Beim Kammer-Pfeiler-Abbauverfahren auf flach einfallende Kaliflöze wird die Stabilität der Kammerfirsten von einer Reihe naturgegebener sowie technischer Faktoren beeinflusst, die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden. Ausgewählte Einflussfaktoren wie Lage und Eigenschaften von Löserflächen, die Firstankerung, Stoffgesetze für die Salzgesteine sowie die Firstwölbung werden darüber hinaus mit Hilfe numerischer Parametervariationsrechnungen unter Nutzung eines Finite-Differenzen-Programms und einer vergleichenden Ergebnisauswertung untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Firstankerung, wobei das tatsächliche elasto-plastisch-verfestigende Materialverhalten heutiger Ankerstähle numerisch umgesetzt wird, Ankervorspannkräfte sowie der Ankersetzzeitpunkt variiert werden und der Einfluss unterschiedlicher Teufen auf das Anker- und Firstverhalten herausgearbeitet wird. Durch die Untersuchungen werden die Modellvorstellungen über die Ankerwirkung bei dünnmächtig ausgebildetem unmittelbarem Kammerhangenden gefestigt, es werden Verformungsreserven bei dem verwendeten Ankerstahl „Bergbau – GEWI – Stahl ST 450 / 700“ aufgedeckt und insgesamt zeigen die numerischen Untersuchungsergebnisse, dass die bisher in der Praxis angewandte Verfahrensweise zur Erzielung stabiler Firstverhältnisse in der Gewinnungsphase als geeignet anzusehen ist.

Beim Kammer-Pfeiler-Abbauverfahren auf flach einfallende Kaliflöze wird die Stabilität der Kammerfirsten von einer Reihe naturgegebener sowie technischer Faktoren beeinflusst, die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden. Ausgewählte Einflussfaktoren wie Lage und Eigenschaften von Löserflächen, die Firstankerung, Stoffgesetze für die Salzgesteine sowie die Firstwölbung werden darüber hinaus mit Hilfe numerischer Parametervariationsrechnungen unter Nutzung eines Finite-Differenzen-Programms und einer vergleichenden Ergebnisauswertung untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Firstankerung, wobei das tatsächliche elasto-plastisch-verfestigende Materialverhalten heutiger Ankerstähle numerisch umgesetzt wird, Ankervorspannkräfte sowie der Ankersetzzeitpunkt variiert werden und der Einfluss unterschiedlicher Teufen auf das Anker- und Firstverhalten herausgearbeitet wird. Durch die Untersuchungen werden die Modellvorstellungen über die Ankerwirkung bei dünnmächtig ausgebildetem unmittelbarem Kammerhangenden gefestigt, es werden Verformungsreserven bei dem verwendeten Ankerstahl „Bergbau – GEWI – Stahl ST 450 / 700“ aufgedeckt und insgesamt zeigen die numerischen Untersuchungsergebnisse, dass die bisher in der Praxis angewandte Verfahrensweise zur Erzielung stabiler Firstverhältnisse in der Gewinnungsphase als geeignet anzusehen ist.

In der Arbeit werden effektive Verfahren zur Auswertung der Hilbert-Transformation entwickelt und zur Lösung nichtlinearer Randwertaufgaben der Funktionentheorie eingesetzt. Die Verwendung polynomialer Spline-Wavelets und geeignet modifizierter Wavelet-Algorithmen ermöglichen die schnelle Berechnung auf gleichmäßigen und ungleichmäßigen Gittern sowie deren automatische Anpassung an lokale Besonderheiten der Lösung. Die detaillierte Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Glattheit, der Größe des Trägers des Splines, der Anzahl verschwindender Momente und des asymptotischen Verhaltens der Hilbert-Transformierten erlaubt die Anpassung der Parameter des Verfahrens in Bezug auf Genauigkeit und Effektivität. Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Algorithmen zur Lösung von Riemann-Hilbert Probleme vorgeschlagen und deren Konvergenzverhalten untersucht. Die theoretischen Ergebnisse werden durch numerische Experimente bestätigt.

Contaminate transport in vadose is a huge concern since the vadose zone is the main passage way for ground water recharge. Understanding this process is crucial in order to prevent contamination, protect and rehabilitate ground water resources. Reactive transport models are instrumental for such purposes and there are numerous solute transport simulation programs for both ground water and vadose zone but most of this models are limited to simple Linear, Langmuir and Freundlich sorption models and first order decay and fail to simulate more complex geochemical reactions that are common in the vadose zone such as cation exchange, surface complexation, redox reaction and biodegradation. So it is necessary to enhance capabilities of solute transport models by incorporating well tested hydrogeochemical models like PHREEQC in to them to be able closely approximate the geochemical transport process in the subsurface. In this PhD research a new reactive transport model called VS2DRT was created by coupling existing public domain solute and heat transport models VS2DT, VS2DH with hydro-chemical model PHREEQC using non-iterative operator splitting technique. VS2DRT was compiled using MinGW compiler using tools like autotools and automake. A graphical user interface was also created using QT creator and Argus ONE numerical development tools. The new model was tested for one dimensional conservative Cl transport, surface complexation, cation exchange, dissolution of calcite and gypsum, heat and solute transport as well as for two dimensional cation exchange cases. Their results were compared with VS2DT, VS2DH, HP1 and HP2 models and the results are in good agreement.

Thermal co-processing of coal and biomass has been increasingly focused for its environmental and economic benefits. In the present work, the experimental and kinetic study on co-pyrolysis and co-gasification of Rhenish brown coal (HKN) and wheat straw (WS) was made. The pyrolysis behavior, especially for co-pyrolysis, was investigated in a thermogravimetric analyzer (TGA) and a small fixed bed reactor (LPA). In TGA, the mass loss and reaction rate of single and blend samples were studied under various experimental conditions, and their effects on synergy effects. The synergy effects on products yield and properties of chars were studied in LPA. The kinetics of pyrolysis was obtained based on data from TGA by using the Coats-Redfern method. For gasification with CO2, a small fixed bed reactor (quartz glass reactor), equipped with an online GC to monitor the gas composition, was used. The effects of processing conditions on gasification behavior and synergy effects for mixed chars and co-pyrolysis chars were investigated. The volume reaction model (VRM), shrinking core model (SCM) and random pore model (RPM), were applied to fit the experimental data. The model best fitting the experiments was used to calculate the kinetic parameters. The reaction orders of gasification reactions with single chars are also investigated. The pyrolysis study showed that a small amount of wheat straw added to the brown coal promoted the decomposition better and showed more significant synergy effects. The synergy effects varied with increasing heating rates and pressures, especially at 40 bar. The kinetic parameters were inconsistent with experimental behavior during co-pyrolysis, since the reaction was also affected by heat transfer, contact time, particles distribution and so on. The gasification study on single chars showed that Rhenish brown coal chars had higher reactivity; chars pyrolyzed at higher temperatures showed lower reactivity; and higher gasification temperatures and CO2 partial pressures led to higher reactivity. For co-gasification process, there was no significant synergy effect for mixed chars. However, negative synergy effects (reactivity decreased compared to the calculated values based on rule of mixing) were observed for co-pyrolysis chars, caused by properties change by co-pyrolysis process. For kinetics, the reaction orders of chars ranged from 0.3 to 0.7. Only random pore model fitted most experiments at low and high temperatures. Synergy effects were also observed in kinetic parameters. The values of activation energy E and pre-exponential factor A for mixed chars and co-pyrolysis chars were lower than expected. The negative synergy effects showed the pre-exponential factor A had more effects. However, the higher reactivity of mixed chars than co-pyrolysis chars showed that the reaction was affected more by activation energy E. Therefore, only investigating E or A value was not enough. In addition, a marked compensation effect between activation energies and pre-exponential factors was found in the present study. The isokinetic temperature for the present study was 856 °C. This was close to the temperature at which the gasification reaction transforms from the chemical controlled zone to the diffusion controlled zone for most chars.

The Lattice-Boltzmann-model is analyzed with regard to application to numerical solution of flow acoustic problems. In the first part of this study the description of sound wave propagation by common variants of the Lattice-Boltzmann-model is examined by calculation of phase velocity and effective viscosity for sound waves. Schemes with nine velocities in two dimensions and nineteen velocities in three dimensions are considered. For each of these a single relaxation time model (LBGK-model) and a multiple relaxation time model (MRT) is investigated. All schemes exhibit an almost isotropic error in phase speed of sound waves. With a spatial resolution of 10 or 30 grid spacings per wavelength the deviation of phase speed is less than 1 % or 0.1 %, respectively. The dissipation of sound waves is not simulated correctly by LBGK-models since there the bulk viscosity is fixed to the shear viscosity. Apart from that there is only very little numerical dissipation. The dissipation error therefor is negligible in the audible frequency range in air as long as the simulation volumes do not become very large, i.e. much more than some hundred wavelengths. The MRT-models allow to adjust the bulk viscosity by a suitable choice of relaxation parameters. However, if the bulk viscosity is set to a realistic value, stability of the scheme requires free relaxation parameter values which are close to the relaxation parameters that determine the viscosities. Then the gain in stability of MRT-models compared to LBGK-models is lost to some extent. All schemes considered here are able to reproduce the effect of sound wave convection in homogeneous background flows. Although additional numerical errors arise in transport coefficients, the overall errors are of the same order of magnitude as in the case with zero background flow and are not critical in practical applications. In the second part of the work numerical experiments are described which demonstrate the coupling of the flow- and sound field. Three test cases are considered: Sound generation by a single vortex interaction with the leading edge of a semi-infinite flat plate, sound generation by a grazing flow over a partially covered cavity and instationary flow around a half-cylinder with an attached wedge tail. The first test case is simulated in two dimensions with a self-written program. The sound calculated directly is compared to prediction based on an acoustic analogy. The observed amplitudes of the radiated sound agree quantitatively well for all flow and eddy velocities considered here. This implies, that the coupling of the sound and flow field is correct. In the case of the cavity the flow is computed in two dimensions with a self-written program as well as in three dimensions with the commercially available program PowerFLOW. The simulated pressure fluctuations in the cavity are compared to results of a wind tunnel experiment. Good agreement between simulation and wind tunnel experiment is found. The instationary flow around a half cylinder with an attached wedge tail is simulated in three dimensions using PowerFLOW. The radiated sound cannot be captured with PowerFLOW because of insufficient quantization of fluid density. However, pressure fluctuations on the surface of the body exhibit good agreement with the result of a wind tunnel test. Summarizing the results of this work it can concluded, that the Lattice-Boltzmann-model is well suited to numerical solutions of flow acoustic problems.

Abrasivity is a characteristic property of rocks. Rock abrasivity has influence on tool wear, energy consumption and construction time and is therefore an important parameter in rock engineering. Over the years, a number of testing methods have been developed to define and quantify the abrasive potential of rocks. Due to simple design and convenient handling, Cerchar abrasivity test and its index, Cerchar abrasivity index, are most commonly used to assess the rock abrasivity. Besides the abrasivity index, various parameters can be derived from the Cerchar test thanks to the development of a special designed testing device. Diverse parameters like scratching force, applied work and specific energy can be used to estimate the cutting efficiency. Moreover, a new composite parameter named Cerchar abrasion ratio is proposed, which considers both, the wear on the stylus tip and the material removal on the rock surface and can be regarded as an indicator to evaluate the cutting effectivity. Since the development of Cerchar abrasivity test, major attentions are focused on the abrasion of the stylus, but minor attentions are paid to investigate the mechanical behavior of rocks against the action of the stylus during the scratching process. The scratch groove produced on the rock surface is observed under a scanning electron microscope. The Cerchar wear mechanism can be explained as follows: mineral grains are detached from damaged surface by fracturing after plastic deformation on stressed surface. Transition from plastic deformation-induced to cracking-induced wear are related to the rock microstructure. For the Cerchar test, various factors affecting the Cerchar abrasivity index have been studied, which can be divided into testing condition-based and geotechnical-based factors. The influence of some dominant testing condition-based factors including surface condition, testing distance and velocity on the test result is investigated by using the new designed testing device, in which the sliding distance and scratching velocity can be exactly controlled during the test. Results show that the surface condition can affect the result of Cerchar index, especially for hard and inhomogeneous rocks, while the testing distance and velocity have no obvious influence on the Cerchar index. As far as it is known, in rock mechanics, anisotropic features of rocks can affect the experimental results significantly. In the original Cerchar specification, testing procedure for stratified or foliated rocks is not specially discussed. Due to this, the influence of rock anisotropy on the Cerchar abrasivity index is investigated based on two intact metamorphic rocks of slate and gneiss. However, no significant dependency is found. Cerchar scratch test is simulated based on a quasi-homogeneous model made of sandstone with respect to its mineralogical-mechanical properties. The numerical simulation is conducted by using the discrete element method-based particle flow code of PFC3D. As a result, the simulated scratching force shows a good agreement with the experimental result. A gap between numerical and experimental studies can be attributed to the testing condition-based factors, such as rock mineralogy and microstructure, scratching velocity and depth of scratch, tool abrasion and temperature. Based on the calibrated sandstone model, numerical simulations of rock cutting are conducted under different testing conditions. The influence of tool geometry like tip shape, tip angle and tip wear, and cutting parameters including cutting velocity, depth of cut and rake angle on the cutting force and crack pattern is studied.

Untersucht wird der Auswirkung von Anisotropie auf den unordnungsinduzierten Metall-Isolator-Übergang (MIÜ) im Rahmen des dreidimensionalen Anderson-Modells der Lokalisierung für (schwach) gekoppelte Ebenen bzw. Ketten. Mittels numerischer Verfahren (Lanczos- und Transfer-Matrix-Methode) werden Eigenwerte und -vektoren bzw. die Lokalisierungslänge berechnet. Zur Bestimmung des kritischen Exponenten dieses Phasenüberganges 2. Ordnung wird ein allgemeiner Skalenansatz verwendet, der auch den Einfluss einer irrelevanten Skalenvariablen und Nichtlinearitäten berücksichtigt. Ein Kapitel untersucht die verwendeten numerischen Verfahren, verschiedene Methoden werden verglichen und die Portierbarkeit zu Parallelrechnern diskutiert. Der MIÜ wird mit zwei unabhängigen Methoden charakterisiert: Eigenwertstatistik und Transfer-Matrix-Methode. Die Systemgrößenunabhängigkeit der betrachteten Größen am Phasenübergang wird benutzt um den MIÜ zu identifizieren. Sie resultiert aus der Multifraktalität der kritischen Eigenzustände, die für den isotropen Fall bis zu einer Systemgröße von 111^3 Gitterplätzen gezeigt wird. Es stellt sich heraus, daß der MIÜ auch bei sehr starker Anisotropie existiert und bereits bei geringerer Potentialunordnung als im isotropen Fall auftritt. Für den Fall sehr schwach gekoppelter Ebenen wird gezeigt, daß der kritische Exponent mit dem des isotropen Falles übereinstimmt und damit die übliche Einteilung in Universalitätsklassen bestätigt.

In this Doktorarbeit the Lattice Boltzmann scheme, a heuristic method for the simulation of flows in complicated boundaries, is investigated. Its theory is renewed by emphasizing the entropy maximization principle, and new means for the modelling of geometries (including moving boundaries) and the visual representation of evoluting flows are presented. An object oriented implemen- tation is given with communication between objects realized by an interpreter object and communication from outside realized via interprocess communica- tion. Within the new theoretical apprach the applicability of existing Lattice Boltzmann schemes to model thermal flows for arbitrary temperatures is reex- amined. / In dieser Doktorarbeit wird das Gitter-Boltzmann-Schema, eine heuristische Methode fuer die Simulation von Stroemungen innerhalb komplexer Raender, untersucht. Die zugrundeliegende Theorie wird unter neuen Gesichtspunkten, insbesondere dem Prinzip der Entropiemaximierung, betrachtet. Des weiteren werden neuartige Methoden fuer die Modellierung der Geometrie (einschl. beweglicher Raender) und der visuellen Darstellung aufgezeigt. Eine objektorientierte Implementierung wird vorgestellt, wobei die Kommunikation zwischen den Objekten über Interpreter-Objekte und die Kommunikation mit der Aussenwelt ueber Interprozess-Kommunikation gehandhabt wird. Mit dem neuen theoretischen Ansatz wird die Gueltigkeit bestehender Gitter-Boltzmann-Schemata fuer die Anwendung auf Stroemungen mit nicht konstanter Temperatur untersucht.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von statistischen Eigenschaften der ungeordneten Metallen im Rahmen des Anderson-Modells der Lokalisierung. Betrachtet wird ein Elektron auf einem Gitter mit "Nächste-Nachbarn-Hüpfen" und zufälligen potentiellen Gitterplatzenergien. Wegen der Zufälligkeit zeigen die Elektroneigenschaften, zum Beispiel die Eigenenergien und -zustände, irreguläre Fluktuationen, deren Statistik von der Amplitude der Potentialenergie abhängt. Mit steigender Amplitude wird das Elektron immer mehr lokalisiert, was schliesslich zum Metall-Isolator-Übergang führt. In dieser Arbeit wird die Statistik insbesondere im metallischen Bereich untersucht, und dadurch der Einfluss der Lokalisierung an den Eigenschaften des Systems betrachtet. Zuerst wird die Statistik der Matrixelemente des Dipoloperators untersucht. Die numerischen Ergebnisse für das Anderson-Modell werden mit Vorhersagen der semiklassischen Näherung verglichen. Dann wird der spektrale Strukturfaktor betrachtet, der als Fourier-Transformation der zwei-Punkt Zustandsdichtekorrelationsfunktion definiert wird. Dabei werden besonders die nichtuniversellen Abweichungen von den Vorhersagen der Zufallsmatrixtheorie untersucht. Die Abweichungen werden numerisch ermittelt, und danach mit den analytischen Vorhersagen verglichen. Die Statistik der Wellenfunktionen zeigt ebenfalls Abweichungen von der Zufallsmatrixtheorie. Die Abweichungen sind am größten für Statistik der großen Wellenfunktionsamplituden, die sogenannte seltene Ereignisse darstellen. Die analytischen Vorhersagen für diese Statistik sind teilweise widersprüchlich, und deshalb ist es interessant, sie auch numerisch zu untersuchen.