The Navier-Stokes Equations with Particle Methods

The non-stationary nonlinear Navier-Stokes equations describe the motion of a viscous incompressible fluid flow for 0particle method to develop a system of approximate equations. We show that this system can be solved uniquely and globally in time and that its solution has a high degree of spatial regularity. Moreover we prove that the system of approximate solutions has an accumulation point satisfying the Navier-Stokes equations in a weak sense.

Influence of occupation number of single particle levels on K - K charge transfer in collisions of 90 keV - Ne{^9+} on Ne

The influence of the occupation of the single particle levels on the impact parameter dependent K - K charge transfer occuring in collisions of 90 keV Ne{^9+} on Ne was studied using coupled channel calculations. The energy eigenvalues and matrixelements for the single particle levels were taken from ab initio self consistent MO-LCAO-DIRAC-FOCK-SLATER calculations with occupation numbers corresponding to the single particle amplitudes given by the coupled channel calculations.

Effects of Different Feeding Regimes on the Digestibility and Faecal Excretion of Nitrogen, Soluble Carbohydrates and Fibre Fractions in Water Buffaloes kept under Subtropical Conditions

In the course of the ‘Livestock Revolution’, extension and intensification of, among others, ruminant livestock production systems are current phenomena, with all their positive and negative side effects. Manure, one of the inevitable secondary products of livestock rearing, is a valuable source of plant nutrients and its skillful recycling to the soil-plant interface is essential for soil fertility, nutrient - and especially phosphorus - uses efficiency and the preservation or re-establishment of environmentally sustainable farming systems, for which organic farming systems are exemplarily. Against this background, the PhD research project presented here, which was embedded in the DFG-funded Research Training Group 1397 ‘Regulation of soil organic matter and nutrient turnover in organic agriculture ’ investigated possibilities to manipulate the diets of water buffalo (Bubalus bubalis L.) so as to produce manure of desired quality for organic vegetable production, without affecting the productivity of the animals used. Consisting of two major parts, the first study (chapter 2) tested the effects of diets differing in their ratios of carbon (C) to nitrogen (N) and of structural to non-structural carbohydrates on the quality of buffalo manure under subtropical conditions in Sohar, Sultanate of Oman. To this end, two trials were conducted with twelve water buffalo heifers each, using a full Latin Square design. One control and four tests diets were examined during three subsequent 7 day experimental periods preceded each by 21 days adaptation. Diets consisted of varying proportions of Rhodes grass hay, soybean meal, wheat bran, maize, dates, and a commercial concentrate to achieve a (1) high C/N and high NDF (neutral detergent fibre)/SC (soluble carbohydrate) ratio (HH), (2) low C/N and low NDF/SC ratio (LL); (3) high C/N and low NDF/SC ratio (HL) and (4) low C/N and high NDF/SC (LH) ratio. Effects of these diets, which were offered at 1.45 times maintenance requirements of metabolizable energy, and of individual diet characteristics, respectively, on the amount and quality of faeces excreted were determined and statistically analysed. The faeces produced from diets HH and LL were further tested in a companion PhD study (Mr. K. Siegfried) concerning their nutrient release in field experiments with radish and cabbage. The second study (chapter 3) focused on the effects of the above-described experimental diets on the rate of passage of feed particles through the gastrointestinal tract of four randomly chosen animals per treatment. To this end, an oral pulse dose of 683 mg fibre particles per kg live weight marked with Ytterbium (Yb; 14.5 mg Yb g-1 organic matter) was dosed at the start of the 7 day experimental period which followed 21 days of adaptation. During the first two days a sample for Yb determination was kept from each faecal excretion, during days 3 – 7 faecal samples were kept from the first morning and the first evening defecation only. Particle passage was modelled using a one-compartment age-dependent Gamma-2 model. In both studies individual feed intake and faecal excretion were quantified throughout the experimental periods and representative samples of feeds and faeces were subjected to proximate analysis following standard protocols. In the first study the organic matter (OM) intake and excretion of LL and LH buffaloes were significantly lower than of HH and HL animals, respectively. Digestibility of N was highest in LH (88%) and lowest in HH (74%). While NDF digestibility was also highest in LH (85%) it was lowest in LL (78%). Faecal N concentration was positively correlated (P≤0.001) with N intake, and was significantly higher in faeces excreted by LL than by HH animals. Concentrations of fibre and starch in faecal OM were positively affected by the respective dietary concentrations, with NDF being highest in HH (77%) and lowest in LL (63%). The faecal C/N ratio was positively related (P≤0.001) to NDF intake; C/N ratios were 12 and 7 for HH and LL (P≤0.001), while values for HL and LH were 11.5 and 10.6 (P>0.05). The results from the second study showed that dietary N concentration was positively affecting faecal N concentration (P≤0.001), while there was a negative correlation with the faecal concentration of NDF (P≤0.05) and the faecal ratios of NDF/N and C/N (P≤0.001). Particle passage through the mixing compartment was lower (P≤0.05) for HL (0.033 h-1) than for LL (0.043 h-1) animals, while values of 0.034 h-1 and 0.038 h-1 were obtained for groups LH and HH. At 55.4 h, total tract mean retention time was significantly (P≤0.05) lower in group LL that in all other groups where these values varied between 71 h (HH) and 79 h (HL); this was probably due to the high dietary N concentration of diet LL which was negatively correlated with time of first marker appearance in faeces (r= 0.84, P≤0.001), while the dietary C concentration was negatively correlated with particle passage through the mixing compartment (r= 0.57, P≤0.05). The results suggest that manure quality of river buffalo heifers can be considerably influenced by diet composition. Despite the reportedly high fibre digestion capacity of buffalo, digestive processes did not suppress the expression of diet characteristics in the faeces. This is important when aiming at producing a specific manure quality for fertilization purposes in (organic) crop cultivation. Although there was a strong correlation between the ingestion and the faecal excretion of nitrogen, the correlation between diet and faecal C/N ratio was weak. To impact on manure mineralization, the dietary NDF and N concentrations seem to be the key control points, but modulating effects are achieved by the inclusion of starch into the diet. Within the boundaries defined by the animals’ metabolic and (re)productive requirements for energy and nutrients, diet formulation may thus take into account the abiotically and biotically determined manure turnover processes in the soil and the nutrient requirements of the crops to which the manure is applied, so as to increase nutrient use efficiency along the continuum of the feed, the animal, the soil and the crop in (organic) farming systems.

Analyse selbsterregter Strömungsfelder im Verdichter-Leitrad durch Kopplung von Particle Image Velocimetry und Hitzdrahtanemometrie mittels Fast Fourier Transformation

Der Einsatz der Particle Image Velocimetry (PIV) zur Analyse selbsterregter Strömungsphänomene und das dafür notwendige Auswerteverfahren werden in dieser Arbeit beschrieben. Zur Untersuchung von solchen Mechanismen, die in Turbo-Verdichtern als Rotierende Instabilitäten in Erscheinung treten, wird auf Datensätze zurückgegriffen, die anhand experimenteller Untersuchungen an einem ringförmigen Verdichter-Leitrad gewonnen wurden. Die Rotierenden Instabilitäten sind zeitabhängige Strömungsphänomene, die bei hohen aerodynamischen Belastungen in Verdichtergittern auftreten können. Aufgrund der fehlenden Phaseninformation kann diese instationäre Strömung mit konventionellen PIV-Systemen nicht erfasst werden. Die Kármánsche Wirbelstraße und Rotierende Instabilitäten stellen beide selbsterregte Strömungsvorgänge dar. Die Ähnlichkeit wird genutzt um die Funktionalität des Verfahrens anhand der Kármánschen Wirbelstraße nachzuweisen. Der mittels PIV zu visualisierende Wirbeltransport erfordert ein besonderes Verfahren, da ein externes Signal zur Festlegung des Phasenwinkels dieser selbsterregten Strömung nicht zur Verfügung steht. Die Methodik basiert auf der Kopplung der PIV-Technik mit der Hitzdrahtanemometrie. Die gleichzeitige Messung mittels einer zeitlich hochaufgelösten Hitzdraht-Messung ermöglicht den Zeitpunkten der PIV-Bilder einen Phasenwinkel zuzuordnen. Hierzu wird das Hitzdrahtsignal mit einem FFT-Verfahren analysiert, um die PIV-Bilder entsprechend ihrer Phasenwinkel zu gruppieren. Dafür werden die aufgenommenen Bilder auf der Zeitachse der Hitzdrahtmessungen markiert. Eine systematische Analyse des Hitzdrahtsignals in der Umgebung der PIV-Messung liefert Daten zur Festlegung der Grundfrequenz und erlaubt es, der markierten PIV-Position einen Phasenwinkel zuzuordnen. Die sich aus den PIV-Bildern einer Klasse ergebenden Geschwindigkeitskomponenten werden anschließend gemittelt. Aus den resultierenden Bildern jeder Klasse ergibt sich das zweidimensionale zeitabhängige Geschwindigkeitsfeld, in dem die Wirbelwanderung der Kármánschen Wirbelstraße ersichtlich wird. In hierauf aufbauenden Untersuchungen werden Zeitsignale aus Messungen in einem Verdichterringgitter analysiert. Dabei zeigt sich, dass zusätzlich Filterfunktionen erforderlich sind. Im Ergebnis wird schließlich deutlich, dass die Übertragung der anhand der Kármánschen Wirbelstraße entwickelten Methode nur teilweise gelingt und weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind.

Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen

Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.