Lagrangian approximations and weak solutions of the Navier-Stokes equations

The motion of a viscous incompressible fluid flow in bounded domains with a smooth boundary can be described by the nonlinear Navier-Stokes equations. This description corresponds to the so-called Eulerian approach. We develop a new approximation method for the Navier-Stokes equations in both the stationary and the non-stationary case by a suitable coupling of the Eulerian and the Lagrangian representation of the flow, where the latter is defined by the trajectories of the particles of the fluid. The method leads to a sequence of uniquely determined approximate solutions with a high degree of regularity containing a convergent subsequence with limit function v such that v is a weak solution of the Navier-Stokes equations.

The Navier-Stokes Equations with Particle Methods

The non-stationary nonlinear Navier-Stokes equations describe the motion of a viscous incompressible fluid flow for 0regularity. Moreover we prove that the system of approximate solutions has an accumulation point satisfying the Navier-Stokes equations in a weak sense.

Numerical Methods for Non-Stationary Stokes Flow

We consider a first order implicit time stepping procedure (Euler scheme) for the non-stationary Stokes equations in smoothly bounded domains of R3. Using energy estimates we can prove optimal convergence properties in the Sobolev spaces Hm(G) (m = 0;1;2) uniformly in time, provided that the solution of the Stokes equations has a certain degree of regularity. For the solution of the resulting Stokes resolvent boundary value problems we use a representation in form of hydrodynamical volume and boundary layer potentials, where the unknown source densities of the latter can be determined from uniquely solvable boundary integral equations’ systems. For the numerical computation of the potentials and the solution of the boundary integral equations a boundary element method of collocation type is used. Some simulations of a model problem are carried out and illustrate the efficiency of the method.

Synthese von Azobenzolderivaten zur Darstellung photoschaltbarer, selbstorganisierter Monolagen

Im Vordergrund dieser Arbeit stehen die Synthesen des Azobenzol-4-trichlorsilans sowie des Bis(4-azobenzol)disulfids, ausgehend von einfachen und kommerziell erhältlichen Verbindungen. Moleküle, aus denen sich diese Verbindungen synthetisieren lassen, sind die Iodderivate des Azobenzols, welche über die Kondensation von Benzolaminen (Anilinen) und Nitrosobenzolen dargestellt wurden, aber auch über die altbewährte Azokupplung. Insgesamt wurden 19 neue Azobenzolderivate, das neue [(4-Aminophenyl)ethinyl]ferrocen und das neue Bis[4-(4'-bromazobenzol)]disulfid synthetisiert und charakterisiert. Außerdem wurden 13 neue Kristallstrukturen erzeugt. Mit den synthetisierten Molekülen wurden Substrat-Adsorbat-Systeme gebildet. Als Substrate wurden oberflächenoxidiertes Silizium und Gold gewählt. Die Präparation dieser sogennanten selbstorganisierten Monolagen (SAMs) bzw. der kovalent gebundenen Monolagen im Falle der Trichlorsilylderivate (CAMs) wurde eingehend studiert. Das Azobenzol wurde als photoschaltbare Einheit gewählt, da es bereits Kern zahlreicher Untersuchungen war und als solcher als guter und zuverlässiger Baustein für reversible photoschaltbare Systeme etabliert ist. Zur Charakterisierung Schichten und zur Untersuchung ihres photoresponsiven Verhaltens sowie sowie zur Untersuchung der Schichtbildung selbst wurden mehrere physikalische Messmethoden angewandt. Die Schichtbildung wurde mit SHG (optische Frequenzverdopplung) verfolgt, die fertigen Schichten wurden mit XPS (Röntgen-Photonen-Spektroskopie) und NEXAFS (Nahkanten-Röntgen-Absorptions-Feinstruktur) untersucht, um Orientierung und Ordnung der Moleküle in der Schicht zu ermitteln. Das Schaltverhalten wurde mit Ellipsometrie und durch Messungen des Wasserkontaktwinkels beobachtet. Durch Variation der Endgruppe des Azobenzols ist es möglich, die Oberflächeneigenschaften einstellen gezielt zu können, wie Hydrophobie, Hydrophilie, Komplexierungsverhalten oder elektrische Schaltbarkeit. Dies gelingt durch Gruppen wie N,N-Dimethylamino-, Methoxy-, Ethoxy-, Octyloxy-, Dodecyloxy-, Benzyloxy-, Methyl-, Trifluormethyl-, Pyridyl-, Phenylethinyl- und Ferrocenyl-Restgruppen, um nur eine Auswahl zu nennen. Einerseits wurde Silizium als Substrat gewählt, da es wegen seiner Verwendung in der Halbleiterindustrie ein nicht uninteressantes Substrat darstell und die Möglichkeiten der kovalenten Anbindung von Trichlorsilanen aber auch Trialkoxysilanen auch gut untersucht ist. Andererseits wurden auch Untersuchungen mit Gold als Substrat angestellt, bei dem Thiole und Disulfide die bevorzugten Ankergruppen bilden. Während sich auf Gold sogenannte SAMs bilden, verleiht die kovalente Siloxanbindung den CAMs auf Silizium eine besondere Stabilität.

Nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden für lineare und quasilineare (monotone und nichtmonotone) Probleme

In dieser Arbeit werden nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden einerseits hinsichtlich der zu lösenden Problemklassen verallgemeinert und andererseits in bisher nicht untersuchten Kontexten betrachtet. Dabei stehen funktionalanalytische Untersuchungen zur Wohldefiniertheit, eindeutigen Lösbarkeit und Konvergenz im Vordergrund. Im ersten Teil werden lineare elliptische Dirichlet-Randwertprobleme behandelt, wobei neben Problemen mit dominantem Hauptteil auch solche mit singulärer Störung desselben, wie konvektions- oder reaktionsdominante Probleme zugelassen sind. Der zweite Teil befasst sich mit (gleichmäßig) monotonen koerziven quasilinearen elliptischen Dirichlet-Randwertproblemen. In beiden Fällen wird das Lipschitz-Gebiet in endlich viele Lipschitz-Teilgebiete zerlegt, wobei insbesondere Kreuzungspunkte und Teilgebiete ohne Außenrand zugelassen sind. Anschließend werden Transmissionsprobleme mit frei wählbaren $L^{\infty}$-Parameterfunktionen hergeleitet, wobei die Konormalenableitungen als Funktionale auf geeigneten Funktionenräumen über den Teilrändern ($H_{00}^{1/2}(\Gamma)$) interpretiert werden. Die iterative Lösung dieser Transmissionsprobleme mit einem Ansatz von Deng führt auf eine Substrukturierungsmethode mit Robin-artigen Transmissionsbedingungen, bei der eine Auswertung der Konormalenableitungen aufgrund einer geschickten Aufdatierung der Robin-Daten nicht notwendig ist (insbesondere ist die bekannte Robin-Robin-Methode von Lions als Spezialfall enthalten). Die Konvergenz bezüglich einer partitionierten $H^1$-Norm wird für beide Problemklassen gezeigt. Dabei werden keine über $H^1$ hinausgehende Regularitätsforderungen an die Lösungen gestellt und die Gebiete müssen keine zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen erfüllen. Im letzten Kapitel werden nichtmonotone koerzive quasilineare Probleme untersucht, wobei das Zugrunde liegende Gebiet nur in zwei Lipschitz-Teilgebiete zerlegt sein soll. Das zugehörige nichtlineare Transmissionsproblem wird durch Kirchhoff-Transformation in lineare Teilprobleme mit nichtlinearen Kopplungsbedingungen überführt. Ein optimierungsbasierter Lösungsansatz, welcher einen geeigneten Abstand der rücktransformierten Dirichlet-Daten der linearen Teilprobleme auf den Teilrändern minimiert, führt auf ein optimales Kontrollproblem. Die dabei entstehenden regularisierten freien Minimierungsprobleme werden mit Hilfe eines Gradientenverfahrens unter minimalen Glattheitsforderungen an die Nichtlinearitäten gelöst. Unter zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen an die Nichtlinearitäten und weiteren technischen Voraussetzungen an die Lösung des quasilinearen Ausgangsproblems, kann zudem die quadratische Konvergenz des Newton-Verfahrens gesichert werden.

Regional Labor Market Disparities

Regionale Arbeitsmärkte unterscheiden sich erheblich hinsichtlich wesentlicher Kennzahlen wie der Arbeitslosenquote, des Lohnniveaus oder der Beschäftigungsentwicklung. Wegen ihrer Persistenz sind diese Unterschiede von hoher Relevanz für die Politik. Die wirtschaftswissenschaftliche Literatur liefert bereits theoretische Modelle für die Analyse regionaler Arbeitsmärkte. In der Regel sind diese Modelle aber nicht dazu geeignet, regionale Arbeitsmarktunterschiede endogen zu erklären. Das bedeutet, dass sich die Unterschiede regionaler Arbeitsmärkte in der Regel nicht aus den Modellzusammenhängen selbst ergeben, sondern „von außen“ eingebracht werden müssen. Die empirische Literatur liefert Hinweise, dass die Unterschiede zwischen regionalen Arbeitsmärkten auf die Höhe der regionalen Arbeitsnachfrage zurückzuführen sind. Die Arbeitsnachfrage wiederum leitet sich aus den Gütermärkten ab: Es hängt von der Entwicklung der regionalen Gütermärkte ab, wie viele Arbeitskräfte benötigt werden. Daraus folgt, dass die Ursachen für Unterschiede regionaler Arbeitsmärkte in den Unterschieden zwischen den regionalen Gütermärkten zu suchen sind. Letztere werden durch die Literatur zur Neuen Ökonomischen Geographie (NÖG) untersucht. Die Literatur zur NÖG erklärt Unterschiede regionaler Gütermärkte, indem sie zentripetale und zentrifugale Kräfte gegenüberstellt. Zentripetale Kräfte sind solche, welche hin zur Agglomeration ökonomischer Aktivität wirken. Im Zentrum dieser Diskussion steht vor allem das Marktpotenzial: Unternehmen siedeln sich bevorzugt an solchen Standorten an, welche nahe an großen Märkten liegen. Erwerbspersonen wiederum bevorzugen solche Regionen, welche ihnen entsprechende Erwerbsaussichten bieten. Beides zusammen bildet einen sich selbst verstärkenden Prozess, der zur Agglomeration ökonomischer Aktivität führt. Dem stehen jedoch zentrifugale Kräfte gegenüber, welche eine gleichmäßigere Verteilung ökonomischer Aktivität bewirken. Diese entstehen beispielsweise durch immobile Produktionsfaktoren oder Ballungskosten wie etwa Umweltverschmutzung, Staus oder hohe Mietpreise. Sind die zentripetalen Kräfte hinreichend stark, so bilden sich Zentren heraus, in denen sich die ökonomische Aktivität konzentriert, während die Peripherie ausdünnt. In welchem Ausmaß dies geschieht, hängt von dem Verhältnis beider Kräfte ab. Üblicherweise konzentriert sich die Literatur zur NÖG auf Unterschiede zwischen regionalen Gütermärkten und geht von der Annahme perfekter Arbeitsmärkte ohne Arbeitslosigkeit aus. Die Entstehung und Persistenz regionaler Arbeitsmarktunterschiede kann die NÖG daher üblicherweise nicht erklären. An dieser Stelle setzt die Dissertation an. Sie erweitert die NÖG um Friktionen auf dem Arbeitsmarkt, um die Entstehung und Persistenz regionaler Arbeitsmarktunterschiede zu erklären. Sie greift dazu auf eine empirische Regelmäßigkeit zurück: Zahlreiche Studien belegen einen negativen Zusammenhang zwischen Lohn und Arbeitslosigkeit. In Regionen, in denen die Arbeitslosigkeit hoch ist, ist das Lohnniveau gering und umgekehrt. Dieser Zusammenhang wird als Lohnkurve bezeichnet. Auf regionaler Ebene lässt sich die Lohnkurve mithilfe der Effizienzlohntheorie erklären, die als theoretische Grundlage in der Dissertation Anwendung findet. Konzentriert sich nun die ökonomische Aktivität aufgrund der zentripetalen Kräfte in einer Region, so ist in diesem Zentrum die Arbeitsnachfrage höher. Damit befindet sich das Zentrum auf einer günstigen Position der Lohnkurve mit geringer Arbeitslosigkeit und hohem Lohnniveau. Umgekehrt findet sich die Peripherie auf einer ungünstigen Position mit hoher Arbeitslosigkeit und geringem Lohnniveau wieder. Allerdings kann sich die Lohnkurve in Abhängigkeit des Agglomerationsgrades verschieben. Das komplexe Zusammenspiel der endogenen Agglomeration mit den Arbeitsmarktfriktionen kann dann unterschiedliche Muster regionaler Arbeitsmarktdisparitäten hervorrufen. Die Dissertation zeigt auf, wie im Zusammenspiel der NÖG mit Effizienzlöhnen regionale Arbeitsmarktdisparitäten hervorgerufen werden. Es werden theoretische Modelle formuliert, die diese Interaktionen erklären und welche die bestehende Literatur durch spezifische Beiträge erweitern. Darüber hinaus werden die zentralen Argumente der Theorie einem empirischen Test unterworfen. Es kann gezeigt werden, dass das zentrale Argument – der positive Effekt des Marktpotentials auf die Arbeitsnachfrage – relevant ist. Außerdem werden Politikimplikationen abgeleitet und der weitere Forschungsbedarf aufgezeigt.

Time Discretization of the SST-generalized Navier-Stokes Equations: Positive and Negative Results

In the theory of the Navier-Stokes equations, the proofs of some basic known results, like for example the uniqueness of solutions to the stationary Navier-Stokes equations under smallness assumptions on the data or the stability of certain time discretization schemes, actually only use a small range of properties and are therefore valid in a more general context. This observation leads us to introduce the concept of SST spaces, a generalization of the functional setting for the Navier-Stokes equations. It allows us to prove (by means of counterexamples) that several uniqueness and stability conjectures that are still open in the case of the Navier-Stokes equations have a negative answer in the larger class of SST spaces, thereby showing that proof strategies used for a number of classical results are not sufficient to affirmatively answer these open questions. More precisely, in the larger class of SST spaces, non-uniqueness phenomena can be observed for the implicit Euler scheme, for two nonlinear versions of the Crank-Nicolson scheme, for the fractional step theta scheme, and for the SST-generalized stationary Navier-Stokes equations. As far as stability is concerned, a linear version of the Euler scheme, a nonlinear version of the Crank-Nicolson scheme, and the fractional step theta scheme turn out to be non-stable in the class of SST spaces. The positive results established in this thesis include the generalization of classical uniqueness and stability results to SST spaces, the uniqueness of solutions (under smallness assumptions) to two nonlinear versions of the Euler scheme, two nonlinear versions of the Crank-Nicolson scheme, and the fractional step theta scheme for general SST spaces, the second order convergence of a version of the Crank-Nicolson scheme, and a new proof of the first order convergence of the implicit Euler scheme for the Navier-Stokes equations. For each convergence result, we provide conditions on the data that guarantee the existence of nonstationary solutions satisfying the regularity assumptions needed for the corresponding convergence theorem. In the case of the Crank-Nicolson scheme, this involves a compatibility condition at the corner of the space-time cylinder, which can be satisfied via a suitable prescription of the initial acceleration.