As the technical progress goes on new ways to improve safe navigation continues to arise. One of these technical possibilities is Augmented Reality (AR) which has already proved its value within the car and flight industry. The purpose of this content analysis was to investigate accidents where human error, the so-called human factor, is behind the accident. This has been done by investigating the underlying factors for collision in over 800 accidents and then categorizing these to get a clearer picture of what leads up to the collision. After analyzing the reports relevant to the study from a scenario where the bridge is equipped with AR technology, the study finds that AR contributes with great benefits for safer navigation, however, some technical work behind the technology is required, which can be costly both financially and in terms of time. The study shows that AR would have been helpful in all collisions that are investigated further, mainly by making the navigator more aware of the surroundings with clearly projected information from the various information sources on the bridge. The study finally formulates the theory that AR can prevent collisions in shipping by making the navigator more aware of potential obstacles to safe navigation. / I samband med teknikens ständiga framstegupp som kan bidra till en säkrare navigation. En av dessa tekniker är Augmented Reality (AR) som redan rönt stor framgång inom såväl bil- som flygindustrin. Syftet med denna studie var att genom en innehållsanalys undersöka haverier under 2010- talet där mänskligt felhandlande, den så kallade mänskliga faktorn, ligger bakom haveriet. Detta har gjorts genom att utreda de bakomliggande faktorerna till kollision i över 800 haverier och kategorisera dessa för att få en tydligare bild över vad som leder fram till haveriet. Efter att ha analyserat de för studien relevanta rapporterna och satt dem i ett scenario där bryggan är utrustad med AR-teknik finner studien att AR skulle ha varit behjälpligt i samtliga fall, då främst genom att göra navigatören mer uppmärksam på omgivningen med tydligt projicerad information från de olika informationskällorna på bryggan. Studien kommer fram till att AR bidrar stora fördelar för en säkrare navigation, dock krävs det en del tekniskt arbete bakom tekniken vilket kan vara kostsamt både ekonomiskt och tidsmässigt. Studien formulerar slutligen teorin att AR kan förebygga kollisioner inom sjöfarten genom att göra navigatören mer uppmärksam på potentiella hinder för säker navigation.

Die Analyse von Kollisionen zwischen Partikeln und Blasen in einer turbulenten Strömung ist ein grundlegendes Problem von hoher technologischer Relevanz, z. B. für die Abtrennung wertvoller Mineralpartikel durch Schaumflotation. Dieser Relevanz steht ein Defizit an experimentellen Daten und Erkenntnissen über den Kollisionsprozess gegenüber. Ein Hauptproblem ist die geringe Anzahl der verfügbaren Messtechniken zur direkten Beobachtung der Kollisionen zwischen Partikeln und Blasen. Daher besteht das Ziel dieser Dissertation darin, neue Methoden zu entwickeln, um die Wechselwirkung zwischen Blasen und Partikeln unter definierten hydrodynamischen Bedingungen zu messen. Diese Methoden beruhen auf der Verfolgung von einzelnen Partikeln mit 4D Particle Tracking Velocimetry (PTV) und Positron Emission Particle Tracking (PEPT), um die Lagrangeschen Partikeltrajektorien in der Nähe einer Blase zu bestimmen und die kollidierenden Partikel zu klassifizieren. In zwei Versuchsaufbauten werden diese Messmethoden angewandt, um die Wechselwirkung zwischen Blasen und Partikeln in turbulenten Strömungen zu untersuchen. In einer Blasensäule wird die Turbulenz im Nachlauf einer frei aufsteigenden Blasenkette erzeugt, während in einem Wasserkanal die Turbulenz durch die Umströmung eines Gitters produziert wird. In beiden Fällen wird das vorhandene turbulente Strömungsfeld um die Blasen mittels Tomographic Particle Image Velocimetry (TPIV) charakterisiert. Zunächst wird der Einfluss des Blasennachlaufs auf die Blasen-Partikel-Kollision für beide Versuchsaufbauten mit dem 4D-PTV-Verfahren analysiert. Es wird gezeigt, dass in beiden Versuchsanordnungen die Kollision von feinen Partikeln nicht nur an der Vorderseite, sondern auch an der Hinterseite der Blase stattfindet. Diese Ergebnisse werden mit der gemessenen turbulenten kinetischen Energie und der Dissipationsrate um die Blase korreliert. Anschließend werden die experimentell ermittelte turbulente kinetische Energie und Dissipationsrate genutzt, um die Kollisionsfrequenz vorherzusagen. Dafür werden bestehende Modelle angewendet und deren Vorhersagen den experimentellen Ergebnissen gegenübergestellt. Weiterhin wird der Wasserkanal genutzt, um den Einfluss der turbulenten Flüssigkeitsströmung auf die Kollision zwischen einer stagnierenden Blase und den Modellpartikeln zu verdeutlichen. Neben der Untersuchung in einer verdünnten Feststoffsuspension wird auch die Blasen-Partikel-Wechselwirkung in einer dichten Strömung mit dem PEPT-Verfahren untersucht. Das PEPT-Verfahren hat das Potenzial, Suspensionen mit einem hohen Feststoffanteil zu messen, was mit optischen Trackingverfahren, wie 4D-PTV, nicht möglich ist. Für den Nachweis einzelner Partikel mit dem PEPT-Verfahren wurden radioaktive Tracerpartikel entwickelt, welche repräsentativ für die Modellpartikeln sind. Die Trajektorien der markierten Partikel werden verwendet, um die durchschnittliche Partikelverteilung im turbulenten Feld zu bestimmen und die Blasen-Partikel-Wechselwirkung zu beschreiben. Insgesamt bieten die entwickelten Methoden eine Möglichkeit die Kollision zwischen Partikeln und Blasen in einer turbulenten Strömung direkt zu untersuchen. Die gewonnenen experimentellen Daten ermöglichen es, bestehende Kollisionsmodelle zu überprüfen und das Verständnis über die Rolle von Turbulenzen in der Schaumflotation zu verbessern. / The analysis of collisions between particles and bubbles in a turbulent flow is a fundamental problem of high technological relevance, e.g. for the separation of valuable mineral particles by froth flotation. That relevance contrasts with an apparent lack of experimental data and insights into this collision process. A major issue is the limitation of available measurement techniques to directly observe the collisions between particles and bubbles. In this dissertation, novel methodologies are developed to measure the interaction between bubbles and particles under defined hydrodynamic conditions. These methodologies comprise particle tracking techniques such as 4D PTV and PEPT to triangulate the Lagrangian particle trajectories in the vicinity of a bubble and classify those which are colliding. In two experimental setups, these techniques are applied to investigate the bubble-particle interaction in turbulent flows. In a bubble column, turbulence is generated in the wake of a freely rising bubble chain, whereas in a water channel, a fluid passing through grid produces a turbulent flow upstream of a stagnant bubble. Accordingly, the turbulent flow field around these bubbles is characterized by TPIV. Firstly, the influence of the bubble wake on the bubble-particle collision is analyzed for both experimental setups with 4D PTV. It is shown that the collision of fluorescent fine particles take place not only at the leading edge but also at the trailing edge of the bubble, independently of the experimental setup. These findings are correlated with the measured TKE and dissipation rates around the bubble and in the bubble wake. Subsequently, the experimental TKE and dissipation rates are applied to existing models for collision frequency, and their predictions are discussed. Secondly, the impact of the turbulent liquid flow on the collision between a stagnant bubble and model particles is studied for a range of turbulent length scales. Besides the investigation in a dilute solid suspension, the bubble-particle interaction is also examined in a dense flow with PEPT. PEPT has the potential to measure suspensions with a high solid fraction, which could not be achieved with optical particle tracking methods. For the detection of individual particles with PEPT, radioactive tracer particles were designed to represent the bulk particles. The trajectories of the labeled particles are used to determine the average particle distribution in the turbulent field and describe the bubble-particle interactions. Overall, the developed methodologies in this dissertation provide a framework to investigate directly the collision between particles and bubble in a turbulent flow. The gained experimental validation data allows to verify existing collision models and to advance our understanding of the role of turbulence in froth flotation.

With the coming growth in Internet of Things (IoT) applications, we can expect environ-ments with many independent networks operating in nearby locations. Wireless Sensor Networks (WSN), which have become popular during the last few years, are the main type of networks used in IoT. The IEEE 802.15.4 protocol designed for low-rate wireless personal area networks has been widely adopted for this kind of network. Together with ZigBee, this protocol is gaining increasing interest from the industry, as they are con-sidered a universal solution for low-cost, low-power, wireless connected monitoring and control devices. Internetwork interference issues in IEEE 802.15.4 networks can be a ma-jor problem because of the extensive use of wireless channels. In this thesis, an in-depth simulation study of the internetwork interferences is performed using Castalia, a widely used network simulator. We focus on the beacon collision problem, as it has been proved to be the main cause of performance degradation for coexisting networks. We carry out a prestudy of the main node simulation parameters to setup the different scenarios. Then, we evaluate how the overlap of the active periods and the location of the nodes affect the network performance. We continue with a network coexistence analysis to study the inter-action of two networks of two nodes and their performance regarding the beacon reception rate. We show that there are significantly different operation regions, depending on the network location. Following this, a probabilistic analysis is carried out in order to obtain an average beacon reception rate depending on the size of the area considered. Finally, we discuss available beacon collisions avoidance methods, taking into account the detailed simulation results. Our conclusions have theoretical and practical implications for the design of wireless sensor networks, and for the evaluation of beacon collisions avoidance schemes. / Med den kommande tillväxten i sakernas Internet (IoT) applikationer är miljöer med många oberoende nätverk som verkar på närliggande ställen väntat. Trådlösa sensornätverk (WSN), som har blivit populära under de senaste åren, är den vanligaste typen av nät som används i sakernas Internet. IEEE 802.15.4 protokollen, konstruerad för låghastighet trådlösa personlig area nätverk, har fått stor spridning för WSNs. Tillsammans med ZigBee, får de en snabb ökat intresse från industrin, eftersom de betraktas som en universallösning för låg kostnad låg energi trådlös anslutning för övervaknings- och kontrollinstrument. Internätverk interferens i IEEE 802.15.4 nätverk kan vara ett stort problem på grund av den omfattande användningen av trådlösa kanaler. I denna avhandling är en djupgående simulation studie utfört med hjälp av Castalia, ett utbrett använt nätverk simulator. Vi fokuserar på beacon kollisionsproblem, eftersom det har visat sig vara den främsta orsaken till prestandaförsämring för samexisterande nätverk. Vi utför en förstudie av den viktigaste simulation parametrarna för att bestemma de olika scenarierna. Sedan utvärderar vi hur överlappningen av de aktiva perioderna och placeringen av noderna påverkar nätverkets prestanda. Vi fortsätter med en nätverksamexistens analys för att studera interaktionen mellan två nätverk av två noder, och deras prestanda avseende beacon mottagnings kvot. Vi visar att det finns betydligt olika operationsområdena, beroende på nätverksens placering. Därefter är en sannolikhetsanalys utfört för att erhålla en genomsnittlig beacon mottagnings kvot, beroende på storleken på betraktade områden. Slutligen diskuterar vi tillgängliga metoder för att undvika beacon kollision, med hänsyn till de detaljerade simuleringsresultaten. Våra slutsatser har teoretiska och praktiska kon-sekvenser för utformningen av trådlösa sensornätverk, och för utvärderingen a metoder för att undvika beacon kollision.

Many fluid flow processes in nature and technology are characterized by the presence and coexistence of two ore more phases. These two- or multiphase flows are furthermore characterized by a greater complexity of possible flow phenomena and phase interactions then in single phase flows and therefore the numerical simulation of these multiphase flows is usually demanding a much higher numerical effort. The presented work summarizes the research and development work of the author and his research group on "Numerical Methods for Multiphase Flows" at the University of Technology, Chemnitz over the last years. This work was focussed on the development and application of numerical approaches for the prediction of disperse fluid-particle flows in the field of fluid mechanics and process technology. A main part of the work presented here is concerned with the modelling of different physical phenomena in fluid-particle flows under the paradigm of the Lagrangian treatment of the particle motion in the fluid. The Eulerian-Lagrangian approach has proved to be an especially well suited numerical approach for the simulation of disperse multiphase flows. On the other hand its application requires a large amount of (parallel) computational power and other computational ressources. The models described in this work give a mathematical description of the relevant forces and momentum acting on a single spherical particle in the fluid flow field, the particle-wall interaction and the particle erosion to the wall. Further models has been derived in order to take into account the influence of particle-particle collisions on the particle motion as well as the interaction of the fluid flow turbulence with the particle motion. For all these models the state-of-the-art from literature is comprehensively discussed. The main field of interest of the work presented here is in the area of development, implementation, investigation and comparative evaluation of parallelization methods for the Eulerian-Lagrangian approach for the simulation of disperse multiphase flows. Most of the priorly existing work of other authors is based on shared-memory approaches, quasi-serial or static domain decomposition approaches. These parallelization methods are mostly limited in theire applicability and scalability to parallel computer architectures with a limited degree of parallelism (a few number of very powerfull compute nodes) and to more or less homogeneous multiphase flows with uniform particle concentration distribution and minor complexity of phase interactions. This work now presents a novel parallelization method developed by the author, realizing a dynamic load balancing for the Lagrangian approach (DDD - Dynamic Domain Decomposition) and therefore leading to a substantial decrease in total computation time necessary for multiphase flow computations with the Eulerian-Lagrangian approach. Finally, the developed and entirely parallelized Eulerian-Lagrangian approach MISTRAL/PartFlow-3D offers the opportunity of efficient investigation of disperse multiphase flows with higher concentrations of the disperse phase and the resulting strong phase interaction phenomena (four-way coupling). / Viele der in Natur und Technik ablaufenden Strömungsvorgänge sind durch die Koexistenz zweier oder mehrerer Phasen gekennzeichnet. Diese sogenannten Zwei- oder Mehrphasensysteme zeichnen sich durch ein hohes Maß an Komplexität aus und erfordern oft einen sehr hohen rechentechnischen Aufwand zu deren numerischer Simulation. Die vorliegende Arbeit faßt langjährige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Autors und seiner Forschungsgruppe "Numerische Methoden für Mehrphasenströmungen" an der TU Chemnitz zusammen, die sich mit der Entwicklung und Anwendung numerischer Berechnungsverfahren für disperse Fluid-Partikel-Strömungen auf dem Gebiet der Strömungs- und Verfahrenstechnik befassen. Ein wesentlicher Teil der Arbeit befaßt sich mit der Modellierung unterschiedlicher physikalischer Phänomene in Fluid-Partikel-Strömungen unter dem Paradigma der Lagrange'schen Betrachtungsweise der Partikelbewegung. Das Euler-Lagrange-Verfahren hat sich als besonders geeignetes Berechnungsverfahren für die numerische Simulation disperser Mehrphasenströmungen erwiesen, stellt jedoch in seiner Anwendung auch höchste Anforderungen an die Ressourcen der verwendeten (parallelen) Rechnerarchitekturen. Die näher ausgeführten mathematisch-physikalischen Modelle liefern eine Beschreibung der auf eine kugelförmige Einzelpartikel im Strömungsfeld wirkenden Kräfte und Momente, der Partikel-Wand-Wechselwirkung und der Partikelerosion. Weitere Teilmodelle dienen der Berücksichtigung von Partikel-Partikel-Stoßvorgängen und der Wechselwirkung zwischen Fluidturbulenz und Partikelbewegung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt im Weiteren in der Entwicklung, Untersuchung und vergleichenden Bewertung von Parallelisierungsverfahren für das Euler-Lagrange-Verfahren zur Berechnung von dispersen Mehrphasenströmungen. Zuvor von anderen Autoren entwickelte Parallelisierungsmethoden für das Lagrange'sche Berechnungsverfahren basieren im Wesentlichen auf Shared-Memory-Ansätzen, Quasi-Seriellen Verfahren oder statischer Gebietszerlegung (SDD) und sind somit in ihrer Einsetzbarkeit und Skalierbarkeit auf Rechnerarchitekturen mit relativ geringer Parallelität und auf weitgehend homogene Mehrphasenströmungen mit geringer Komplexität der Phasenwechselwirkungen beschränkt. In dieser Arbeit wird eine vom Autor entwickelte, neuartige Parallelisierungsmethode vorgestellt, die eine dynamische Lastverteilung für das Lagrange-Verfahren ermöglicht (DDD - Dynamic Domain Decomposition) und mit deren Hilfe eine deutliche Reduzierung der Gesamtausführungszeiten einer Mehrphasenströmungsberechnung mit dem Euler-Lagrange-Verfahren möglich ist. Im Ergebnis steht mit dem vom Autor und seiner Forschungsgruppe entwickelten vollständig parallelisierten Euler-Lagrange-Verfahren MISTRAL/PartFlow-3D ein numerisches Berechnungsverfahren zur Verfügung, mit dem disperse Mehrphasenströmungen mit höheren Konzentrationen der dispersen Phase und daraus resultierenden starken Phasenwechselwirkungen (Vier-Wege-Kopplung) effektiv untersucht werden können.

Antalet haverier som är orsakade av den mänskliga faktorn minskar inte. En del av den mänskliga faktorn ligger i kommunikation mellan olika parter inom sjöfarten, både sjö- och landbaserade. Denna studie är en litteraturstudie vars syfte är att undersöka hur den verbala kommunikationen har praktiserats och vilken betydelse den haft vid kollisioner och grundstötningar. Studien är baserad på haverirapporter från Statens Haveri-kommission som har analyserats med hjälp av ett verktyg specifikt framtaget för denna studie. Resultatet visar på en kommunikationsbrist i en betydande majoritet av de analyserade haverierna. Ofta brister det i kommunikationen mellan VTS och fartyg samt mellan lots och befälhavare. Vanligt förekommande är även språkförbistring där inte alla parter förstått det språket som använts vid kommunikationen.  Med hjälp av ett mer utbrett utövande av redan kända kommunikationstekniker skulle antalet olyckor och tillbud kunna minskas. / The number of marine accidents caused by the human error does not decrease. A part of the human error is in the communication between different agents within the maritime cluster, at sea and also in the landbased sector. This study is a literature study whose purpose is to investigate how the verbal communication has been practiced and what significance it has had in collisions and groundings. The study is based on reports from the Swedish Accident Investigation Authority with a tool specifically developed for this particular study. The result shows a communication gap in a decisive majority of the analyzed accidents. There is often a lack of communication between VTS and vessels as well as between pilots and commanders. Common prevalence is also language problem where not all parties understand the language used in the communication. With the help of a more widespread practice of already known communication technologies, the number of accidents could be reduced.

Gas-Partikel-Stroemungen finden sich in weiten Bereichen der Energie- und Verfahrenstechnik. Beispiele fuer haeu- fig anzutreffende Problemstellungen sind der Transport, die Separation oder die Injektion eines Gemisches aus festen Partikeln und einem Traegergas. Fuer die numerische Simulation solcher disperser Mehr- phasenstroemungen hat sich das Lagrange-Verfahren als besonders geeignet erwiesen. Andererseits stellt die An- wendung dieses Berechnungsverfahrens hoechste Anforderun- gen an die Ressourcen der verwendeten Rechner. Dies gilt im besonderen Masse fuer die Simulation von Stroemungen mit einer moderaten bis hohen Partikelbeladung, in denen die Partikel-Partikel-Kollisionen einen grossen Einfluss auf das Stroemungsverhalten haben. Um das grosse Leistungspotential, das heutige massiv par- allele Hochleistungsrechner bieten, effizient zu nutzen, wurden im Rahmen dieser Arbeit parallele Simulationsalgo- rithmen fuer die numerische Berechnung kollisionsbehafte- ter Gas-Partikel-Stroemungen entwickelt. Die Effizienz dieser Algorithmen wurde anhand verschiedener Testfaelle untersucht. Auf der Grundlage der dabei erzielten Ergeb- nisse wurden Vorschlaege fuer weitere Entwicklungsmoeg- lichkeiten erarbeitet. / Gas-particle-flows can be found widely in the field of energy production and process engineering. Examples for applications of such kind of flows are transport, se- paration or injection of a mixture of solid particles and a gaseous phase. The Lagrangian approach has proved to be a suitable means for the numerical simulation of disperse multiphase flows. On the other hand its application requires a large amount of computational power, especially when flows with a mo- derate or high particle loading are computed and particle- particle collisions have a significant influence on the flow. In order to use efficiently the large computational power that parallel computers provide nowadays, parallel algo- rithms for the numerical simulation of gas-particle flows including particle-particle collisions were developed in the cource of this work. The algorithms' efficiency was investigated considering different test cases. On the basis of the results suggestions for further developments were made.

Collision avoidance systems have become an integrated part of modern vehicles and aim to avoid accidents or mitigate the crash severity for the occupant. For example, the autonomous emergency braking system influences the pre-crash state of the occupant in sitting posture, stress state, or velocity. The occupant might try to retain its posture by activating muscles, which induce muscle bracing and could counteract the movement of the occupant in the pre-crash phase.  Therefore, it is essential to study the influence of active musculature on occupant response in pre-crash and crash events. A finite element human body model (HBM) with and without closed-loop muscle activation control was used to simulate the occupant response during those events. Comparing the HBM responses & head kinematics reveal an influence of muscle bracing in the evasive braking manoeuvre. Simulating the pre-crash and in-crash phase in two stages can provide multiple benefits. However, the correlation between a single-stage simulation (baseline) and a two-stage simulation needs to be investigated. The baseline simulation uses an active HBM to model an occupant during an evasive braking manoeuvre and the muscles are deactivated when entering the frontal impact phase. The parameters of the final pre-crash state, which are needed to mimic the baseline’s response when transitioning from the pre-crash to the in-crash event are investigated in this study. For that reason, sitting position, stress state and velocity are transferred respectively to the initial passive in-crash HBM state. The simulations enabled the comparison of occupant response and calculation of cross-correlation. Each retainment strategy gave a good cross-correlation with the baseline simulation. / Kollisionsundvikande system har blivit en viktig del i moderna fordon där syftet är att undvika olyckor samt att minska allvarhetsgraden av olyckor för de åkande. Ett exempel är nödbromssystem som kan påverka den åkandes initiala tillstånd direkt före en krock som, till exempel, sittposition, spänningstillstånd, eller initial hastighet inför krock. Den åkande kan försöka att bibehålla sin hållning genom att aktivera sina muskler vilket påverkar rörelsen av dess kropp under för-krocks fasen. Det är därför viktigt att studera hur aktiva muskler påverkar rörelsen av kroppen hos den åkande under både före krocksfasen och själva krockfasen. En finit element humanmodell (HBM) med och utan reglerad muskelaktivitet används för att prediktera responsen hos den åkande i båda faserna. En jämförelse mellan simuleringarna visar att aktiva muskler kan påverka åkandekinematiken under bromsningsförloppet. Att simulera fasen före krock och fasen under krock i två steg kan medföra flera fördelar. Korrelationen mellan en enkelstegssimulering (originalsimulering) och en tvåstegssimulering måste dock studeras. Som originalsimulering används en aktiv HBM för att modellera den åkande under för-krocksfasen där den reglerade muskelaktiviteten inaktiveras under krockfasen. I denna studie undersöks den åkandes initiala tillstånd före krocken som behövs för att efterlikna originalsimulerings respons vid övergången från för-krocksfasen till krockfasen. Av den anledningen mappas det passiva HBM-tillståndet till det slutliga tillståndet av före krocksfasen för sittposition, spänningstillstånd respektive hastighet. Simuleringarna möjliggjorde en jämförelse av åkande respons och beräkning av korskorrelation. Varje mappningsstrategi gav en bra korskorrelation med originalsimuleringen.

This work presents applications of an ab-initio molecular dynamics method, the so-called nonadiabatic quantum molecular dynamics (NA-QMD), for various molecular systems with many electronic and nuclear degrees of freedom. Thereby, the nuclei will be treated classically and the electrons with time-dependent density functional theory (TD-DFT) in basis expansion. Depending on the actual system and physical process, well suited basis sets for the Kohn-Sham orbitals has to be chosen. For the ionization process a novel absorber acting in the energy space as well as additional basis functions will be used depending on the laser frequency. In the first part of the applications, a large variety of different laser-induced molecular processes will be investigated. This concerns, the orientation dependence of the ionization of multielectronic diatomics (N2, O2), the isomerization of organic molecules (N2H2) and the giant excitation of the breathing mode in fullerenes (C60). In the second part, fullerene-fullerene collisions are investigated, for the first time in the whole range of relevant impact velocities concerning the vibrational and electronic energy transfer (\"stopping~power\"). For low energetic (adiabatic) collisions, it is surprisingly found, that a two-dimensional, phenomenological collision model can reproduce (even quantitatively) the basic features of fusion and scattering observed in the fully microscopic calculations as well as in the experiment. For high energetic (nonadiabatic) collisions, the electronic and vibrational excitation regimes are predicted, leading to multifragmentation up to complete atomization.

Many fluid flow processes in nature and technology are characterized by the presence and coexistence of two ore more phases. These two- or multiphase flows are furthermore characterized by a greater complexity of possible flow phenomena and phase interactions then in single phase flows and therefore the numerical simulation of these multiphase flows is usually demanding a much higher numerical effort. The presented work summarizes the research and development work of the author and his research group on "Numerical Methods for Multiphase Flows" at the University of Technology, Chemnitz over the last years. This work was focussed on the development and application of numerical approaches for the prediction of disperse fluid-particle flows in the field of fluid mechanics and process technology. A main part of the work presented here is concerned with the modelling of different physical phenomena in fluid-particle flows under the paradigm of the Lagrangian treatment of the particle motion in the fluid. The Eulerian-Lagrangian approach has proved to be an especially well suited numerical approach for the simulation of disperse multiphase flows. On the other hand its application requires a large amount of (parallel) computational power and other computational ressources. The models described in this work give a mathematical description of the relevant forces and momentum acting on a single spherical particle in the fluid flow field, the particle-wall interaction and the particle erosion to the wall. Further models has been derived in order to take into account the influence of particle-particle collisions on the particle motion as well as the interaction of the fluid flow turbulence with the particle motion. For all these models the state-of-the-art from literature is comprehensively discussed. The main field of interest of the work presented here is in the area of development, implementation, investigation and comparative evaluation of parallelization methods for the Eulerian-Lagrangian approach for the simulation of disperse multiphase flows. Most of the priorly existing work of other authors is based on shared-memory approaches, quasi-serial or static domain decomposition approaches. These parallelization methods are mostly limited in theire applicability and scalability to parallel computer architectures with a limited degree of parallelism (a few number of very powerfull compute nodes) and to more or less homogeneous multiphase flows with uniform particle concentration distribution and minor complexity of phase interactions. This work now presents a novel parallelization method developed by the author, realizing a dynamic load balancing for the Lagrangian approach (DDD - Dynamic Domain Decomposition) and therefore leading to a substantial decrease in total computation time necessary for multiphase flow computations with the Eulerian-Lagrangian approach. Finally, the developed and entirely parallelized Eulerian-Lagrangian approach MISTRAL/PartFlow-3D offers the opportunity of efficient investigation of disperse multiphase flows with higher concentrations of the disperse phase and the resulting strong phase interaction phenomena (four-way coupling). / Viele der in Natur und Technik ablaufenden Strömungsvorgänge sind durch die Koexistenz zweier oder mehrerer Phasen gekennzeichnet. Diese sogenannten Zwei- oder Mehrphasensysteme zeichnen sich durch ein hohes Maß an Komplexität aus und erfordern oft einen sehr hohen rechentechnischen Aufwand zu deren numerischer Simulation. Die vorliegende Arbeit faßt langjährige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Autors und seiner Forschungsgruppe "Numerische Methoden für Mehrphasenströmungen" an der TU Chemnitz zusammen, die sich mit der Entwicklung und Anwendung numerischer Berechnungsverfahren für disperse Fluid-Partikel-Strömungen auf dem Gebiet der Strömungs- und Verfahrenstechnik befassen. Ein wesentlicher Teil der Arbeit befaßt sich mit der Modellierung unterschiedlicher physikalischer Phänomene in Fluid-Partikel-Strömungen unter dem Paradigma der Lagrange'schen Betrachtungsweise der Partikelbewegung. Das Euler-Lagrange-Verfahren hat sich als besonders geeignetes Berechnungsverfahren für die numerische Simulation disperser Mehrphasenströmungen erwiesen, stellt jedoch in seiner Anwendung auch höchste Anforderungen an die Ressourcen der verwendeten (parallelen) Rechnerarchitekturen. Die näher ausgeführten mathematisch-physikalischen Modelle liefern eine Beschreibung der auf eine kugelförmige Einzelpartikel im Strömungsfeld wirkenden Kräfte und Momente, der Partikel-Wand-Wechselwirkung und der Partikelerosion. Weitere Teilmodelle dienen der Berücksichtigung von Partikel-Partikel-Stoßvorgängen und der Wechselwirkung zwischen Fluidturbulenz und Partikelbewegung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt im Weiteren in der Entwicklung, Untersuchung und vergleichenden Bewertung von Parallelisierungsverfahren für das Euler-Lagrange-Verfahren zur Berechnung von dispersen Mehrphasenströmungen. Zuvor von anderen Autoren entwickelte Parallelisierungsmethoden für das Lagrange'sche Berechnungsverfahren basieren im Wesentlichen auf Shared-Memory-Ansätzen, Quasi-Seriellen Verfahren oder statischer Gebietszerlegung (SDD) und sind somit in ihrer Einsetzbarkeit und Skalierbarkeit auf Rechnerarchitekturen mit relativ geringer Parallelität und auf weitgehend homogene Mehrphasenströmungen mit geringer Komplexität der Phasenwechselwirkungen beschränkt. In dieser Arbeit wird eine vom Autor entwickelte, neuartige Parallelisierungsmethode vorgestellt, die eine dynamische Lastverteilung für das Lagrange-Verfahren ermöglicht (DDD - Dynamic Domain Decomposition) und mit deren Hilfe eine deutliche Reduzierung der Gesamtausführungszeiten einer Mehrphasenströmungsberechnung mit dem Euler-Lagrange-Verfahren möglich ist. Im Ergebnis steht mit dem vom Autor und seiner Forschungsgruppe entwickelten vollständig parallelisierten Euler-Lagrange-Verfahren MISTRAL/PartFlow-3D ein numerisches Berechnungsverfahren zur Verfügung, mit dem disperse Mehrphasenströmungen mit höheren Konzentrationen der dispersen Phase und daraus resultierenden starken Phasenwechselwirkungen (Vier-Wege-Kopplung) effektiv untersucht werden können.

This work presents applications of an ab-initio molecular dynamics method, the so-called nonadiabatic quantum molecular dynamics (NA-QMD), for various molecular systems with many electronic and nuclear degrees of freedom. Thereby, the nuclei will be treated classically and the electrons with time-dependent density functional theory (TD-DFT) in basis expansion. Depending on the actual system and physical process, well suited basis sets for the Kohn-Sham orbitals has to be chosen. For the ionization process a novel absorber acting in the energy space as well as additional basis functions will be used depending on the laser frequency. In the first part of the applications, a large variety of different laser-induced molecular processes will be investigated. This concerns, the orientation dependence of the ionization of multielectronic diatomics (N2, O2), the isomerization of organic molecules (N2H2) and the giant excitation of the breathing mode in fullerenes (C60). In the second part, fullerene-fullerene collisions are investigated, for the first time in the whole range of relevant impact velocities concerning the vibrational and electronic energy transfer (\"stopping~power\"). For low energetic (adiabatic) collisions, it is surprisingly found, that a two-dimensional, phenomenological collision model can reproduce (even quantitatively) the basic features of fusion and scattering observed in the fully microscopic calculations as well as in the experiment. For high energetic (nonadiabatic) collisions, the electronic and vibrational excitation regimes are predicted, leading to multifragmentation up to complete atomization.