Théorème de Pleijel pour l'oscillateur harmonique quantique

L'objectif de ce mémoire est de démontrer certaines propriétés géométriques des fonctions propres de l'oscillateur harmonique quantique. Nous étudierons les domaines nodaux, c'est-à-dire les composantes connexes du complément de l'ensemble nodal. Supposons que les valeurs propres ont été ordonnées en ordre croissant. Selon un théorème fondamental dû à Courant, une fonction propre associée à la $n$-ième valeur propre ne peut avoir plus de $n$ domaines nodaux. Ce résultat a été prouvé initialement pour le laplacien de Dirichlet sur un domaine borné mais il est aussi vrai pour l'oscillateur harmonique quantique isotrope. Le théorème a été amélioré par Pleijel en 1956 pour le laplacien de Dirichlet. En effet, on peut donner un résultat asymptotique plus fort pour le nombre de domaines nodaux lorsque les valeurs propres tendent vers l'infini. Dans ce mémoire, nous prouvons un résultat du même type pour l'oscillateur harmonique quantique isotrope. Pour ce faire, nous utiliserons une combinaison d'outils classiques de la géométrie spectrale (dont certains ont été utilisés dans la preuve originale de Pleijel) et de plusieurs nouvelles idées, notamment l'application de certaines techniques tirées de la géométrie algébrique et l'étude des domaines nodaux non-bornés.

Géométrie nodale et valeurs propres de l’opérateur de Laplace et du p-laplacien

La présente thèse porte sur différentes questions émanant de la géométrie spectrale. Ce domaine des mathématiques fondamentales a pour objet d'établir des liens entre la géométrie et le spectre d'une variété riemannienne. Le spectre d'une variété compacte fermée M munie d'une métrique riemannienne $g$ associée à l'opérateur de Laplace-Beltrami est une suite de nombres non négatifs croissante qui tend vers l’infini. La racine carrée de ces derniers représente une fréquence de vibration de la variété. Cette thèse présente quatre articles touchant divers aspects de la géométrie spectrale. Le premier article, présenté au Chapitre 1 et intitulé « Superlevel sets and nodal extrema of Laplace eigenfunctions », porte sur la géométrie nodale d'opérateurs elliptiques. L’objectif de mes travaux a été de généraliser un résultat de L. Polterovich et de M. Sodin qui établit une borne sur la distribution des extrema nodaux sur une surface riemannienne pour une assez vaste classe de fonctions, incluant, entre autres, les fonctions propres associées à l'opérateur de Laplace-Beltrami. La preuve fournie par ces auteurs n'étant valable que pour les surfaces riemanniennes, je prouve dans ce chapitre une approche indépendante pour les fonctions propres de l’opérateur de Laplace-Beltrami dans le cas des variétés riemanniennes de dimension arbitraire. Les deuxième et troisième articles traitent d'un autre opérateur elliptique, le p-laplacien. Sa particularité réside dans le fait qu'il est non linéaire. Au Chapitre 2, l'article « Principal frequency of the p-laplacian and the inradius of Euclidean domains » se penche sur l'étude de bornes inférieures sur la première valeur propre du problème de Dirichlet du p-laplacien en termes du rayon inscrit d’un domaine euclidien. Plus particulièrement, je prouve que, si p est supérieur à la dimension du domaine, il est possible d'établir une borne inférieure sans aucune hypothèse sur la topologie de ce dernier. L'étude de telles bornes a fait l'objet de nombreux articles par des chercheurs connus, tels que W. K. Haymann, E. Lieb, R. Banuelos et T. Carroll, principalement pour le cas de l'opérateur de Laplace. L'adaptation de ce type de bornes au cas du p-laplacien est abordée dans mon troisième article, « Bounds on the Principal Frequency of the p-Laplacian », présenté au Chapitre 3 de cet ouvrage. Mon quatrième article, « Wolf-Keller theorem for Neumann Eigenvalues », est le fruit d'une collaboration avec Guillaume Roy-Fortin. Le thème central de ce travail gravite autour de l'optimisation de formes dans le contexte du problème aux valeurs limites de Neumann. Le résultat principal de cet article est que les valeurs propres de Neumann ne sont pas toujours maximisées par l'union disjointe de disques arbitraires pour les domaines planaires d'aire fixée. Le tout est présenté au Chapitre 4 de cette thèse.

Analytical Investigations 0n Collapse of Cylindrical Submarine Shells

Submarine hull structure is a watertight envelope, under hydrostatic pressure when in operation. Stiffened cylindrical shells constitute the major portion of these submarine hulls and these thin shells under compression are susceptible to buckling failure. Normally loss of stability occurs at the limit point rather than at the bifurcation point and the stability analysis has to consider the change in geometry at each load step. Hence geometric nonlinear analysis of the shell forms becomes. a necessity. External hydrostatic pressure will follow the deformed configuration of the shell and hence follower force effect has to be accounted for. Computer codes have been developed based on all-cubic axisymmetric cylindrical shell finite element and discrete ring stiffener element for linear elastic, linear buckling and geometric nonIinear analysis of stiffened cylindrical shells. These analysis programs have the capability to treat hydrostatic pressure as a radial load and as a follower force. Analytical investigations are carried out on two attack submarine cylindrical hull models besides standard benchmark problems. In each case, the analysis has been carried out for interstiffener, interdeepframe and interbulkhead configurations. The shell stiffener attachment in each of this configuration has been represented by the simply supported-simply supported, clamped-clamped and fixed-fixed boundary conditions in this study. The results of the analytical investigations have been discussed and the observations and conclusions are described. Rotation restraint at the ends is influential for interstiffener and interbulkhead configurations and the significance of axial restraint becomes predominant in the interbulkhead configuration. The follower force effect of hydrostatic pressure is not significant in interstiffener and interdeepframe configurations where as it has very high detrimental effect on buckling pressure on interbulkhead configuration. The geometric nonlinear interbulkhead analysis incorporating follower force effect gives the critical value of buckling pressure and this analysis is recommended for the determination of collapse pressure of stiffened cylindrical submarine shells.

Investigations on Structural response of Water Backed Perforated plates

The study envisaged herein contains the numerical investigations on Perforated Plate (PP) as well as numerical and experimental investigations on Perforated Plate with Lining (PPL) which has a variety of applications in underwater engineering especially related to defence applications. Finite element method has been adopted as the tool for analysis of PP and PPL. The commercial software ANSYS has been used for static and free vibration response evaluation, whereas ANSYS LS-DYNA has been used for shock analysis. SHELL63, SHELL93, SOLID45, SOLSH190, BEAM188 and FLUID30 finite elements available in the ANSYS library as well as SHELL193 and SOLID194 available in the ANSYS LS-DYNA library have been made use of. Unit cell of the PP and PPL which is a miniature of the original plate with 16 perforations have been used. Based upon the convergence characteristics, the utility of SHELL63 element for the analysis of PP and PPL, and the required mesh density are brought out. The effect of perforation, geometry and orientation of perforation, boundary conditions and lining plate are investigated for various configurations. Stress concentration and deflection factor are also studied. Based on these investigations, stadium geometry perforation with horizontal orientation is recommended for further analysis.Linear and nonlinear static analysis of PP and PPL subjected to unit normal pressure has been carried out besides the free vibration analysis. Shock analysis has also been carried out on these structural components. The analytical model measures 0.9m x 0.9m with stiffener of 0.3m interval. The influence of finite element, boundary conditions, and lining plate on linear static response has been estimated and presented. Comparison of behavior of PP and PPL in the nonlinear strain regime has been made using geometric nonlinear analysis. Free vibration analysis of the PP and PPL has been carried out ‘in vacuum’ condition and in water backed condition, and the influence of water backed condition and effect of perforation on natural frequency have been investigated.Based upon the studies on the vibration characteristics of NPP, PP and PPL in water backed condition and ‘in vacuum’ condition, the reduction in the natural frequency of the plate in immersed condition has been rightly brought out. The necessity to introduce the effect of water medium in the analysis of water backed underwater structure has been highlighted.Shock analysis of PP and PPL for three explosives viz., PEK, TNT and C4 has been carried out and deflection and stresses on plate as well as free field pressure have been estimated using ANSYS LS-DYNA. The effect of perforations and the effect of lining plate have been predicted. Experimental investigations of the measurement of free field pressure using PPL have been conducted in a shock tank. Free field pressure has been measured and has been validated with finite element analysis results. Besides, an experiment has been carried out on PPL, for the comparison of the static deflection predicted by finite element analysis.The distribution of the free field pressure and the estimation of differential pressure from experimentation and the provision for treating the differential pressure as the resistance, as a part of the design load for PPL, has been brought out.

Finite Element Analysis of Warship Structures

Warships are generally sleek, slender with V shaped sections and block coefficient below 0.5, compared to fuller forms and higher values for commercial ships. They normally operate in the higher Froude number regime, and the hydrodynamic design is primarily aimed at achieving higher speeds with the minimum power. Therefore the structural design and analysis methods are different from those for commercial ships. Certain design guidelines have been given in documents like Naval Engineering Standards and one of the new developments in this regard is the introduction of classification society rules for the design of warships.The marine environment imposes subjective and objective uncertainties on ship structure. The uncertainties in loads, material properties etc.,. make reliable predictions of ship structural response a difficult task. Strength, stiffness and durability criteria for warship structures can be established by investigations on elastic analysis, ultimate strength analysis and reliability analysis. For analysis of complicated warship structures, special means and valid approximations are required.Preliminary structural design of a frigate size ship has been carried out . A finite element model of the hold model, representative of the complexities in the geometric configuration has been created using the finite element software NISA. Two other models representing the geometry to a limited extent also have been created —- one with two transverse frames and the attached plating alongwith the longitudinal members and the other representing the plating and longitudinal stiffeners between two transverse frames. Linear static analysis of the three models have been carried out and each one with three different boundary conditions. The structural responses have been checked for deflections and stresses against the permissible values. The structure has been found adequate in all the cases. The stresses and deflections predicted by the frame model are comparable with those of the hold model. But no such comparison has been realized for the interstiffener plating model with the other two models.Progressive collapse analyses of the models have been conducted for the three boundary conditions, considering geometric nonlinearity and then combined geometric and material nonlinearity for the hold and the frame models. von Mises — lllyushin yield criteria with elastic-perfectly plastic stress-strain curve has been chosen. ln each case, P-Delta curves have been generated and the ultimate load causing failure (ultimate load factor) has been identified as a multiple of the design load specified by NES.Reliability analysis of the hull module under combined geometric and material nonlinearities have been conducted. The Young's Modulus and the shell thickness have been chosen as the variables. Randomly generated values have been used in the analysis. First Order Second Moment has been used to predict the reliability index and thereafter, the probability of failure. The values have been compared against standard values published in literature.

Creation and Annihilation of Fluxons in ac‐driven Semi-annular Josephson Junction

A new geometry (semiannular) for Josephson junction has been proposed and theoretical studies have shown that the new geometry is useful for electronic applications [1, 2]. In this work we study the voltage‐current response of the junction with a periodic modulation. The fluxon experiences an oscillating potential in the presence of the ac‐bias which increases the depinning current value. We show that in a system with periodic boundary conditions, average progressive motion of fluxon commences after the amplitude of the ac drive exceeds a certain threshold value. The analytic studies are justified by simulating the equation using finite‐difference method. We observe creation and annihilation of fluxons in semiannular Josephson junction with an ac‐bias in the presence of an external magnetic field.

Thermohaline variability in the upper layers of the Arabian Sea

The Arabian Sea is an area of complex air-sea interaction processes with seasonal reversing monsoons. The associated thermohaline variability in the upper layers appears to control the large scale monsoon flow which is not yet completely understood. The variability in the thermohaline fields is known to occur in temporal domain ranging from intra-diurnal to inter-annual time scales and on spatial domains of few tens of kilometers to few thousands of kilometers. In the Arabian Sea though the surface temperature was routinely measured by both conventional measurements and satellites, the corresponding information on the subsurface thermohaline field is very sparse due to the lack cw adequate measurements. In such cases the numerical models offer promise in providing information on the subsurface features given an initial thermohaline field and surface heat flux boundary conditions. This thesis is an outcome of investigations carried out on the various aspects of the thermohaline variability on different time scales. In addition to the description of the mean annual cycle. the one dimensional numerical models of Miller (1976) and Price et a1 (1986) are utilised to simulate the observed mixed layer characteristics at selected locations in the Arabian Sea on time scales ranging from intra-diurnal to synoptic scales under variable atmospheric forcing.

Relativistic Thomas-Fermi description of collective modes in droplets of nuclear matter

Isoscalar collective modes in a relativistic meson-nucleon system are investigated in the framework of the time-dependent Thomas-Fermi method. The energies of the collective modes are determined by solving consistently the dispersion relations and the boundary conditions. The energy weighted sum rule satisfied by the models considered allows the identification of the giant resonances. The percentage of the energy weighted sum rule exhausted by the collective modes is in agreement with experimental data, but the agreement with the energy of the modes depends on the model considered.

Strength Predictions of Hat Stiffened Plate

Hat Stiffened Plates are used in composite ships and are gaining popularity in metallic ship construction due to its high strength-to-weight ratio. Light weight structures will result in greater payload, higher speeds, reduced fuel consumption and environmental emissions. Numerical Investigations have been carried out using the commercial Finite Element software ANSYS 12 to substantiate the high strength-to-weight ratio of Hat Stiffened Plates over other open section stiffeners which are commonly used in ship building. Analysis of stiffened plate has always been a matter of concern for the structural engineers since it has been rather difficult to quantify the actual load sharing between stiffeners and plating. Finite Element Method has been accepted as an efficient tool for the analysis of stiffened plated structure. Best results using the Finite Element Method for the analysis of thin plated structures are obtained when both the stiffeners and the plate are modeled using thin plate elements having six degrees of freedom per node. However, one serious problem encountered with this design and analysis process is that the generation of the finite element models for a complex configuration is time consuming and laborious. In order to overcome these difficulties two different methods viz., Orthotropic Plate Model and Superelement for Hat Stiffened Plate have been suggested in the present work. In the Orthotropic Plate Model geometric orthotropy is converted to material orthotropy i.e., the stiffeners are smeared and they vanish from the field of analysis and the structure can be analysed using any commercial Finite Element software which has orthotropic elements in its element library. The Orthotropic Plate Model developed has predicted deflection, stress and linear buckling load with sufficiently good accuracy in the case of all four edges simply supported boundary condition. Whereas, in the case of two edges fixed and other two edges simply supported boundary condition even though the stress has been predicted with good accuracy there has been large variation in the deflection predicted. This variation in the deflection predicted is because, for the Orthotropic Plate Model the rigidity is uniform throughout the plate whereas in the actual Hat Stiffened Plate the rigidity along the line of attachment of the stiffeners to the plate is large as compared to the unsupported portion of the plate. The Superelement technique is a method of treating a portion of the structure as if it were a single element even though it is made up of many individual elements. The Superelement has predicted the deflection and in-plane stress of Hat Stiffened Plate with sufficiently good accuracy for different boundary conditions. Formulation of Superelement for composite Hat Stiffened Plate has also been presented in the thesis. The capability of Orthotropic Plate Model and Superelement to handle typical boundary conditions and characteristic loads in a ship structure has been demonstrated through numerical investigations.

Randzonenveränderung beim Bohren und ihre Auswirkung auf Folgebearbeitungsverfahren

In der Praxis kommt es bei der spanenden Bearbeitung immer wieder zu großen Standwegunterschieden identischer Werkzeuge bei vordergründig identischen Bearbeitungsrandbedingungen. Insbesondere bei Fertigungsschritten, die das Bohren als Vorbearbeitung erfordern, kommt es gelegentlich zu atypischen Verschleißerscheinungen, die auf das Entstehen einer Neuhärtezone an der Werkstückoberfläche beim Bohren zurückgeführt werden. Grundsätzlich sind Randzonenveränderungen eine Folge der mechanischen und thermischen Beanspruchung bei der Bearbeitung. Beim Eindringen des Schneidkeils kommt es zu Kornverzerrungen, welche die Werkstückhärte bis in eine Tiefe von 40 bis 80 µm erhöhen können. Überdies wird die Randzone des Werkstücks durch den Bearbeitungsvorgang und den Spantransport erhitzt und durch den Kühlschmierstoff bzw. die so genannte Selbstabschreckung im Anschluss sehr schnell abgekühlt. So kann es in Abhängigkeit der Randbedingungen zu Gefügeänderungen mit härtesteigernder (Sekundärabschreckung) oder härtemindernder (Anlasseffekte) Wirkung kommen. Nicht zuletzt beeinflussen beide Beanspruchungsarten auch das Ausmaß der Eigenspannungen in der Werkstückoberfläche. In dieser Arbeit werden die beim Kernlochbohren erzeugten Randzonenveränderungen sowie die Standzeit von Folgebearbeitungswerkzeugen, wie Gewindebohrern und Gewindeformern, und deren Abhängigkeit vom Verschleißzustand des Kernlochbohrers untersucht. Weiterhin werden mit Hilfe einer Energiebilanz die Anteile herausgefiltert, die primär die Eigenschaften der Bohrungsrandzone beeinflussen. Dies geschieht mit Hilfe einer mathematischen Modellierung des Bohrprozesses, in der die Einflüsse der Schneidkantengeometrie, der Schneidkantenverrundung, der Schneidkantenfase sowie des Freiflächenverschleißes berücksichtigt werden.

A crack on the interface of piezo-electric bodies

Singularities of elastic and electric fields are investigated at the tip of a crack on the interface of two anisotropic piezo-electric media under various boundary conditions on the crack surfaces. The Griffith formulae are obtained for increments of energy functionals due to growth of the crack and the notion of the energy release matrix is introduced. Normalization conditions for bases of singular solution are proposed to adapt them to the energy, stress, and deformation fracture criteria. Connections between these bases are determined and additional properties of the deformation basis related to the notion of electric surface enthalpy are established.

Auf Basis umfangreicher Messdatensätze experimentell und numerisch validierte Regeln zur optimierten Auslegung von Luft-Erdwärmetauschern

Ein Luft-Erdwärmetauscher (L-EWT) kommt wegen seines niedrigen Energiebedarfs und möglicher guter Aufwandszahlen als umweltfreundliche Versorgungskomponente für Gebäude in Betracht. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass ein L-EWT die Umgebungsluft je nach Jahreszeit vorwärmen oder auch kühlen kann. Dem zufolge sind L-EWT zur Energieeinsparung nicht nur für den Wohnhausbau interessant, sondern auch dort, wo immer noch große Mengen an fossiler Energie für die Raumkühlung benötigt werden, im Büro- und Produktionsgebäudesektor. Der Einsatzbereich eines L-EWT liegt zwischen Volumenströmen von 100 m3/h und mehreren 100.000 m3/h. Aus dieser Bandbreite und den instationären Randbedingungen entstehen erhebliche Schwierigkeiten, allgemeingültige Aussagen über das zu erwartende thermische Systemverhalten aus der Vielzahl möglicher Konstruktionsvarianten zu treffen. Hauptziel dieser Arbeit ist es, auf Basis umfangreicher, mehrjähriger Messungen an einer eigens konzipierten Testanlage und eines speziell angepassten numerischen Rechenmodells, Kennzahlen zu entwickeln, die es ermöglichen, die Betriebseigenschaften eines L-EWT im Planungsalltag zu bestimmen und ein technisch, ökologisch wie ökonomisch effizientes System zu identifizieren. Es werden die Kennzahlen elewt (Aufwandszahl), QV (Netto-Volumenleistung), ME (Meterertrag), sowie die Kombination aus v (Strömungsgeschwindigkeit) und VL (Metervolumenstrom) definiert, die zu wichtigen Informationen führen, mit denen die Qualität von Systemvarianten in der Planungsphase bewertet werden können. Weiterführende Erkenntnisse über die genauere Abschätzung von Bodenkennwerten werden dargestellt. Die hygienische Situation der durch den L-EWT transportierten Luft wird für die warme Jahreszeit, aufgrund auftretender Tauwasserbildung, beschrieben. Aus diesem Grund werden alle relevanten lufthygienischen Parameter in mehreren aufwendigen Messkampagnen erfasst und auf pathogene Wirkungen überprüft. Es wird über Sensitivitätsanalysen gezeigt, welche Fehler bei Annahme falscher Randbedingungen eintreten. Weiterhin werden in dieser Arbeit wesentliche, grundsätzliche Erkenntnisse aufbereitet, die sich aus der Betriebsbeobachtung und der Auswertung der umfangreich vorliegenden Messdaten mehrerer Anlagen ergeben haben und für die praktische Umsetzung und die Betriebsführung bedeutend sind. Hinweise zu Materialeigenschaften und zur Systemwirtschaftlichkeit sind detailliert aufgeführt.

Untersuchung der Sensitivität von Heizungs- / Lüftungsanlagen in Niedrigenergiehäusern

Bei Meßprojekten in denen Gebäude mit installierter Lüftungsanlage untersucht wurden, stellte man immer wieder ein breite Streuung der Meßwerte, als auch eine oftmals deutliche Abweichung vom vorher ermittelten Heizwärmebedarf der Gebäude fest. Es wird vermutet, daß diese Unterschiede systemspezifische Ursachen haben, ein Nachweis kann aufgrund der geringen Anzahl vorhandener Meßpunkte jedoch nicht geführt werden. Um die Sensitivität verschiedener Randbedingungen auf den Energieverbrauch zu ermitteln, wird im vorliegenden Forschungsprojekt ein Simulationsmodell erstellt. Das thermische Verhalten und die Durchströmung des Gebäudes werden durch ein gekoppeltes Modell abgebildet. Unterschiedliche Lüftungsanlagensysteme werden miteinander verglichen. Auf Basis vorhandener Meßdaten wird ein klimaabhängiges Modell zur Fensterlüftung entwickelt, welches in die Modellbildung der Gebäudedurchströmung mit einfließt. Feuchtegeregelte Abluftanlagen sind in der Lage den mittleren Luftwechsel auf ein hygienisch sinnvollen Wert zu begrenzen. Sie erweisen sich im Hinblick auf die Sensitivität verschiedener Randbedingungen als robuste Systeme. Trotz Einsatz von Lüftungsanlagen kann je nach Betriebszustand insbesondere bei Abluftanlagen keine ausreichende Luftqualität sichergestellt werden. Zukünftige Systeme dürfen das "Lüftungssystem" Fenster nicht vernachlässigen, sondern müssen es in das Gesamtkonzept mit einbeziehen.

Überwachung der Vorspannkraft Externer Spannglieder mit Hilfe der Modalanalyse

Aufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich Dauerhaftigkeit und Bauwerkssicherheit ist in Deutschland seit 1998 die externe Vorspannung in Hohlkastenbrücken zur Regelbauweise geworden. Durch Verwendung der austauschbaren externen Vorspannung verspricht man sich im Brückenbau weitere Verbesserungen der Robustheit und damit eine Verlängerung der Lebensdauer. Trotz des besseren Korrosionsschutzes im Vergleich zur internen Vorspannung mit Verbund sind Schäden nicht völlig auszuschließen. Um die Vorteile der externen Vorspannung zu nutzen, ist daher eine periodische Überwachung der Spanngliedkräfte, z. B. während der Hauptprüfung des Bauwerks, durchzuführen. Für die Überwachung der Spanngliedkräfte bei Schrägseilbrücken haben sich die Schwingungsmessmethoden als wirtschaftlich und leistungsfähig erwiesen. Für die Übertragung der Methode auf den Fall der externen Vorspannung, wo kürzere Schwingungslängen vorliegen, waren zusätzliche Untersuchungen hinsichtlich der effektiven Schwingungslänge, der Randbedingungen sowie der effektiven Biegesteifigkeit erforderlich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Modellkorrekturverfahren, basierend auf der iterativen Anpassung eines F.E.-Modells an die identifizierten Eigenfrequenzen und Eigenformen des Spanngliedes, für die Bestimmung der Spanngliedkräfte verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht die Berücksichtigung der Parameter (Schwingungslänge, Randbedingungen und effektive Biegesteifigkeit) bei der Identifikation der effektiven Spanngliedkräfte. Weiterhin ist eine Modellierung jeder beliebigen Spanngliedausbildung, z. B. bei unterschiedlichen Querschnitten in den Verankerungs- bzw. Umlenkbereichen, gewährleistet. Zur Anwendung bei der Ermittlung der Spanngliedkräfte wurde eine spezielle Methode, basierend auf den besonderen dynamischen Eigenschaften der Spannglieder, entwickelt, bei der die zuvor genannten Parameter innerhalb jedes Iterationsschrittes unabhängig korrigiert werden, was zur Robustheit des Identifikationsverfahrens beiträgt. Das entwickelte Verfahren ist in einem benutzerfreundlichen Programmsystem implementiert worden. Die erzielten Ergebnisse wurden mit dem allgemeinen Identifikationsprogramm UPDATE_g2 verglichen; dabei ist eine sehr gute Übereinstimmung festgestellt worden. Beim selbst entwickelten Verfahren wird die benötigte Rechenzeit auf ca. 30 % reduziert [100 sec à 30 sec]. Es bietet sich daher für die unmittelbare Auswertung vor Ort an. Die Parameteridentifikationsverfahren wurden an den Spanngliedern von insgesamt sechs Brücken (vier unterschiedliche Spannverfahren) angewendet. Die Anzahl der getesteten Spannglieder beträgt insgesamt 340. Die Abweichung zwischen den durch Schwingungs-messungen identifizierten und gemessenen (bei einer Brücke durch eine Abhebekontrolle) bzw. aufgebrachten Spanngliedkräften war kleiner als 3 %. Ferner wurden die Auswirkungen äußerer Einflüsse infolge Temperaturschwankungen und Verkehr bei den durchgeführten Messungen untersucht. Bei der praktischen Anwendung sind Besonderheiten aufgetreten, die durch die Verwendung des Modellkorrekturverfahrens weitgehend erfasst werden konnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung dieses Verfahrens die Genauigkeit im Vergleich mit den bisherigen Schwingungsmessmethoden beachtlich erhöht. Ferner wird eine Erweiterung des Anwendungsbereiches auch auf Spezialfälle (z. B. bei einem unplanmäßigen Anliegen) gewährleistet.

Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Dispersion von Dichteströmungen in einem stochastischen Modellaquifer

Es ist bekannt, dass die Dichte eines gelösten Stoffes die Richtung und die Stärke seiner Bewegung im Untergrund entscheidend bestimmen kann. Eine Vielzahl von Untersuchungen hat gezeigt, dass die Verteilung der Durchlässigkeiten eines porösen Mediums diese Dichteffekte verstärken oder abmindern kann. Wie sich dieser gekoppelte Effekt auf die Vermischung zweier Fluide auswirkt, wurde in dieser Arbeit untersucht und dabei das experimentelle sowohl mit dem numerischen als auch mit dem analytischen Modell gekoppelt. Die auf der Störungstheorie basierende stochastische Theorie der macrodispersion wurde in dieser Arbeit für den Fall der transversalen Makodispersion. Für den Fall einer stabilen Schichtung wurde in einem Modelltank (10m x 1.2m x 0.1m) der Universität Kassel eine Serie sorgfältig kontrollierter zweidimensionaler Experimente an einem stochastisch heterogenen Modellaquifer durchgeführt. Es wurden Versuchsreihen mit variierenden Konzentrationsdifferenzen (250 ppm bis 100 000 ppm) und Strömungsgeschwindigkeiten (u = 1 m/ d bis 8 m/d) an drei verschieden anisotrop gepackten porösen Medien mit variierender Varianzen und Korrelationen der lognormal verteilten Permeabilitäten durchgeführt. Die stationäre räumliche Konzentrationsausbreitung der sich ausbreitenden Salzwasserfahne wurde anhand der Leitfähigkeit gemessen und aus der Höhendifferenz des 84- und 16-prozentigen relativen Konzentrationsdurchgang die Dispersion berechnet. Parallel dazu wurde ein numerisches Modell mit dem dichteabhängigen Finite-Elemente-Strömungs- und Transport-Programm SUTRA aufgestellt. Mit dem kalibrierten numerischen Modell wurden Prognosen für mögliche Transportszenarien, Sensitivitätsanalysen und stochastische Simulationen nach der Monte-Carlo-Methode durchgeführt. Die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgte - sowohl im experimentellen als auch im numerischen Modell - über konstante Druckränder an den Ein- und Auslauftanks. Dabei zeigte sich eine starke Sensitivität der räumlichen Konzentrationsausbreitung hinsichtlich lokaler Druckvariationen. Die Untersuchungen ergaben, dass sich die Konzentrationsfahne mit steigendem Abstand von der Einströmkante wellenförmig einem effektiven Wert annähert, aus dem die Makrodispersivität ermittelt werden kann. Dabei zeigten sich sichtbare nichtergodische Effekte, d.h. starke Abweichungen in den zweiten räumlichen Momenten der Konzentrationsverteilung der deterministischen Experimente von den Erwartungswerten aus der stochastischen Theorie. Die transversale Makrodispersivität stieg proportional zur Varianz und Korrelation der lognormalen Permeabilitätsverteilung und umgekehrt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und Dichtedifferenz zweier Fluide. Aus dem von Welty et al. [2003] mittels Störungstheorie entwickelten dichteabhängigen Makrodispersionstensor konnte in dieser Arbeit die stochastische Formel für die transversale Makrodispersion weiter entwickelt und - sowohl experimentell als auch numerisch - verifiziert werden.