In this work cold model experiments in combination with Comsol modeling have been carried out to investigate the possibilities of a new method for industrial inline measurements of slag viscosities. The method aims at measuring the mass of the drag force as a sphere is dragged upwards in a liquid. The sphere was connected to a balance that was elevated at constant velocity. The liquids used were silicon oils of two different viscosities; 0.1 Pa*s and 0.5 Pa*s. A computer logged the mass from which the viscosity was calculated. Comsol modeling was used to show approximately at which time the drag force is constant, and to investigate the wall effect. The importance of laminar flow is discussed. The results show that the method is more suitable for liquids of higher viscosities. The reason is that the drag force is one order of magnitude lower than the other forces in the system. Since the drag force is directly proportional to the viscosity, it becomes larger with higher viscosity. The Comsol model shows that the drag force becomes constant in a few seconds from start of the movement. Comsol gives approximately the same values for the drag force as can be calculated by hand. The viscosities calculated from the experimental data are between two and five times too large for the higher viscosity tested, and between two and ten times too large for the lower viscosity tested. There is a wall effect for the two containers used in the experiments that can be seen both experimentally and by Comsol. Further work and development of the model has to be done before this method possibly could work for industrial purposes.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Kontrolle und Beeinflussung der Schmelzströmung beim Vertical Gradient Freeze- (VGF-) Verfahren durch magnetische Wechselfelder, wobei speziell der Einfluss von rotierenden und wandernden Magnetfeldern auf den Stoff- und Wärmetransport untersucht wird. Das Potential der VGF-Magnetfeldzüchtung für die Reduktion der thermischen Spannungen bei der Züchtung von Ge- und GaAs-Kristallen wird demonstriert. Anhand von Experimenten zur Gasphasendotierung von Ge-Einkristallen mit Zink werden außerdem die Vorteile des Magnetfeldeinsatzes für eine effektive Durchmischung der Schmelze und für eine Reduzierung der radialen Dotierstoffsegregation gezeigt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung von züchtungsrelevanten Modellanordnungen für systematische Strömungsexperimente mit niedrig schmelzenden Legierungen. Dadurch kann die gegenseitige Beeinflussung zwischen der magnetfeldinduzierten Strömung und der thermische Auftriebströmung beim VGF-Verfahren direkt untersucht werden.

Simulation is an advanced tool to capture and simplify a complex system and it allows to track the effects of changes in it to function of the entire system. The aim of the thesis was to model the current function of the system and monitor the effects of changes by experiments with the model in order to find a new and better solution. In this thesis, the running of the client workplace of Všeobecná zdravotní pojišťovna ČR was monitored and the simulation was based on real data from May 2012. The simulation was performed using the software Simul8. The results of the base case show that the system leads to accumulation of entities and long time spent in the queue. Within experimenting with the model there were created 8 scenarios that modify some parts of the system. Firstly the results of the scenarios were compared to the base case and then they were compared with each other. The scenario that was chosen as the best, was better in most of parameters compared to the base case. The parameter with the worst value in the base case - time spent queuing for a normal counter - has improved by 62 % in the new scenario. This scenario was chosen as a new and better solution for the current system.

Melt flow plays an important role in directional solidification of multicrystalline silicon influencing the temperature field and the crystallization interface as well as the transport of impurities. This work investigates the potential of a traveling magnetic field (TMF) for an active control of the melt flow. A system of 3D numerical models was developed and adapted based on open-source software for calculations of Lorentz force, melt flow, and related phenomena. Isothermal and non-isothermal model experiments with a square GaInSn melt were used to validate the numerical models by direct velocity measurements. Several new 3D flow structures of turbulent TMF flows were observed for different melt heights. Further numerical parameter studies carried out for silicon melts showed that already a weak TMF-induced Lorentz force can stir impurities near to the complete mixing limit. Simultaneously, the deformed temperature field leads to an increase of the deflection of crystallization interface, which may exhibit a distinct asymmetry. The numerical results of this work were implemented in a research-scale silicon crystallization furnace. Scaling laws for various phenomena were derived allowing a limited transfer of the results to the industrial scale.

Stahl wird heutzutage fast ausschließlich im kontinuierlichen Stranggussprozess zu Halbzeugen verschiedener Geometrien verarbeitet. Flüssiger Stahl wird dabei über ein Tauchrohr in eine wassergekühlte, nach unten offene Kokille gefüllt und erstarrt an deren Wänden. Der innen noch flüssige Strang wird kontinuierlich nach unten aus der Kokille abgezogen und ist erst nach mehreren Metern komplett erstarrt. Die Qualität des Halbzeugs wird vorwiegend durch die Strömung in der Kokille beeinflusst. In der Industrie werden seit langer Zeit verschiedene elektromagnetische Aktuatoren eingesetzt, um die Strömungsstruktur in der Kokille mithilfe von Lorentzkräften zu beeinflussen. Bedingt durch die hohe Temperatur des flüssigen Stahls und dessen Undurchsichtigkeit lässt sich die Strömungsstruktur im realen Prozess jedoch kaum untersuchen. Zur Optimierung sowie zum besseren Verständnis der Vorgänge in der Kokille sind daher numerische Simulationen und Modellexperimente notwendig. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen zum kontinuierlichen Stranggießen von Stahl unter dem Einfluss verschiedener elektromagnetischer Aktuatoren präsentiert. Die Experimente wurden an der Mini-LIMMCAST-Anlage des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) durchgeführt. Mini-LIMMCAST ist ein Modell einer Strangguss-Anlage, welches isotherm mit der bei Raumtemperatur flüssigen Metalllegierung GaInSn betrieben wird. Durch die Verwendung von flüssigem Metall als Modellfluid können die Auswirkungen elektromagnetischer Aktuatoren untersucht werden, jedoch kann aufgrund der Undurchsichtigkeit des Modellfluids die Geschwindigkeitsverteilung in der Kokille nicht mittels optischer Verfahren erfasst werden. Daher wird zur Messung der Geschwindigkeitsverteilung in der Kokille die Ultraschall-Doppler-Velocimetrie eingesetzt. Die Ergebnisse von Messungen an zwei verschiedenen Kokillen-Geometrien werden vorgestellt: zum Einen solche an einer zylindrischen Kokille, bei welcher auf verschiedene Arten eine Drehströmung erzeugt wurde. Dies erfolgte durch elektromagnetisches Rühren in der Kokille sowie durch ein Tauchrohr mit spiralförmigen Auslässen. Zum Anderen wird eine Kokille mit rechteckigem Querschnitt, wie sie in Brammen-Anlagen verwendet wird, betrachtet. In dieser wird die Strömung sowohl durch ein statisches Magnetfeld, einer sogenannten elektromagnetischen Bremse, als auch durch elektromagnetische Wechselfelder beeinflusst. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine Reihe zuvor nicht beschriebener Phänomene, wie das zeitliche Verhalten des Jets in der Rundkokille mit elektromagnetischem Rührer oder den Mechanismus der in der Brammen-Geometrie mit elektromagnetischer Bremse für eine Veränderung der Geschwindigkeit an der freien Oberfläche der Kokille sorgt. Umfassende experimentelle Parameterstudien erlauben detaillierte Einblicke in die beim Stranggießen auftretenden Strömungsstrukturen, wie sie mit numerischen Simulationsmodellen nur unter einem immensen Einsatz von Rechenleistung zu erzielen wären. / Today, steel is almost exclusively processed into semi-finished products of various geometries by the continuous casting process. Liquid steel is filled through a submerged entry nozzle into a water-cooled, downwardly open mould and solidifies on its walls. The strand, which is still liquid on the inside, is continuously drawn downwards out of the mould and is then completely solidified after several metres. The quality of the semi-finished product is mainly influenced by the flow in the mould. For many years, various electromagnetic actuators have been used in industry to influence the flow structure in the mould by the application of Lorentz forces. Due to the high temperature of the liquid steel and its opacity, however, the flow structure can hardly be investigated in the real process. Therefore, numerical simulations and model experiments are necessary to optimise and better understand the processes in the mould. In this dissertation the results of experimental investigations on continuous casting of steel under the influence of different electromagnetic actuators are presented. The experiments were performed at the Mini-LIMMCAST facility of the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Mini-LIMMCAST is a model of a continuous casting machine which is operated isothermally with the metal alloy GaInSn, which is liquid at room temperature. By using liquid metal as model fluid, the effects of electromagnetic actuators can be investigated, but due to the opacity of the model fluid, the velocity distribution in the mould cannot be determined by optical methods. Therefore, ultrasonic Doppler velocimetry is used to measure the velocity distribution in the mould. The results of measurements using two different mould geometries are presented. One is a cylindrical mould in which a rotational flow was generated in different ways. This was achieved by electromagnetic stirring in the mould and by an submerged entry nozzle with spiral-shaped outlets. On the other hand, a mould with a rectangular cross-section, as used for slab casting, is considered. Here the flow is influenced by a static magnetic field, a so-called electromagnetic brake, as well as by alternating electromagnetic fields. The results of this work show a number of previously undescribed phenomena, such as the temporal behaviour of the jet in the round mould with an electromagnetic stirrer or the mechanism that causes a change in the speed at the free surface of the mould in the slab geometry with an electromagnetic brake. Comprehensive experimental parameter studies allow detailed insights into the flow structures occurring during continuous casting, which could only be achieved with numerical simulation models with an immense input of computing power.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Kontrolle und Beeinflussung der Schmelzströmung beim Vertical Gradient Freeze- (VGF-) Verfahren durch magnetische Wechselfelder, wobei speziell der Einfluss von rotierenden und wandernden Magnetfeldern auf den Stoff- und Wärmetransport untersucht wird. Das Potential der VGF-Magnetfeldzüchtung für die Reduktion der thermischen Spannungen bei der Züchtung von Ge- und GaAs-Kristallen wird demonstriert. Anhand von Experimenten zur Gasphasendotierung von Ge-Einkristallen mit Zink werden außerdem die Vorteile des Magnetfeldeinsatzes für eine effektive Durchmischung der Schmelze und für eine Reduzierung der radialen Dotierstoffsegregation gezeigt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung von züchtungsrelevanten Modellanordnungen für systematische Strömungsexperimente mit niedrig schmelzenden Legierungen. Dadurch kann die gegenseitige Beeinflussung zwischen der magnetfeldinduzierten Strömung und der thermische Auftriebströmung beim VGF-Verfahren direkt untersucht werden.

Improving the climate system of cars is important since it is the largest auxiliary load in a standard vehicle with an increase of fuel consumption by up to 20%. In Electric Vehicles (EV) the range of the car is more limited than in a fossil fueled car; furthermore there is a limited waste heat available from the EV, approximately 2-3kW at 40oC for heating and defogging in winter. The goals of this report have been part of an existing European project (ICE) where the climate system of an electric minibus is being investigated. The specific objectives of this project were to develop a radiation model and integrate it in the existing thermal model of the cabin, validating the new model with existing experimental data, including the thermal model in the overall model of the complete vehicle and to use the existing AC-model to optimize the control with the aim of decreasing the energy consumption maintaining thermal comfort inside the cabin. The radiation model uses total radiation on a horizontal surface in order to calculate the radiation hitting the different parts of the car body and windows, finally the total radiative power entering the minibus is calculated. After including these calculations into the thermal model it could be seen that the results from the model in terms of cabin temperatures fit the experimental values surprisingly well. The control of the AC-system was optimized for a hot and sunny summer day in Italy which resulted in the AC-system working very hard following that the best control strategy was to reduce only the speed of the compressor in order to save energy. Calculations show that in the Normal European Driving Cycle (NEDC) the potential energy savings of following this control strategy can result in an energy saving of the AC-system by up to 27% compared to an unregulated case, with a maintained thermal comfort resulting in 4,2% increase in autonomy.

Afin de traiter les patients atteint de diabète de type 1, un pancréas bioartificiel permettant d’encapsuler des cellules produisant de l’insuline a été développé : il est constitué de membranes poreuses qui les isolent des anticorps du patient, tout en permettant le passage du glucose et de l’insuline. Avant sa mise sur le marché, il est nécessaire de vérifier que son comportement mécanique lui permet d’être implanté chez l’homme sans risque pour le patient. La résistance des membranes sous chargement mécanique est donc étudiée en particulier. Leur structure est d’abord mise en évidence par microscopie électronique à balayage et nanotomographie à rayons X. Des essais de traction sont ensuite effectués à l’échelle macroscopique et à l’échelle microscopique, l’utilisation de techniques de mesure de champs par corrélation d’images permettant de caractériser les déformations des membranes à chaque échelle. En parallèle, une modélisation numérique par éléments finis est développée en se basant sur les caractéristiques microstructurales et mécaniques des membranes. Une méthodologie de comparaison entre le comportement prédit par le modèle et le comportement expérimental des membranes est alors proposée et utilisée. Les résultats de cette étude sont finalement considérés pour juger de la possibilité d’utiliser ce dispositif en phase clinique. / In order to treat type 1 diabetics, a bioartificial pancreas has been developed. It consists in the encapsulation of insulin producing cells: it is made of porous membranes which isolate cells from patient antibodies, allowing the glucose and the insulin to pass through. Before its commercialization, it is necessary to verify that its mechanical behavior allows it to be implanted in a human body without any risk for the patient. The mechanical strength of the membranes under loading is therefore studied. Their structure is first obtained using scanning electron microscopy and X-ray nanotomography. Tensile tests are then done at both macroscopic and microscopic scales, digital image correlation techniques being used to characterize the membranes at each scale. At the same time, a numerical model using finite element method is built based on the microstructural and mechanical characteristics of the membranes experimentally identified. A methodology to compare the experimental and numerical results behavior of the membranes is proposed and used. The results of the study are finally considered to assess the possibility to use the device in clinic phase.

Historical painted works of art have a very complex inner structure. The period painting technique led to the execution of a ground layer followed by several layers of underpainting and a top paint layer, over which a layer of glaze has been applied to increase the resistance to external wear. Each of these colour layers is composed of a dye or a pigment (or their mixture) bound by organic binder. Throughout the history, pigments were commonly prepared from minerals, either extracted from natural deposits or created artificially. In these heterogeneous layers containing both inorganic and organic components, undesirable degradation changes either driven by processes taking place directly in the colour layer or influenced by external agents may occur. Mineralogical approach, which focuses primarily on the structure of studied pigments, helps in the clarification of the occurring processes, in the determination of conditions leading to degradation as well as in the identification of original/degradation phases. Furthermore, it can be profitably applied in the micro- analysis of mineral pigments present in tiny micro-samples obtained from works of art, contributes to the artwork's provenance/authorship studies and the determination of regional provenance of the employed mineral pigments. This Ph.D....

In einem Verbundprojekt im Rahmen des Programms „Energie 2020+“ gefördert durch das BMBF koordiniert durch das HZDR arbeiteten 4 Universitäten, 2 Forschungszentren und ANSYS zusammen. Der vorliegende Bericht beschreibt die Arbeiten des HZDR, die im Zeitraum September 2009 bis Januar 2013 durchgeführt wurden. Das Vorhaben war auf die Entwicklung und Validierung von CFD-Modellen von unterkühltem Sieden bis zu Filmsieden gerichtet. Im Bericht werden die entwickelten und verwendeten Modelle dargestellt. Anhand der Nachanalyse von Experimenten wird auf die vorgeschlagene Kalibrierung der Modelle eingegangen. Wichtig ist hierbei eine genauere Beschreibung der Zwischenphasengrenzfläche, die durch Kopplung des Wandsiedemodells mit einem Populationsmodell erreicht werden kann. Anhand der Analyse von Bündelexperimenten konnte gezeigt werden, dass die gemessenen querschnittsgemittelten Messwerte mit einem Satz im Rahmen der Modellunsicherheiten kalibrierter Modellparameter reproduziert werden kann. Für die Berechnung der Verteilungsmuster des Dampfgehaltes im Kanalquerschnitt muss die Modellierung der Turbulenz beachtet werden. Die experimentellen Arbeiten waren auf die Untersuchung eines Brennelementbündels gerichtet. An einer Versuchsanordnung zu einem Brennelementbündel werden die turbulente einphasige Geschwindigkeit (PIV), der mittlere Gasgehalt (Gamma-Densitometrie) sowie der zeitlich und räumlich aufgelöste Gasgehalt (Hochgeschwindigkeits-Röntgentomographie) gemessen. Letztere Methode wurde in Rossendorf entwickelt.