measurements. The methods presented address certain issues related to TLs measures affecting the application of classical theories (the probability of light transmission and the contact frequency) to the estimation of leaf area through indirect means. These issues pertain to the cross-section of laser pulses emitted by a TLS and the occlusion effects caused by the interception of laser pulses by material inside the crown. The developed methods also exploit additional information provided by the active nature of the TLS sensor that is not available to passive sensors like hemispherical photography, i.e. the intensity of a pulse return offers the possibility to distinguish between energy interception by wood and foliage. A simplified approach of this method is presented to promote its use by other research groups. This approach consists of a series of parameterisations and represents a significant gain in terms of the required resources to produce the leaf area, estimates. The second part of the thesis explores the combination of the tree representations generated in the first part with a ray tracing model to simulate the interactions of light with tree crowns. This approach is highly innovative and our study showed its potential to improve our understanding of the factors influencing the radiative environment in a savanna. The methods presented offer a solution to map leaf area at the individual tree scale over large areas from very high spatial resolution imagery.

La distribution tridimensionnelle de la matière interstellaire (ou milieu interstellaire, MIS) dans la Galaxie est un outil très général encore peu développé aujourd'hui, une raison majeur étant la difficulté d'estimer les distances aux complexes nuageux, une situation qui va changer très prochainement grâce à la mission Gaia. En effet, la détermination des distances aux nuages fait appel à la technique des mesures d'absorption le long des lignes de visée vers les étoiles, et donc requiert les valeurs de leurs distances, lesquelles seront précisément mesurées par Gaia. Une des techniques permettant d'estimer la structure 3D du MIS est l'inversion des colonnes absorbantes de gaz et de poussière mesurées vers un grand nombre d'étoiles situées à différentes distances et dans différentes directions. Le travail présenté dans cette thèse contribue à la constitution des bases de données nécessaires à cette technique, pour le milieu interstellaire proche, à l'étude des résultats de ces inversions, ainsi qu'aux liens entre différents traceurs de la matière interstellaire. L'ensemble se place dans la perspective des avancées qui seront permises en ce domaine grâce à Gaia et aux programmes en support à la mission. Le titre de cette thèse fait en ce sens référence aux utilisations des cartographies du MIS proche comme test des outils d'inversion qui doivent être développés vers les plus grandes échelles dans le contexte de la mission, et d'autre part aux utilisations des cartes comme supports à la détermination des paramètres stellaires, en fournissant des contraintes sur le rougissement lorsque celui-ci ne peut être déduit de façon indépendante par les observations spectroscopiques. Une première partie concerne l'acquisition et l'analyse de données spectroscopiques, avec en particulier la correction des raies telluriques et l'extraction des informations sur les raies interstellaires du sodium neutre NaI et du calcium ionisé CaII. Une deuxième partie présente l'ensemble des résultats. Une troisième partie est consacrée aux distributions 3D obtenues par inversion de la base ainsi augmentée, et à la recherche de liens entre les nuages denses proches reconstruits en 3D et les mesures d'émission radio par HI et CO. Une quatrième partie est une étude préparatoire aux analyses des relevés spectroscopiques en support à Gaia. Un premier volet est l'étude des incertitudes liées à la saturation des raies interstellaires du sodium neutre pour les étoiles distantes et aux méthodes potentielles pour les réduire. Un second volet est consacré à l'extraction de deux bandes interstellaires diffuses et à l'étude de leur corrélation avec les autres traceurs, ainsi qu'aux interprétations des valeurs anormales de ces bandes diffuses. Le but premier de ces études est la recherche d'une évaluation de l'extinction indépendante des mesures photométriques de Gaia, pour les objets distants.