Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Kommunikation
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Wo Laborexperimente zu aufwendig, zu teuer, zu langsam oder zu gefährlich oder Stoffeigenschaften gar nicht erst experimentell zugänglich sind, können Computersimulationen von Atomen und Molekülen diese ersetzen oder ergänzen. Sie ermöglichen dadurch Reduktion von Kosten, Entwicklungszeit und Materialeinsatz. Die für diese Simulationen benötigten Molekülmodelle beinhalten zahlreiche Parameter, die der Simulant einstellen oder auswählen muss. Eine passende Parametrierung ist nur bei entsprechenden Kenntnissen über die Auswirkungen der Parameter auf die zu berechnenden Größen und Eigenschaften möglich. Eine Gruppe von Standardparametern in molekularen Simulationen sind die Partialladungen der einzelnen Atome innerhalb eines Moleküls. Die räumliche Ladungsverteilung innerhalb des Moleküls wird durch Punktladungen auf den Atomzentren angenähert. Für diese Annäherung existieren diverse Ansätze für verschiedene Molekülklassen und Anwendungen. In diesem Teilprojekt des Promotionsvorhabens wurde systematisch der Einfluss der Wahl des Partialladungssatzes auf potentielle Energien und ausgewählte makroskopische Eigenschaften aus Molekulardynamik-Simulationen evaluiert. Es konnte gezeigt werden, dass insbesondere bei stark polaren Molekülen die Auswahl des geeigneten Partialladungssatzes entscheidenden Einfluss auf die Simulationsergebnisse hat und daher nicht naiv, sondern nur ganz gezielt getroffen werden darf.
Ressourceneffiziente Optimierung von Hohlkörpern aus Kunststoff mittels Multiskalensimulation
(2017)
In dieser Arbeit werden neuartige methodische Erweiterungen der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) entwickelt, die effizientere Simulationen inkompressibler Wirbelströmungen ermöglichen. Diese Erweiterungen beheben zwei Hauptprobleme der Standard-LBM: ihre Instabilität in unteraufgelösten turbulenten Simulationen und ihre Beschränkung auf reguläre Rechengitter. Dazu wird zunächst eine Pseudo-Entropische Stabilisierung (PES) entwickelt. Diese kombiniert Ansätze der Multiple-Relaxation-Time (MRT)-Modelle und der Entropischen LBM zu einem expliziten, lokalen und flexiblen Stabilisierungsoperator. Diese Modifikation des Kollisionsschritts erlaubt selbst auf stark unteraufgelösten Gittern stabile und qualitativ korrekte Simulationen. Zur Erweiterung der LBM auf irreguläre Rechengitter wird zunächst eine moderne Discontinuous-Galerkin-LBM untersucht und um stabilere Zeitintegratoren ergänzt. Diese Studie demonstriert die drastischen Schwächen existierender LBMAnsätze auf irregulären Gittern. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen gelingt die Formulierung einer neuartigen Semi-Lagrangeschen LBM (SLLBM). Diese ermöglicht in einzigartigerWeise sowohl die Verwendung irregulärer Gitter und großer Zeitschritte als auch eine hohe räumliche Konvergenzordnung. Anhand von Beispielsimulationen wird demonstriert, wieso dieser Ansatz anderen aktuellen Off-Lattice-Boltzmann-Methoden (OLBMs) in Effizienz und Genauigkeit überlegen ist. Weitere neuartige Aspekte dieser Arbeit sind die Entwicklung eines modularen Off-Lattice-Boltzmann-Codes und die Erweiterung der LBM um implizite Mehrschrittverfahren, mit denen eine Erhöhung der zeitlichen Konvergenzordnung gelingt.
Synthesis of serving policies for objects flow in the system with refillable storage component
(2017)
Ressourceneffiziente Optimierung von Hohlkörpern aus Kunststoff mittels Multiskalensimulation
(2017)
Die mechanischen Eigenschaften von extrusionsblasgeformten Kunststoffhohlkörpern hängen wesentlich von den vom Verarbeitungsprozess beeinflussten Materialeigenschaften ab. Ziel der dargestellten Untersuchung ist, prozessabhängige Materialkennwerte in Simulationsprogrammen zu berücksichtigen und damit deren Vorhersagegenauigkeit zu erhöhen. Hierzu ist die Schaffung einer Schnittstelle zwischen Prozess- und Bauteilsimulation notwendig. Darüber hinaus wird vorgestellt, wie Simulationen auf Mikroebene (molekulardynamische Simulationen) genutzt werden können, um Materialkennwerte ohne die Durchführung eines Realexperiments zu ermitteln.
Reliable and regional differentiated power forecasts are required to guarantee an efficient and economic energy transition towards renewable energies. Amongst other renewable energy technologies, e.g. wind mills, photovoltaic (PV) systems are an essential component of this transition being cost-efficient and simply to install. Reliable power forecasts are however required for a grid integration of photovoltaic systems, which among other data requires high-resolution spatio-temporal global irradiance data.
Solar energy is one option to serve the rising global energy demand with low environmental impact. Building an energy system with a considerable share of solar power requires long-term investment and a careful investigation of potential sites. Therefore, understanding the impacts from varying regionally and locally determined meteorological conditions on solar energy production will influence energy yield projections.
Impact of atmospheric aerosols on photovoltaic energy production - Scenario for the Sahel zone
(2017)
Photovoltaic (PV) energy is one option to serve the rising global energy need with low environmental impact. PV is of particular interest for local energy solutions in developing countries prone to high solar insolation. In order to assess the PV potential of prospective sites, combining knowledge of the atmospheric state modulating solar radiation and the PV performance is necessary. The present study discusses the PV power as function of atmospheric aerosols in the Sahel zone for clear-sky-days. Daily yields for a polycrystalline silicon PV module are reduced by up to 48 % depending on the climatologically-relevant aerosol abundances.