Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte der Aufbau eines neuartigen Versuchsstandes zum praxisnahen Test von Wandaufbauten (VS-WA; Probendimension: 1,9 m x 1,9 m x 0,5 m). Mit dem VS sind praxisnahe Untersuchungen von Dämm- und Dichtstoffen sowie Wandsegmentmaterialien thermischer Energiespeicher in einer Einheit durchführbar. Aufgrund der drehbaren Lagerung des VS ist es möglich, vertikale (Wandbereich) und horizontale (Deckenbereich) Aufbauten zu untersuchen. Mit dem VS erfolgt eine experimentelle Bestimmung von effektiven Wärmeleitfähigkeiten zweier aussichtsreicher Wärmedämmstoffe (Polyurethan-Granulat und expandierte Polystyrol-Partikel). Die Untersuchungsergebnisse zeigen für den vertikalen Betrieb des VS eine erhöhte effektive Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den Stoffwerten der Hersteller. Der Grund hierfür ist, basierend auf der Auswertung von Temperaturprofilen, ein signifikanter Anteil an freier Konvektion. Dies ist trotz niedriger Permeabilitäten der untersuchten Schüttgüter und demnach entgegen dem aktuellen Stand der Wissenschaft der Fall. Ohne den neuen VS mit den hier realisierten Maßen, wären diese Effekte nicht messbar gewesen (z. B. bei Untersuchungen mit Ein- oder Zwei-Platten-Apparaturen). Die Ergebnisse können dazu beitragen, erhöhte Wärmeverluste an realen Bauwerken zu erklären und zu vermeiden. / Within the context of this thesis, a new test rig for the practical testing of wall structures (VS-WA; sample size: 1.9 m x 1.9 m x 0.5 m) was set up. With the test rig, practical investigations of insulating and sealing materials as well as wall segment materials of thermal energy stores are possible in one unit. Since the test rig is pivoted it is also possible to examine vertical (wall area) and horizontal (ceiling area) structures. The present thesis deals with the experimental determination of the effective thermal conductivity of two promising thermal insulation materials (polyurethane granulate and expanded polystyrene particles). The test results show an increased effective thermal conductivity for the vertical orientation of the VS-WA compared to the material properties given by the manufacturers. The reason for this is, based on the evaluation of temperature profiles, a significant portion of free convection. This is the case despite low permeabilities of the bulk materials investigated and thus contrary to the current state of scientific knowledge. Without the new test rig with the dimensions realized here, the discovered effects could not have been observed (e.g. investigations with one- or two-plate apparatuses). The results can contribute to explain and avoid increased heat losses in real building structures.

Die Professur Technische Thermodynamik der TU Chemnitz und die inetz (Netzbetreiber) haben unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ein hocheffizientes solares Fernwärmesystem (2100 m² Kollektorfläche, 1000 m³ Speicher, max. Netzlast 6-14 MW) für den Stadtteil Brühl in Chemnitz entwickelt. Dieses zeichnet sich durch viele innovative Merkmale (Systemkonzept und -betrieb, Speicher, Hausanschlussstation) aus und berücksichtigt komplexe städtische bzw. gesellschaftliche Zusammenhänge (Akzeptanz, Städtebau, Denkmalschutz, Gebäudeeigentümer, bestehende Versorgungssysteme). In diesem Projekt wurde eine breit angelegte Begleitforschung zur Funktion des Systems durchgeführt. Das Projekt umfasste u. a. die Datenbeschaffung und -auswertung bzgl. des Systems und des Quartiers, die Datenübernahme von der inetz, die Datenverarbeitung und -auswertung sowie die Optimierung des Systems. Es erfolgten spezielle Untersuchungen zur Funktion der Kollektorfelder, des Zwei-Zonen-Speichers, des Nachheizsystems und einer Hausanschlussstation. Aufgrund des Einsatzes von Wasser im gesamten System wurden die Untersuchungen in den Kollektorfeldern mit einem speziellen bzw. mobilen Monitoring realisiert. Numerische Simulationen lieferten das theoretische Verhalten für einen Soll-Ist-Ver gleich. Umgekehrt konnten die Simulationen anhand der Messwerte validiert werden. Die Mess- und Simulationsergebnisse flossen danach in Metamodelle ein. Diese Metamodelle wurden im SolFW-Tool genutzt, um eine einfache und schnelle Berechnung von solaren Fernwärmesystemen in Quartieren zur Verfügung zu stellen. Das SolFW-Tool ist als webbasiertes Simulationsprogramm verfügbar.

Harmonic distorted voltage waveforms can lead to excessive heat in the insulation of electrical equipment. The prospectively increasing number of power electronic devices in electrical grids requires the careful examination of the conse- quences of harmonics, which are introduced due to the operating principle of the semiconductor switches. Investigations of the thermal breakdown of solid dielectrics that may occur as a consequence of harmonic distortion on the voltage waveform of electrical grids are presented in this contribution. A thermo-electrical multi-frequency model allows the calculation of the overtemperature in the material. The calculations are confirmed by breakdown experiments of phenolic paper and epoxy resin. Generally, the additional dielectric losses due to the harmonic voltage distortion increase the possibility of exceeding the thermal equilibrium. However, modern insulation materials like the investigated epoxy resin have very low loss factors which is favourable for good thermal performance even with severely distorted voltages.

In unserem alltäglichen Leben nehmen Kunststoffe eine immer größere Rolle ein. Die organische Struktur dieser Materialien bedingt die Brennbarkeit derselbigen und birgt somit eine Gefahr, die allgegenwärtig ist. Flammschutz von Polymeren ist daher eine wichtige Eigenschaft. Der Markt an Flammschutzadditiven ist bereits sehr breit gefächert. Allerdings gibt es nur wenig Studien, die systematisch Struktur und Flammschutzwirkung betrachten. So war es das Ziel dieser Arbeit, durch die Untersuchung zweier systematisch variierter Polymergruppen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu entwicklen, die das Verständnis von Flammschutzadditiven erweitern. Die erste Gruppe bestand aus Polyestern mit einem gleichbleibenden Polymerrückrat an dem phosphorhaltige Seitenketten systematisch variiert wurden. In der zweiten Gruppe wurde das Polymergrundgerüst bei gleichbleibendem Substituenten variiert. Die Strukturen wurden umfassend hinsichtlich ihres Abbaus untersucht, so das durch Korrelation von Abbauverhalten und erarbeiteten Abbaumechanismen Zusammenhänge zwischen der nativen Polymerstruktur und dem Flammschutzverhalten gefunden werden konnten. Es lässt sich nachweisen, dass das Hauptabbaumaximum fast vollständig durch die Polymergrundkette dirigiert wird. Der Substituent hat wenig Einflauss darauf, womit sich die Möglichkeit ergibt Flammschutzadditive gezielt and das Abbaumaximum des zu schützenden Matrixpolymers anzupassen. Die strukturelle Veränderung des phosphorhaltigen Substituenten hingegen ermöglich es das Flammschutzadditv in seiner Wirkungsweise, also Aktivität in der Gasphase oder kondensierten Phase, anzupassen. Sehr wesentlich, besonders mit Blick auf die Rückstandbildung, ist das Zusammenspiel zwischen Substituent und Polymerrückgrat. Bei geeigneter Wahl aliphatischer und aromatischer Anteile lassen sich so Flammschutzadditive herstellen, die einerseits gut zu verarbeiten sind, andererseits aber auch einen möglichst hohen Rückstand erzeugen. Mit Kenntnis dieser Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ist es zukünftig möglich, polymere Flammschutzadditive zielgerichteter zu entwickeln. So lässt sich das Additiv in seiner Wirkung nicht nur an das Matrixpolymer anpassen, sondern auch an die primären Brandgefahren in dessen Endanwendung. Eine Under-the-hood-Anwendung im Automobilbau fordert andere Flammschutzeigenschaften als die Verwendung im häuslichen Küchenbedarf.

The control of low dimensional materials holds potential for revolutionizing the electronic, thermal, and thermoelectric materials engineering. Through strategic manipulation and optimization of these materials, unique properties can be uncover which enable more efficient and effective materials development. Towards the determination of nanoscale strategies to improve the electronic and phononic devices, computational simulations of modified low dimensional materials have been carried in this research. First, the electronic properties of chemically func tionalized phosphorene monolayers are evaluated with spin-polarized Density Functional Theory, as a potential method to tune their electronic properties. The functionalization not only leads to formation of additional states within the semiconducting gap, but also to the emergence of local magnetism. The magnetic ground state and electronic structure are investigated in dependence of molecular coverage, lattice direction of the molecular adsorption and molecule type functionalization. Furthermore, the physical and transport properties of phosphorene grain boundaries under uniaxial strain are evaluated by the use of Density Functional based Tight Binding method in combination with Landauer theory. In both grain boundary types, the electronic bandgap decreases under strain, however, the respective thermal conductance is only weakly affected, despite rather strong changes in the frequency-resolved phonon transmission. The combination of both effects results in an enhancement in the thermoelectric figure of merit in the phosphorene grain boundary systems. Finally, the thermoelectric properties of carbon nanotubes peapod heterostructures are studied and compared to pristine nanotubes using also the Density Functional based Tight Binding method and Landauer theory. It is found that the fullerene encapsulation modifies the electron and phonon transport properties, causing the formation of electronic channels and the suppression of vibrational modes that lead to an improvement of the thermoelectric figure of merit. The results of this thesis highlight the potential of strategic manipulation and optimization of low dimensional materials in improving their unique electronic and thermal properties, revealing promising avenues for improving electronic and phononic devices.:ABSTRACT i ZUSAMMENFASSUNG ii ACKNOWLEDGEMENT iv LIST OF FIGURES ix LIST OF TERMS AND ABBREVIATIONS xviii 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Objectives and outline 6 2 Computational Methods 8 2.1 Density Functional Theory 8 2.1.1 The Many-Body System Hamiltonian and the Born-Oppenheimer approximation 9 2.1.2 Thomas-Fermi-Dirac approximation model 10 2.1.3 The Hohenberg-Kohn theorems 12 2.1.4 The Kohn-Sham orbitals equations 13 2.1.5 Exchange-correlation functionals 15 2.2 Density Functional Based Tight Binding method 16 2.2.1 Tight-binding formalism 17 2.2.2 From DFT to DFTB 20 2.2.3 Parametrization 22 2.3 Atomistic Green’s functions 23 2.3.1 Non-Equilibrium Green’s functions for modeling electronic transmission 23 2.3.2 Non-equilibrium Green’s function for modeling thermal transmission 27 3 Tuning the electronic and magnetic properties through chemical functionalization 3.1 Introduction 33 3.1.1 Black phosphorus as a 2D material 33 3.1.2 Chemical Functionalization of low dimensional systems 35 3.1.3 Bipolar Magnetic Semiconductors 36 3.2 Computational approach 38 3.3 Interface effects in phosphorene by OH functionalization 39 3.3.1 Single molecule functionalization 39 3.3.2 Lattice selection 43 3.3.3 Coverage 45 3.4 Chiral functionalization effect in phosphorene 48 3.5 Functionalizing phosphorene towards BMS 51 3.6 Summary 53 4 Tuning transport properties through strain and grain bound-aries 4.1 Introduction 54 4.1.1 Strain in low dimensional materials 54 4.1.2 Grain boundaries 56 4.2 Computational approach 58 4.2.1 Molecular systems 58 4.2.2 Electron and phonon transport and thermoelectric figure of merit 58 4.3 Structural modification by strain in GB systems 60 4.4 Electronic structure modification by strain in GB systems 63 4.5 Thermal transport modification by strain in GB systems 65 4.6 Thermoelectric figure of merit of strained GB systems 68 4.7 Summary 71 5 Tuning transport properties through hybrid nanomaterials: CNT peapods 73 5.1 Introduction 73 5.1.1 Carbon-based nanostructures 73 5.1.2 CNT peapods as hybrid nanomaterials 76 5.2. Computational details 77 5.2.1 CNT peapod model 77 5.2.2 Quantum transport methodology 78 5.3 Structural properties of CNT peapods 79 5.4 Electronic properties of CNT peapods 80 5.5 Thermal properties of CNT peapods 83 5.6 Thermoelectronic properties of CNT peapods 85 5.7 Summary 88 6 Conclusions and outlook 91 Appendices Appendix A Supplementary information to phosphorene functionalization A.1 Spin resolved density of states of 1-OH system 96 A.2 Spin valve model 97 Appendix B Supplementary information to phosphorene grain boundaries 98 B.1 Projected Phonon Density of States in GB1 98 B.2 Thermoelectric transport properties of GB2 99 Appendix C Supplementary information to CNT peapods 101 C.1 Geometry optimization of CNT peapods with larger CNT diameter 101 C.2 Additional analysis of electron transport properties 102 C.3 Phonon band structure of different CNT structures 104 C.4 Additional analysis of thermoelectric performance 105 REFERENCES 105 LIST OF PUBLICATIONS 131 PRESENTATIONS 132 / Die Kontrolle niedrigdimensionaler Materialien birgt das Potenzial für eine Revolutionierung der elektronischen, thermischen und thermoelektrischen Technologien. Durch strategische Manipulation und Optimierung dieser Materialien können einzigartige Eigenschaften aufgedeckt werden, die eine effizientere und effektivere Materialentwicklung ermöglichen. Um Strategien im Nanobereich zur Verbesserung elektronischer und phononischer Bauelemente zu ermitteln, wurden in dieser Forschungsarbeit rechnerische Simulationen modifizierter niedrigdimensionaler Materialien durchgeführt. Zunächst werden die elektronischen Eigenschaften von chemisch funktionalisierten Phosphoren-Monoschichten mit Hilfe der spinpolarisierten Dichtefunktionaltheorie als potenzielle Methode zur Abstimmung ihrer elektronischen Eigenschaften bewertet. Die Funktionalisierung führt nicht nur zur Bildung zusätzlicher Zustände innerhalb der halbleitenden Lücke, sondern auch zum Auftreten von lokalem Magnetismus. Der magnetische Grundzustand und die elektronische Struktur werden in Abhängigkeit von der molekularen Bedeckung, der Gitterrichtung der molekularen Adsorption und der Funktionalisierung des Moleküls untersucht. Darüber hinaus werden die Transporteigenschaften von Phosphoren-Korngrenzen unter uniaxialer Belastung mit Hilfe der auf Dichtefunktionen basierenden Tight-Binding-Methode in Kombination mit der Landauer-Theorie untersucht. In beiden Korngrenzentypen nimmt die elektronische Bandlücke unter Dehnung ab, die jeweilige Wärmeleitfähigkeit wird jedoch nur schwach beeinflusst, trotz ziemlich starker Änderungen in der frequenzaufgelösten Phononentransmission. Die Kombination bei der Effekte führt zu einer Erhöhung der thermoelektrischen Leistungszahl in den Phosphorkorngrenzensystemen. Schließlich werden die thermoelektrischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren-Peapod-Heterostrukturen untersucht und mit denen von reinen Nanoröhren verglichen, wobei auch die auf Dichtefunktionen basierende Tight-Binding-Methode und die Landauer-Theorie verwendet werden. Es wird festgestellt, dass die Fullereneinkapselung die Elektronen- und Phononentransporteigenschaften modifiziert und die Bildung von elektronischen Kanälen und die Unterdrückung von Schwingungsmoden bewirkt, was zu einer Verbesserung der thermoelektrischen Leistungszahl führt. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen das Potenzial der strategischen Manipulation und Optimierung niedrigdimensionaler Materialien zur Verbesserung ihrer einzigartigen elektronischen und thermischen Eigenschaften und zeigen vielversprechende Wege zur Verbesserung elektronischer und phononischer Bauteile auf.:ABSTRACT i ZUSAMMENFASSUNG ii ACKNOWLEDGEMENT iv LIST OF FIGURES ix LIST OF TERMS AND ABBREVIATIONS xviii 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Objectives and outline 6 2 Computational Methods 8 2.1 Density Functional Theory 8 2.1.1 The Many-Body System Hamiltonian and the Born-Oppenheimer approximation 9 2.1.2 Thomas-Fermi-Dirac approximation model 10 2.1.3 The Hohenberg-Kohn theorems 12 2.1.4 The Kohn-Sham orbitals equations 13 2.1.5 Exchange-correlation functionals 15 2.2 Density Functional Based Tight Binding method 16 2.2.1 Tight-binding formalism 17 2.2.2 From DFT to DFTB 20 2.2.3 Parametrization 22 2.3 Atomistic Green’s functions 23 2.3.1 Non-Equilibrium Green’s functions for modeling electronic transmission 23 2.3.2 Non-equilibrium Green’s function for modeling thermal transmission 27 3 Tuning the electronic and magnetic properties through chemical functionalization 3.1 Introduction 33 3.1.1 Black phosphorus as a 2D material 33 3.1.2 Chemical Functionalization of low dimensional systems 35 3.1.3 Bipolar Magnetic Semiconductors 36 3.2 Computational approach 38 3.3 Interface effects in phosphorene by OH functionalization 39 3.3.1 Single molecule functionalization 39 3.3.2 Lattice selection 43 3.3.3 Coverage 45 3.4 Chiral functionalization effect in phosphorene 48 3.5 Functionalizing phosphorene towards BMS 51 3.6 Summary 53 4 Tuning transport properties through strain and grain bound-aries 4.1 Introduction 54 4.1.1 Strain in low dimensional materials 54 4.1.2 Grain boundaries 56 4.2 Computational approach 58 4.2.1 Molecular systems 58 4.2.2 Electron and phonon transport and thermoelectric figure of merit 58 4.3 Structural modification by strain in GB systems 60 4.4 Electronic structure modification by strain in GB systems 63 4.5 Thermal transport modification by strain in GB systems 65 4.6 Thermoelectric figure of merit of strained GB systems 68 4.7 Summary 71 5 Tuning transport properties through hybrid nanomaterials: CNT peapods 73 5.1 Introduction 73 5.1.1 Carbon-based nanostructures 73 5.1.2 CNT peapods as hybrid nanomaterials 76 5.2. Computational details 77 5.2.1 CNT peapod model 77 5.2.2 Quantum transport methodology 78 5.3 Structural properties of CNT peapods 79 5.4 Electronic properties of CNT peapods 80 5.5 Thermal properties of CNT peapods 83 5.6 Thermoelectronic properties of CNT peapods 85 5.7 Summary 88 6 Conclusions and outlook 91 Appendices Appendix A Supplementary information to phosphorene functionalization A.1 Spin resolved density of states of 1-OH system 96 A.2 Spin valve model 97 Appendix B Supplementary information to phosphorene grain boundaries 98 B.1 Projected Phonon Density of States in GB1 98 B.2 Thermoelectric transport properties of GB2 99 Appendix C Supplementary information to CNT peapods 101 C.1 Geometry optimization of CNT peapods with larger CNT diameter 101 C.2 Additional analysis of electron transport properties 102 C.3 Phonon band structure of different CNT structures 104 C.4 Additional analysis of thermoelectric performance 105 REFERENCES 105 LIST OF PUBLICATIONS 131 PRESENTATIONS 132

Diese Arbeit stellt die theoretischen Untersuchungen für ein ausgewähltes Wärmepumpen-Speicher-System zur emissionsneutralen Wärmeversorgung eines Quartiers vor. Dabei dient ein Fernwärme-Rücklauf als Wärmequelle für die Wärmepumpen. Die Stromversorgung (u. a. Antriebsenergie) kann sowohl durch erneuerbaren (PV, Wind) als auch konventionellen Strom erfolgen. Zur Abbildung des Systems kamen die Programme TRNSYS und MATLAB mit Solver CPLEX zum Einsatz. Von besonderem Interesse waren die optimale Dimensionierung und der optimale bzw. flexible Betrieb der Anlage. Das Anlagenkonzept mit dem Wärmespeicher ermöglicht eine signifikante Reduktion der CO2-Emissionen sowie eine Senkung der Wärmegestehungskosten bis zu 17,7 % gegenüber einer Referenzauslegung ohne einen Wärmespeicher. Zur Gewährleistung einer hohen Anlagenflexibilität im Betrieb inklusive der Versorgungssicherheit des Quartiers ist ein relativ großer Wärmespeicher mit einem Volumen größer als 30 m³ vorteilhaft und praktisch umsetzbar. Dieses System ermöglicht es kurzfristige (wenige Minuten) und langfristige (saisonale) Schwankungen seitens der erneuerbaren Stromversorgung aufzunehmen und in eine sichere/bedarfsgerechte Wärmeversorgung zu überführen.:1 Einleitung 2 Referenzquartier und -system 3 Transiente Simulation des Wärmepumpen-Speicher-Systems 4 Modell zur Erzeugereinsatzoptimierung 5 Untersuchungen zum praktischen Einsatz vom MATLAB/CPLEX-Modell 6 Flexibilitätspotential Anhang

Thermische Energiespeicher tragen u. a. zur Erhöhung der Versorgungsicherheit in der Fernwärmeversorgung und zur Effizienzsteigerung des Fernwärmesystems (z. B. Flexibilisierung der Erzeuger, Speicherung überschüssiger Wärme, besserer hydraulischer Betrieb) bei. Dafür eignen sich Druckbehälter, sog. schlanke Heißwasserspeicher (Speichertyp b1). Die oben genannten Vorteile setzen einen effizienten Speicherbetrieb (niedrige interne und externe Speicherverluste) voraus. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit der Minimierung der internen Verluste durch die Verbesserung des thermischen Schichtungsverhaltens. Eine thermische Schichtung mit einem möglichst schmalen Übergangsbereich zwischen heißer und kalter Zone ist ein Indikator für geringe Mischvorgänge während der Beladung. Die Minimierung dieser Mischungsvorgänge bei der Beladung nimmt eine Schlüsselrolle bei der Minimierung der internen Speicherverluste ein. Lohse und Brähmer untersuchten die Beladung mit herkömmlichen radialen Diffusor in schlanken Heißwasserspeicher mit numerischer Strömungssimulation. Die Arbeiten identifizieren aufgrund der schlanken Speicherform nachteilige Strömungseffekte wie z. B. einen ausgeprägten Wandstrahl. Dieser Wandstrahl regt Mischvorgänge an und damit steigen die internen Speicherverluste. Zur Überwindung dieser Strömungsproblematik schlägt die Beladung mit Drall vor. Die Untersuchungen von Oestreich zeigten das Strömungsverhalten im Diffusor und im Speicher, die Auswirkungen auf die thermische Schichtung sowie die Vorteilhaftigkeit. Dieser Beitrag soll eine detailliertere Beschreibung der Strömungsvorgänge liefern. Dieses Wissen ist unbedingt notwendig, um die Ursachen und Wirkungen bei der Beladung mit Drall und beim Aufbau der thermischen Schichtung besser zu verstehen. Die Modellierung und Simulation des Diffusors bzw. des Speichers erfolgen mit ANSYS CFX. Zur Auflösung turbulenter Strukturen findet die Large Eddy Simulation Anwendung. Dieser Artikel präsentiert erstmalig die Wirbelstrukturen im Diffusor mit Leitelementen zur Drallerzeugung. Die Speicherströmung weist ein ähnliches Verhalten zu bekannten Dichteströmungen (z. B. Lappen-Kluft-Struktur, Instabilitäten in den freien Scherschichten) auf, was bisher nicht bekannt war. Hohe Peclet-Zahlen (hohe Advektionsströme) im Speichermodell führen zu numerischer Instabilität der Simulation und erfordern deshalb erhöhten Diskretisierungsaufwand. / Thermal energy storage systems contribute, among other things, to increasing the security of supply in the district heating system and to improving the efficiency of the district heating system (e.g., making the generators more flexible, storing waste heat, better hydraulic operation). Pressure vessels, so-called slim hot water storage tanks (storage type b1) are suitable for this purpose. The above mentioned advantages require efficient storage operation (low internal and external storage losses). This paper deals with the minimization of internal losses by improving the thermal stratification behavior. Thermal stratification with a thermocline between hot and cold zone as narrow as possible is an indicator of low mixing processes during loading. Minimizing these mixing processes during loading takes a key role in minimizing internal storage losses. Lohse and Brähmer investigated loading with conventional radial diffuser in slim hot water storage tanks with numerical flow simulation. The work identifies adverse flow effects due to the slim tank shape, such as a wall jet. This wall jet stimulates mixing processes and thus increases the internal storage losses. To overcome this flow problem, Findeisen et al. proposes swirl loading. The investigations of Oestreich et al. showed the flow behavior in the diffuser and in the storage, the effects on the thermal stratification as well as the advantageousness. This paper aims to provide a more detailed description of the flow processes. This knowledge is essential to better understanding the causes and effects of swirl loading and the structure of thermal stratification. Modeling and simulation of the diffuser and storage, respectively, are performed using Ansys CFX. Large eddy simulation (LES) is applied to resolve turbulent structures. This paper presents for the first time the vortex structures in the diffuser with internal elements for swirl generation. The storage flow exhibits similar behavior to known density flows (e.g., head and nose formation, instabilities in the free shear layers), which was previously unknown. High Peclet numbers (high advection currents) in the storage model lead to numerical instability of the simulation and therefore require increased discretization efforts.

In the past decades, numerous single-molecule techniques have been developed to investigate individual bio-molecules and cellular machines. While a lot is known about the structure, localization, and interaction partners of such molecules, much less is known about their mechanical properties. To investigate the weak, non-covalent interactions that give rise to the mechanics of and between proteins, an instrument capable of resolving sub-nanometer displacements and piconewton forces is necessary. One of the most prominent biophysical tool with such capabilities is an optical tweezers. Optical tweezers is a non-invasive all-optical technique in which typically a dielectric microsphere is held by a tightly focused laser beam. This microsphere acts like a microscopic, three-dimensional spring and is used as a handle to study the biological molecule of interest. By interferometric detection methods, the resolution of optical tweezers can be in the picometer range on millisecond time scales. However, on a time scale of seconds—at which many biological reactions take place—instrumental noise such as thermal drift often limits the resolution to a few nanometers. Such a resolution is insufficient to resolve, for example, the ångstrom-level, stepwise translocation of DNA-binding enzymes corresponding to distances between single basepairs of their substrate. To reduce drift and noise, differential measurements, feedback-based drift stabilization techniques, and ‘levitated’ experiments have been developed. Such methods have the drawback of complicated and expensive experimental equipment often coupled to a reduced throughput of experiments due to a complex and serial assembly of the molecular components of the experiments. We developed a high-resolution optical tweezers apparatus capable of resolving distances on the ångstrom-level over a time range of milliseconds to 10s of seconds in surface-coupled assays. Surface-coupled assays allow for a higher throughput because the molecular components are assembled in a parallel fashion on many probes. The high resolution was a collective result of a number of simple, easy-to-implement, and cost-efficient noise reduction solutions. In particular, we reduced thermal drift by implementing a temperature feedback system with millikelvin precision—a convenient solution for biological experiments since it minimizes drift in addition to enabling the control and stabilization of the experiment’s temperature. Furthermore, we found that expanding the laser beam to a size smaller than the objective’s exit pupil optimized the amount of laser power utilized in generating the trapping forces. With lower powers, biological samples are less susceptible to photo-damage or, vice versa, with the same laser power, higher trapping forces can be achieved. With motorized and automated procedures, our instrument is optimized for high-resolution, high-throughput surface-coupled experiments probing the mechanics of individual biomolecules. In the future, the combination of this setup with single-molecule fluorescence, super-resolution microscopy or torque detection will open up new possibilities for investigating the nanomechanics of biomolecules.

Die vorliegend Arbeit beinhaltet die Analyse des thermischen Empfinden in offenen Räumen, in der Stadt Torres, RS, durch den Vergleich von Daten, die mit der Anwendung spezifischer Werkzeuge über das Umwelt Verhalten gewonnen wurden. Die Wahl dieser Stadt als Gegenstand der Studie, basiert auf dem zunehmenden Prozeß von Verdichtung und Vertikalisierung seines zentralen Bereiches, im Verlauf der zeitlichen Anwendung der städtebaulich Gesetzgebung. Die Bereiche, die für Analyse ausgewählt wurden, sind drei Plätze, mit unterschiedlichen morphologischen Konfigurationen, wie Höhe und Dichte der Bebauung, die Ausführung der Gebäudeoberflächen und die Vegetation. Die praktische Vorortarbeit wurde im Februar 2006 durchgeführt, mit Bestandsaufnahmen, Messungen der Umweltfaktoren, Ausfüllen der Fragebögen und Beobachtung des Verhaltens. Die Daten über die Umwelt und das menschliche Verhalten wurden verwendet, um den Index des thermischen Komforts zu berechnen. Diese Daten wurden verglichen mit den Daten, die aus den Befragungen der Personen erhalten wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die berechneten Indizes nutzbar sind, um den thermischen Komfort von offenen Räumen einzuschätzen. Im Falle von der drei untersuchten Plätze ergab sich ein schlechter Komfort, der auf den Veränderungen der städtischen Bebauung beruht. Die Ergebnisse zeigen auch eine Diskrepanz zwischen den berechneten Indizes und dem Empfinden der Nutzer über die untersuchten Plätze. Es zeigt sich, dass das Mikroklima einen Einfluss auf den thermischen Komfort hat, aber dass auch Faktoren wie physische Anpassung und psychische Zustände wichtig für die unterschiedliche Bewertung des objektiven und subjektiven Komfort sind. / O presente trabalho trata da avaliação de conforto térmico de espaços públicos abertos, na cidade de Torres, RS, através da comparação de índices de conforto térmico com resultados advindos do uso de ferramentas específicas da área ambiente-comportamento. A escolha de Torres, como um estudo de caso, se dá em função do crescente processo de verticalização e densificação de sua área central, decorrentes da aplicação dos dispositivos legais das sucessivas legislações urbanísticas. As áreas escolhidas para análise são três praças, em zonas com diferentes configurações morfológicas, selecionadas em função de variáveis da forma urbana, como a altura e a densidade das edificações, a natureza das superfícies de revestimento e a presença de vegetação. Durante o mês de fevereiro de 2006 foi realizado trabalho de campo, nos três locais, através da aplicação de questionários, observações de comportamento e levantamentos físicos, incluindo medições de variáveis ambientais. Os dados sobre variáveis ambientais e humanas, coletados, foram utilizados para o cálculo dos índices de conforto térmico para espaços externos. Os valores calculados para estes índices, foram comparados com os dados provenientes da percepção dos usuários. Os resultados mostram a adequação de determinados índices para a avaliação de conforto térmico de espaços abertos, revelando condições de desconforto nas três praças investigadas, decorrentes das modificações da forma urbana nestas áreas. Os resultados também apontam uma discrepância entre os parâmetros indicados pelos índices e os níveis de agradabilidade e percepção dos usuários, em relação às praças. Observou-se que os parâmetros do microclima possuem alguma influência no conforto térmico, mas fatores de adaptação fisiológica e psicológica podem ser responsáveis pelas diferenças entre a avaliação de conforto objetiva e a subjetiva. / The present work deals with the evaluation of thermal comfort of open public spaces, in the city of Torres, RS, through the comparison of thermal comfort indices with results obtained from the use of specific methods from the environmental behavior area of studies. The choice of Torres, as a case study, is due to the increasing process of verticalization and densification of its central area, originated from the application of successive urban legislation. The areas chosen for analysis are three squares, in zones with different morphologic configurations, selected according to urban form variables such as building height and density, nature of the covering surfaces and the presence of vegetation. During February 2006, the fieldwork was carried out in the three places, through questionnaires, behavior observations, and physical measurements, including measurements of environmental variables. Data about environmental and human variables were used to calculate thermal comfort indices for outdoor spaces. These indices were compared with the data from users perceptions. The results show the adequacy of some indices for the evaluation of thermal comfort of open spaces, revealing conditions of thermal discomfort in the three investigated squares, as a consequence of urban form modifications in these areas. The results also reveal a discrepancy between the parameters indicated by the indices and the levels of users perception and pleasantness in relation to the squares. It is observed that the microclimate parameters have some influence on thermal comfort, but that the psychological and the physiological adaptation factors can be responsible for the differences between the objective evaluation of comfort and the subjective one.

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