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Ziel des Projekts STABIL war die Vorhersage der Alterung und Verbesserung der Lebensdauer von mobilen und stationären Lithium-Ionen-Batterien. Batterien sind zentrale Komponenten der Elektromobilität und der stationären Speicherung von regenerativem Strom. Die im Stand der Technik unzureichende Lebensdauer der Batterie ist heute wesentlicher Kostentreiber. Im Projekt wurde daher in einem skalenübergreifenden und interdisziplinären Ansatz das Verhalten von einzelnen Batteriezellen und ganzen Batteriesystemen unter zwei unterschiedlichen systemischen Randbedingungen untersucht.
Ziel des LiBaLu-Teilprojekts Modellierung und Simulation war die Unterstützung der Elektroden- und Zellentwicklung mit Hilfe umfangreicher Computersimulationen im Sinne des computergestützten Engineering (CAE). Zwei verschiedene Schwerpunkte standen im Mittelpunkt der Untersuchungen. Zum einen wurde das mechanistische Verständnis der komplexen Elektrochemie in Lithium-Luftbatterien durch mikrokinetische Modelle aufgeklärt. Auf Basis von postulierten Mehrschrittmechanismen wurden makroskopische Eigenschaften (Entlade-/Ladekennlinien, Zyklovoltammogramme) vorhergesagt und mit experimentellen Daten der Projektpartner verglichen. Zum anderen wurde das Design der Prototypzelle mit Hilfe numerischer Simulationen untersucht und optimiert. So konnten z. B. optimale Schichtdicken oder die Rolle von Gastransportlimitierungen identifiziert werden.
Auswahl von elektrischen Antriebskomponenten zur Elektrifizierung des Antriebes eines „Tuk-Tuks“
(2019)
Die vorliegende Abschlussarbeit handelt von einem Tuk-Tuk. Im Ausgangszustand ist dieses mit einem 1-Zylinder Ottomotor versehen.
Im Rahmen eines Hochschulprojektes wird dieser Motor durch einen Elektromotor ersetzt. Ziel dieser Thesis ist es, einen passenden Motor zu finden. Dabei soll eine Auslegung erarbeitet werden, die es ermöglicht, sämtliche Widerstandskräfte zu berechnen und daraus auf die notwendigen Antriebsleistungen bzw. Drehmomente zu schließen. Im Anschluss daran kann eine Aussage getroffen werden, ob der Elektromotor die gewünschten Anforderungen erfüllt.
This article presents the development, parameterization, and experimental validation of a pseudo-three-dimensional (P3D) multiphysics model of a 350 mAh high-power lithium-ion pouch cell with graphite anode and lithium cobalt oxide/lithium nickel cobalt aluminum oxide (LCO/NCA) blend cathode. The model describes transport processes on three different scales: Heat transport on the macroscopic scale (cell), mass and charge transport on the mesoscopic scale (electrode pair), and mass transport on the microscopic scale (active material particles). A generalized description of electrochemistry in blend electrodes is developed, using the open-source software Cantera for calculating species source terms. Very good agreement of model predictions with galvanostatic charge/discharge measurements, electrochemical impedance spectroscopy, and surface temperature measurements is observed over a wide range of operating conditions (0.05C to 10C charge and discharge, 5°C to 35°C). The behavior of internal states (concentrations, potentials, temperatures) is discussed. The blend materials show a complex behavior with both intra-particle and inter-particle non-equilibria during cycling.
As part of the design education at Offenburg University, the teaching in technical documentation is continuously optimised. In this study, numerous mechanical engineering students, ages 19 to 29, are observed using the eye tracking technology and a video camera while performing various design exercises. The aim of the study is to enhance the students’ ability to read, understand and analyse complex engineering drawings. In one experiment, the students are asked to perform the “cube perspective test” after Stumpf and Fay to assess their ability for mental rotation as part of spatial visualization ability. Furthermore, the students are asked to prepare and give micro presentations on a topic related to their studies. Students have a maximum of 100 s time for these presentations. Thus, they can practise presenting important information in a short amount of time, show their rhetorical skills and demonstrate their acquisition of basic knowledge. During the presentation, the eye movement of a few selected students is recorded to analyse their information acquisition. In a further test, the students’ eye movements are analysed while reading an engineering drawing that consists of multiple views. All the spatial connections have to be included based on the different component views. Including these and their acquired knowledge, the students are asked to identify the correct representation of a component view. Furthermore the subjects are describing the function of an assembly, a parallel gripper and then they are to mentally disassemble the assembly to replace a damaged cylindrical pin. Simultaneously, they are filmed using a video camera to see which terms the students use for the individual technical terms. The evaluation of the eye movements shows that the increasing digitalisation of society and the use of electronic devices in everyday life lead to fast and only selective perceptual behaviour and that students feel insecure when dealing with technical drawings. The analysis of the videos shows a mostly non-technical and inaccurate manner of expression and a poor use of technical terms. The transferability of the achieved results to other technical tasks is part of further investigations.
In den hier vorliegenden Fallstudien wurden mehrere Studierende des Studiengangs Maschinenbau an der Hochschule Offenburg im Alter von 18 bis 28 Jahren bei der Lösungsfindung für Konstruktionsaufgaben mit der Eye-Tracking-Technologie und einer Videokamera beobachtet. Ziel der empirischen Untersuchung war es, die praktische Fähigkeit von Studierenden beim Lesen, Verstehen und Analysieren von technischen Darstellungen zu fördern. Die Auswertung der Augenbewegungen zeigt, dass die zunehmende Digitalisierung der Gesellschaft und der Umgang mit elektronischen Kleinstgeräten im Alltag zu einem punktuellen und flüchtigen Wahrnehmungsverhalten führen und dass sich die Studierenden im Umgang mit technischen Zeichnungen unsicher fühlen. Die Analyse der Videos zeigt eine meist nicht-technische und ungenaue Ausdrucksweise und eine schlechte Verwendung von Fachbegriffen.
The Humboldt Portal has been designed and implemented as part of an ongoing research project to develop an information system on the Internet to share the documents and rare books of Alexander von Humboldt, a 19th century German scientist and explorer, who viewed the natural world holistically and described the harmony of nature among the diversity of the physical world. Even after more than two centuries he is admired for his ability to see the natural world and human nature in the context of a complex network of relationships. The design and implementation of the Humboldt Portal are also oriented to support further research on Humboldt’s intellectual perspective.
Although all of Humboldt's works can be found on the internet as digitized documents, the complexity and internal inter-connectivity of his vision of nature cannot be adequately represented only by digitized papers or scanned documents in digital libraries.
As a consequence a specific portal of the Humboldt's documents was developed, which extends the standards of digital libraries and offers a technical approach for the adequate presentation of highly interconnected data.
Due to the continuous scientific and literary research, new insights and requirements for the digital presentation of Humboldt documents are constantly emerging, so that this article only provides a summary of the concepts realized at now. Consequently, the design and implementation of the Humboldt Portal is both: a consequence of a continuing research project and oriented to support more research on Humboldt´s intellectual holistic perspective, which was an anticipation to the System Approach of the last Century.
More than 200 years ago, the scientist Alexander von Humboldt noted in his travel diaries that "everything is interconnectedness", when he was fascinated by nature and the phenomena observed. The view of nature has become much more detailed through the knowledge of phenomena and natural processes, which led to a more precise view of nature shaped by Humboldt. Technological progress and the artificial intelligence of highly developed computer systems are upsetting this view and changing the established world view through a new, unprecedented interaction between man and machinery. Thus we need digital axioms and comprehensive rules and laws for such autonomous acting systems that determine human interaction between cybernetic systems and biological individuals. This digital humanism should encompass our relationship to nature, our handling of the complexity and diversity of nature and the technological influences on society in order to avoid technical colonialism through supercomputers.
Sweaty has already participated four times in RoboCup soccer competitions (Adult Size) and came second three times. While 2016 Sweaty needed a lot of luck to be finalist, 2017 Sweaty was a serious adversary in the preliminary rounds. In 2018 Sweaty showed up in the final with some lack of experience and room for improvements, but not without any chance. This paper describes the intended improvements of the humanoid adult size robot Sweaty in order to qualify for the RoboCup 2019 adult size competition.
We present a planar chromatographic separation method for the compounds caffeine, artemisinin, and equol, separated on high-performance thin-layer chromatography (HPTLC) silica gel plates. As solvents for separation, methyl t-butyl ether and cyclohexane (1:1, V/V) have been used for equol, cyclohexane and ethyl acetate (7:3, V/V) for artemisinin, and ethyl acetate and acetone (7:3, V/V) for caffeine. After separation, the plate was scanned with a very specific time of flight-direct analysis in real time-mass spectrometry (TOF-DART-MS) system using the (M + 1)+ signals of equol, artemisinin, and caffeine. The (M + 1) peak of artemisinin at 283.13 m/z is clearly detectable, which is the proof that DART-MS is applicable for the quantitative determination of rather instable molecules. The planar set-up of DART source, HPTLC plate and detector inlet in a line showed higher sensitivities compared to desorption at an angle. The optimal detector voltage increases with the molar mass of the analyte, thus an individual determination of optimal detector voltage setting for the different analyte is recommended to achieve the best possible measurement conditions. In conclusion, DART-MS detection in combination with an HPTLC separation allows very specific quantification of all three compounds.
Die vorliegende, schriftliche Dokumentation befasst sich mit der Entwicklung, Konstruktion und Ausarbeitung eines speziellen Sonderbetriebsmittels im Bereich der Umformtechnik.
Aus Gründen der Materialersparnis soll ein Stanzwerkzeug zur Herstellung von asymmetrischen Blech-Rohlingen dahingehend optimiert werden, dass die Schneid-Elemente pro Ar-beitsgang eine Drehung um 180° durchführen können. Durch diese Maßnahme soll erreicht werden, dass zwischen den ausgeschnittenen Rohlingen weniger Abfallmaterial anfällt, wo-durch Materialkosten im laufenden Fertigungsprozess eingespart werden können.
Die Arbeit beinhaltet das systematische Erfassen von Anforderungen und prozessbedingten Gegebenheiten, die Erarbeitung von Lösungskonzepten, sowie das Ausarbeiten eines aus-gewählten Konzepts als detaillierte Konstruktion. Letztgenannte umfasst das Erstellen funktions- und fertigungsgerechter Einzelkomponenten und Baugruppen, die Auslegung und Auswahl benötigter Zukauf-Komponenten, sowie das Ableiten fertigungsgerechter technischer Zeichnungen.
Als Nachweis der Funktion der erarbeiteten Vorrichtung werden sowohl eine Bewegungssimulation, als auch entsprechende Nachweisrechnungen der Bauteilfestigkeit unter Berücksichtigung wirkender Prozesskräfte durchgeführt.
Resultat dieser Arbeit ist eine erwiesenermaßen funktionsfähige Konstruktion, die sämtliche von Seiten des Auftraggebers gestellten Anforderungen erfüllt.
Brückenkurs Physik
(2019)
Dieses Lehrbuch fasst alle wesentlichen, für das Studium eines MINT-Faches relevanten Inhalte der Physik zusammen und hilft physikalisches Grundwissen aufzufrischen. Es unterstützt Studienanfänger dabei, die Routine in der konkreten Anwendung, die an der Hochschule vorausgesetzt wird, zu festigen. Dabei folgt die Stoffauswahl dem Mindestanforderungskatalog Physik, den ein Arbeitskreis aus Professoren der baden-württembergischen Hochschulen für angewandte Wissenschaften zusammengestellt hat.
Tryptamines can occur naturally in plants, mushrooms, microbes, and amphibians. Synthetic tryptamines are sold as new psychoactive substances (NPS) because of their hallucinogenic effects. When it comes to NPS, metabolism studies are of crucial importance, due to the lack of pharmacological and toxicological data. Different approaches can be taken to study in vitro and in vivo metabolism of xenobiotica. The zygomycete fungus Cunninghamella elegans (C. elegans) can be used as a microbial model for the study of drug metabolism. The current study investigated the biotransformation of four naturally occurring and synthetic tryptamines [N,N‐Dimethyltryptamine (DMT), 4‐hydroxy‐N‐methyl‐N‐ethyltryptamine (4‐HO‐MET), N,N‐di allyl‐5‐methoxy tryptamine (5‐MeO‐DALT) and 5‐methoxy‐N‐methyl‐N‐isoporpoyltryptamine (5‐MeO‐MiPT)] in C. elegans after incubation for 72 hours. Metabolites were identified using liquid chromatography–high resolution–tandem mass spectrometry (LC–HR–MS/MS) with a quadrupole time‐of‐flight (QqTOF) instrument. Results were compared to already published data on these substances. C. elegans was capable of producing all major biotransformation steps: hydroxylation, N‐oxide formation, carboxylation, deamination, and demethylation. On average 63% of phase I metabolites found in the literature could also be detected in C. elegans. Additionally, metabolites specific for C. elegans were identified. Therefore, C. elegans is a suitable complementary model to other in vitro or in vivo methods to study the metabolism of naturally occurring or synthetic tryptamines.
High temperature components in internal combustion engines and exhaust systems must withstand severe mechanical and thermal cyclic loads throughout their lifetime. The combination of thermal transients and mechanical load cycling results in a complex evolution of damage, leading to thermomechanical fatigue (TMF) of the material. Analytical tools are increasingly employed by designers and engineers for component durability assessment well before any hardware testing. The DTMF model for TMF life prediction, which assumes that micro-crack growth is the dominant damage mechanism, is capable of providing reliable predictions for a wide range of high-temperature components and materials in internal combustion engines. Thus far, the DTMF model has employed a local approach where surface stresses, strains, and temperatures are used to compute damage for estimating the number of cycles for a small initial defect or micro-crack to reach a critical length. In the presence of significant gradients of stresses, strains, and temperatures, the use of surface field values could lead to very conservative estimates of TMF life when compared with reported lives from hardware testing. As an approximation of gradient effects, a non-local approach of the DTMF model is applied. This approach considers through-thickness fields where the micro-crack growth law is integrated through the thickness considering these variable fields. With the help of software tools, this method is automated and applied to components with complex geometries and fields. It is shown, for the TMF life prediction of a turbocharger housing, that the gradient correction using the non-local approach leads to more realistic life predictions and can distinguish between surface cracks that may arrest or propagate through the thickness and lead to component failure.
Hot working tools are subjected to complex thermal and mechanical loads during service. Locally, the stresses can exceed the material’s yield strength in highly loaded areas. During production, this causes cyclic plastic deformation and thus thermomechanical fatigue, which can significantly shorten the lifetime of hot working tools. To sustain this high loads, the hot working tools are typically made of tempered martensitic hot work tool steels. While the annealing temperatures of the tool steels usually lie in the range of 400 to 600 °C, the steels may experience even higher temperatures during hot working, resulting in softening of the material due to changes in microstructure. Therefore, the temperature-dependent cyclic mechanical properties of the frequently used hot work tool steel 1.2367 (X38CrMoV5-3) after tempering are investigated in this work. To this end, hardness measurements are performed. Furthermore, the Institute of Forming Technology and Machines (IFUM) provides test results from cyclic tests at temperatures ranging from 20 °C (room temperature) to 650 °C. To describe the observed time- and temperature-dependent softening during tempering, a kinetic model for the evolution of the mean size of secondary carbides based on Ostwald ripening is developed. In addition, both mechanism-based and phenomenological relationships for the cyclic mechanical properties of the Ramberg- Osgood model depending on carbide size and temperature are proposed. The stress-strain hysteresis loops measured at different temperatures and after different heat treatments can be well described with the proposed kinetic and mechanical model. Furthermore, the model is suitable for integration in advanced mechanism-based lifetime models. However, since the Ramberg-Osgood model is not suitable for finite element implementation, a temperature-dependent incremental cyclic plasticity model is presented as well. Thus, softening due to particle coarsening can be applied in the finite element method (FEM). Therefore, a kinetic model is coupled with a cyclic plasticity model including kinematic hardening. The plasticity model is implemented via subroutines in the finite element program ABAQUS for implicit integration (subroutine called UMAT) and explicit integration (subroutine called VUMAT). The implemented model is used for the simulation of an exemplary hot working process to assess the effects of softening due to particle coarsening. It shows that the thermal softening at high temperatures, which occur over a long time at a mechanically highly loaded area, has a great influence. If this influence is not considered in tool design, an unexpected tool failure might occur bringing the production to a standstill.
The ability to change aerodynamic parameters of airfoils during flying can potentially save energy as well as reducing the noise made by the unmanned aerial vehicles (UAV) because of sharp edges of the airfoil and its rudders. In this paper, an approach for the design of an adaptive wing using a multi-material 3D printer is shown. In multi-material 3D printing, up to six different materials can be combined in one component. Thus, the user can determine the mixture and the spatial arrangement of this “digital material” in advance in the pre-processing software. First, the theoretical benefits of adaptive wings are shown, and already existing adaptive wings and concepts are explicated within a literature review. Then the additive manufacturing process using photopolymer jetting and its capabilities to print multiple materials in one part are demonstrated. Within the scope of a case study, an adaptive wing is developed and the necessary steps for the product development and their implementation in CAD are presented. This contribution covers the requirements for different components and sections of an adaptive wing designed for additive manufacturing using multiple materials as well as the single steps of development with its different approaches until the final design of the adaptive wing. The developed wing section is simulated, and qualitative tests in a wind tunnel are carried out with the wing segment. Finally, the additively manufactured wing segment is evaluated under technical and economic aspects.
The development of new processes and materials for additive manufacturing is currently progressing rapidly. In order to use the advantages of additive manufacturing, however, product development and design must also be adapted to these new processes. Therefore it is suitable to use structural optimization. To achieve the best results in lightweight design, it is important to have an approach that reduces the volume in the unloaded regions and considers the restrictions and characteristics of the additive manufacturing process. In this contribution, a case study using a humanoid robot is presented. Thus, the pelvis module of a humanoid robot is optimized regarding its weight and stiffness. Furthermore, an integrated design is implemented in order to reduce the number of parts and the screw connections. The manufacturing uses a new aluminum-based material that has been specially developed for use in additive manufacturing and lightweight construction. For the additive manufacturing by means of the Selective Laser Melting (SLM) process, different restrictions and the assembly concepts of the humanoid robot have to be taken into account. These restrictions have to be considered in the setting of the individual parameters and target functions of the structural optimization. As a result, a framework is presented that shows the steps of the redesign and the optimization of the pelvis module. In order to achieve high accuracy with the product, the redesign of the pelvis module is demonstrated with regard to mechanical and thermal postprocessing. Finally, the redesigned part and the different assembly concepts are compared to analyze the economic and technical effects of the optimization.
Das Verbundprojekt GEO.Cool von Partnern im Landesforschungszentrum Geothermie (LFZG) hat zum Ziel, Möglichkeiten sowie Grenzen der Kühlung mit oberflächennaher Geothermie in interdisziplinärer Arbeit zu erheben und daraus Impulse für Innovationen in diesem Bereich zu gewinnen.
Das Vorhaben ist in die folgenden sechs Arbeitspakete (AP) gegliedert:
AP 1: Bedarfe und Systemaspekte
AP 2: Systemtechnik und Planung von Anlagen zur Kühlung mit oberflächennaher Ge-othermie
AP 3: Analyse von Best-Practice-Beispielen
AP 4: Thermisches und hydrogeologisches Verhalten des Untergrunds
AP 5: Genehmigungspraxis und Grenzwerte
AP 6: Synopse, Innovationspotenzial und Transfer.
Das Projekt hat eine Laufzeit vom 23.01.2017 bis zum 30.09.2019 (Förderzeitraum für alle Arbeitspakete und Projektpartner).
In der Tiefengeothermie spielen – unter den jeweiligen geologischen Rahmenbedingungen – thermische, hydraulische, chemische und mechanische (THCM-) Prozesse eine grundlegende Rolle hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit einer geothermischen Nutzung. Die Etablierung einer neuen Technologie wird sich darüber hinaus ohne Akzeptanz in der Bevölkerung mittel- und langfristig nicht behaupten können. Deshalb bilden Transparenz (z.B. Überwachung der induzierten Seismizität) und ein Transfer von Ergebnissen der Geothermie-Forschung in die Öffentlichkeit wesentliche Grundlagen zur Schaffung einer hinreichenden Akzeptanz der Tiefengeothermie.
Die Studienanfänger in den technischen Studiengängen der Hochschulen für angewandte Wissenschaften haben nicht nur in Mathematik sondern auch in Physik sehr unterschiedliche Vorkenntnisse. Obwohl diese Fächer für das grundlegende Verständnis technischer Vorgänge von großer Bedeutung sind, kann die Ausbildung in diesen Bereichen angesichts der begrenzten dafür im Verlauf des Studiums zur Verfügung stehenden Zeitfenster nicht bei Null anfangen. Für Mathematik wurde daher von der Arbeitsgruppe cosh ein Mindestanforderungskatalog zusammengestellt und 2014 veröffentlicht. Er beschreibt Kenntnisse und Fertigkeiten, die Studienanfänger zur erfolgreichen Aufnahme eines WiMINT-Studiums (Wirtschaft, Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft, Technik) an einer Hochschule benötigen. Inzwischen hat sich nun eine Arbeitsgruppe von Physikerinnen und Physikern an Hochschulen in Baden-Württemberg gebildet, deren Ziel es ist, einen analogen Mindestanforderungskatalog für den Bereich Physik zu erstellen. Hier wird der aktuell erreichte Stand der Arbeiten vorgestellt.
As engineering graduates and specialists frequently lack the advanced skills and knowledge required to run eco-innovation systematically, the paper proposes a new teaching method and appropriate learning materials in the field of eco-innovation and evaluates the learning experience and outcomes. This programme is aimed at strengthening student’s skills and motivation to identify and creatively overcome secondary eco-contradictions in case if additional environmental problems appears as negative side effects of eco-friendly solutions.
Based on a literature analysis and own investigations, authors propose to introduce a manageable number of eco-innovation tools into a standard one-semester design course in process engineering with particular focus on the identification of eco-problems in existing technologies, selection of the appropriate new process intensification technologies (knowledge-based engineering), and systematic ideation and problem solving (knowledge-based innovation and invention).
The proposed educational approach equips students with the advanced knowledge, skills and competences in the field of eco-innovation. Analysis of the student’s work allows one to recommend simple-to-use tools for a fast application in process engineering, such as process mapping, database of eco-friendly process intensification technologies, and up to 20 strongest inventive operators for solving of environmental problems. For the majority of students in the survey, even the small workload has strengthened their self-confidence and skills in eco-innovation
Economic growth and ecological problems motivate industries to apply eco-friendly technologies and equipment. However, environmental impact, followed by energy and material consumption still remain the main negative implications of the technological progress in process engineering. Based on extensive patent analysis, this paper assigns more than 250 identified eco-innovation problems and requirements to 14 general eco-categories with energy consumption and losses, air pollution, and acidification as top issues. It defines primary eco-engineering contradictions, in case eco-problems appear as negative side effects of the new technologies, and secondary eco-engineering contradictions, if eco-friendly solutions have new environmental drawbacks. The study conceptualizes a correlation matrix between the eco-requirements for prediction of typical eco-contradictions on example of processes involving solids handling. Finally, it summarizes major eco-innovation approaches including Process Intensification in process engineering, and chronologically reviews 66 papers on eco-innovation adapting TRIZ methodology. Based on analysis of 100 eco-patents, 58 process intensification technologies, and literature, the study identifies 20 universal TRIZ inventive principles and sub-principles that have a higher value for environmental innovation.
The 40 Altshuller Inventive Principles with numerous sub-principles remain over decades the most frequently applied tool of the Theory of Inventive Problem Solving TRIZ for systematic idea generation. However, their application often requires a concentrated, creative and abstract way of thinking that can be fairly challenging for the newcomers to TRIZ. This paper describes an approach to reduce the abstraction level of inventive sub-principles and presents the results of the idea generation experiment conducted with three groups of undergraduate and graduate students from different years of study in mechanical and process engineering. The students were asked to generate and to record their individual ideas for three design problems using a pre-defined set of classical and modified sub-principles within 10 minutes. The overall outcomes of the experiment support the assumption that the less abstract wording of the modified sub-principles leads to higher number of ideas. The distribution of ideas between the fields of MATCHEM-IBD (Mechanical, Acoustic, Thermal, Chemical, Electrical, Magnetic, Intermolecular, Biological and Data processing) differs significantly between groups using modified and abstract sub-principles.
Classification of TRIZ Inventive Principles and Sub-Principles for Process Engineering Problems
(2019)
The paper proposes a classification approach of 40 Inventive Principles with an extended set of 160 sub-principles for process engineering, based on a thorough analysis of 155 process intensification technologies, 200 patent documents, 6 industrial case studies applying TRIZ, and other sources. The authors define problem-specific sub-principles groups as a more precise and productive ideation technique, adaptable for a large diversity of problem situations, and finally, examine the anticipated variety of ideation using 160 sub-principles with the help of MATCEM-IBD fields.
Growing demands for cleaner production and higher eco-efficiency in process engineering require a comprehensive analysis of technical and environmental outcomes of customers and society. Moreover, unexpected additional technical or ecological drawbacks may appear as negative side effects of new environ-mentally friendly technologies. The paper conceptualizes a comprehensive ap-proach for analysis and ranking of engineering and ecological requirements in process engineering in order to anticipate secondary problems in eco-design and to avoid compromising the environmental or technological goals. For this purpose, the paper presents a method based on integration of the Quality Func-tion Deployment approach with the Importance-Satisfaction Analysis for the requirements ranking. The proposed method identifies and classifies compre-hensively the potential engineering and eco-engineering contradictions through analysis of correlations within requirements groups such as stakehold-er requirements (SRs) and technical requirements (TRs), and additionally through cross-relationship between SRs and TRs.
Process engineering industries are now facing growing economic pressure and societies' demands to improve their production technologies and equipment, making them more efficient and environmentally friendly. However unexpected additional technical and ecological drawbacks may appear as negative side effects of the new environmentally-friendly technologies. Thus, in their efforts to intensify upstream and downstream processes, industrial companies require a systematic aid to avoid compromising of ecological impact. The paper conceptualises a comprehensive approach for eco-innovation and eco- design in process engineering. The approach combines the advantages of Process Intensification as Knowledge-Based Engineering (KBE), inventive tools of Knowledge-Based Innovation (KBI), and main principles and best-practices of Eco-Design and Sustainable Manufacturing. It includes a correlation matrix for identification of eco-engineering contradictions and a process mapping technique for problem definition, database of Process Intensification methods and equipment, as well as a set of strongest inventive operators for eco-ideation.
In den letzten Jahren sind verstärkt große Batteriespeichersysteme in der Mittel- und Hochspannungsebene in Deutschland installiert worden. Neben dem Einsatz für lokale Anwendungszwecke wie Eigenverbrauchsmaximierung oder Lastspitzenkappung sind seit 2016 etwa 250 MW aus Batteriespeichern für die Teilnahme am Markt für Primärregelleistung (PRL) präqualifiziert worden. Damit können bereits 40 % des aktuellen Bedarfs der deutschen Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) gedeckt werden. Für einen zuverlässigen Betrieb von Batteriespeichern sind intelligente Betriebsstrategien erforderlich, die im Rahmen dieser Analyse vorgestellt werden.
Eine funktionelle Beschreibung des tibialis anterior in Abhängigkeit der unteren Sprunggelenksachse
(2019)
Das Ziel in dieser Bachelorarbeit war es, die Achse des unteren Sprunggelenks mit zwei Methoden zu ermitteln und mit Angaben der Literatur zu vergleichen. Des Weiteren sollte der Musculus tibialis anterior stimuliert und die Ergebnisse in Abhängigkeit der Methoden gestellt werden.
Zur Ermittlung der Achse wurde, aus Gründen der Ökonomie, eine modifizierte Methode nach Kirby und eine Methode mit Sensoren angewandt, bei Letzteren handelt es sich um sogenannte IMUs. Bei der modifizierten Kirby-Methode wurde gegen eine Plexiglasplatte gedrückt, die an der Fußsohle angebracht war, um Punkte zu finden, an denen der Fuß nicht rotiert. Anschließend wurden diese Punkte digitalisiert und ausgewertet. Bei der IMU-Methode wurden zwei IMUs an der Plexiglasplatte und der Tibia-Kante angebracht. Beim Bewegen des Fußes, in maximaler Dorsalflexion, in Richtung Pro- und Supination wurden die Daten der Sensoren aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. Dabei stieg die Stimulationsstärke bis zum Erreichen von neunzig Prozent des max. Dorsalflexionswinkels, der zuvor willkürlich erreicht wurde. Die Stimulationen wurden aufgezeichnet und in Pronation und Dorsalflexion kategorisiert.
Es wurden 44 Sprunggelenke mit der modifizierten Kirby-Methode und 18 Sprunggelenke mit der IMU-Methode gemessen und stimuliert. Wie auch in der Literatur bestätigt wird, konnte mit keiner der beiden Methoden ein Zusammenhang zwischen rechter und linker Achse gemessen werden. Es zeigte sich bei der modifizierten Kirby-Methode keine Abhängigkeit zur Stimulation. Jedoch konnte mit der IMU-Methode eine untere Sprunggelenksachse ermittelt werden, unter der es bei der Stimulation zur Supination kam bzw. über der eine Pronation auftrat. Der Bland-Altman-Plot hat gezeigt, dass die modifizierte Kirby-Methode im Vergleich zur IMU-Methode unterbestimmt und es mit steigender Achse zu höheren Differenzen der beiden Methoden kommt. Die Stimulation des Musculus tibialis anterior hat gezeigt, dass bei den Probanden sowohl Pronation als auch reine Dorsalflexion festgestellt wurde.
Die Ergebnisse der Modifizierten Kirby-Methode sind aus vielerlei Hinsicht nicht plausibel und stimmen nicht mit den gemessenen Achsen in der Literatur überein. Die Ergebnisse der IMU-Methode haben in Abhängigkeit zur Stimulation gezeigt, dass eine Ausrichtung der USG-Achse einen Einfluss auf die Bewegung des Musculus tibialis anterior hat. Dieser Sachverhalt und auch die unterschiedlichen Funktionen des Musculus tibialis anterior wurden in der Literatur bisher nicht beschrieben.
In this article we outline the model development planned within the joint projectModel-based city planningand application in climate change (MOSAIK). The MOSAIK project is funded by the German FederalMinistry of Education and Research (BMBF) within the frameworkUrban Climate Under Change ([UC]2)since 2016. The aim of MOSAIK is to develop a highly-efficient, modern, and high-resolution urban climatemodel that allows to be applied for building-resolving simulations of large cities such as Berlin (Germany).The new urban climate model will be based on the well-established large-eddy simulation code PALM, whichalready has numerous features related to this goal, such as an option for prescribing Cartesian obstacles. Inthis article we will outline those components that will be added or modified in the framework of MOSAIK.Moreover, we will discuss the everlasting issue of acquisition of suitable geographical information as inputdata and the underlying requirements from the model's perspective.
Modeling and simulation play a key role in analyzing the complex electrochemical behavior of lithium-ion batteries. We present the development of a thermodynamic and kinetic modeling framework for intercalation electrochemistry within the open-source software Cantera. Instead of using equilibrium potentials and single-step Butler-Volmer kinetics, Cantera is based on molar thermodynamic data and mass-action kinetics, providing a physically-based and flexible means for complex reaction pathways. Herein, we introduce a new thermodynamic class for intercalation materials into the open-source software. We discuss the derivation of molar thermodynamic data from experimental half-cell potentials, and provide practical guidelines. We then demonstrate the new class using a single-particle model of a lithium cobalt oxide/graphite lithium-ion cell, implemented in MATLAB. With the present extensions, Cantera provides a platform for the lithium-ion battery modeling community both for consistent thermodynamic and kinetic models and for exchanging the required thermodynamic and kinetic parameters. We provide the full MATLAB code and parameter files as supplementary material to this article.
In thermomechanisch hochbelasteten Bauteilen begrenzt das Wachstum von Ermüdungsrissen die Bauteillebensdauer. Es kommen Lebensdauermodelle und Finite-Elemente Simulationen zum Einsatz, um ein vorzeitiges Bauteilversagen zu verhindern. Hierbei werden im Allgemeinen deterministische Werkstoffeigenschaften unterstellt, sodass die Information über die im realen Werkstoff auftretenden Streuungen verloren geht, was eine Unsicherheit im Auslegungsprozess mit sich bringt. In der vorliegenden Ausarbeitung werden Methoden zur adäquaten Bestimmung der Werkstoffkennwerte und zur Beschreibung ihrer Streuung durch statistische Verteilungen entwickelt. Einen wesentlichen Aspekt der Arbeit stellt die Bestimmung von objektiven Werkstoffkennwerten dar, zu deren Zweck ein Robustheitskriterium eingeführt wird. Anhand zahlreicher Versuchsdatensätze der Nickelbasislegierung MARM247 und des niobstabilisierten austenitischen Stahls X6 CrNiNb 18-10 kann diese Methodik ausgearbeitet werden und führt auf ein probabilistisches Lebensdauermodell, dass die Abschätzung des Einfluusses von statistisch verteilten Werkstoffkennwerten auf die Ermüdungslebensdauer erlaubt. Als Ergebnis einer Monte-Carlo Simulation zeigt sich, dass im Vergleich von deterministischer zu probabilistischer Lebensdauerbewertung eine probabilistische Auswertung bei beiden untersuchten Werkstoffen zu einem um circa Faktor zwei größeren Streuband in der Lebensdauer führt. In einem Bauteilkonzept wird die anhand der Versuchsdaten erarbeitete Methodik erweitert, sodass eine Abschätzung des Ein usses von streuenden Werkstoffeigenschaften auf Bauteilebene durch Finite-Elemente Simulationen möglich wird. Es kommt das Two-Layer-Viscoplasticity Modell zum Einsatz. Um die Streuung seiner Werkstoffkennwerte ermitteln zu können, reicht die vorliegende Datenbasis nicht aus, sodass Annahmen zu den Werkstoffkennwerten getroffen werden müssen.
Thermisch angetriebene (Adsorptions-)Kältemaschinen können mit einem verhältnismäßig geringen elektrischen Energieaufwand bzw. mit einer hohen elektrischen Leistungszahl Kälte bereitstel-len. Wird die zum Antrieb erforderliche Wärme aus industrieller Abwärme bereitgestellt, ist diese Kältebereitstellung energetisch effizienter als die Kältebereitstellung über eine Kompressionskäl-temaschine. Wird die Wärme jedoch in Kraft-Wärme-Kopplung bereitgestellt, ist die primärenergetische Bewertung sowohl von mehreren Teilwirkungsgraden als auch den Primärenergiefaktoren für den eingesetzten Brennstoff und die erzeugte bzw. bezogene elektrische Energie abhängig. Eine umfangreiche Messkampagne im Sommer 2018 liefert unter realitätsnahen Randbedingungen in einer Labor umgebung detaillierte Energiekennzahlen für einen typischen Tagesgang des Kältebedarfs. Damit gelingt es, Teilenergiekennwerte für die Planungspraxis abzuleiten und das Gesamtsystem energetisch mit einer konventionellen Kompressionskältemaschine zu vergleichen.
With the growing share of renewable energies in the electricity supply, transmission and distribution grids have to be adapted. A profound understanding of the structural characteristics of distribution grids is essential to define suitable strategies for grid expansion. Many countries have a large number of distribution system operators (DSOs) whose standards vary widely, which contributes to coordination problems during peak load hours. This study contributes to targeted distribution grid development by classifying DSOs according to their remuneration requirement. To examine the amendment potential, structural and grid development data from 109 distribution grids in South-Western Germany, are collected, referring to publications of the respective DSOs. The resulting data base is assessed statistically to identify clusters of DSOs according to the fit of demographic requirements and grid-construction status and thus identify development needs to enable a broader use of regenerative energy resources. Three alternative algorithms are explored to manage this task. The study finds the novel Gauss-Newton algorithm optimal to analyse the fit of grid conditions to regional requirements and successfully identifies grids with remuneration needs. It is superior to the so far used K-Means algorithm. The method developed here is transferable to other areas for grid analysis and targeted, cost-efficient development.
Model-based analysis of Electrochemical Pressure Impedance Spectroscopy (EPIS) for PEM Fuel Cells
(2019)
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a widely-used diagnostic technique to characterize electrochemical processes. It is based on the dynamic analysis of two electrical observables, that is, current and voltage. Electrochemical cells with gaseous reactants or products, in particular fuel cells, offer an additional observable, that is, the gas pressure. The dynamic coupling of current or voltage with gas pressure gives rise to a number of additional impedance definitions, for which we have previously introduced the term electrochemical pressure impedance spectroscopy (EPIS) [1,2]. EPIS shows a particular sensitivity towards transport processes of gas-phase or dissolved species, in particular, diffusion coefficients and transport pathway lengths. It is as such complementary to standard EIS, which is mainly sensitive towards electrochemical processes. First EPIS experiments on PEM fuel cells have recently been shown [3].
We present a detailed modeling and simulation analysis of EPIS of a PEM fuel cell. We use a 1D+1D continuum model of a fuel/air channel pair with GDL and MEA. Backpressure is dynamically varied, and the resulting simulated oscillation in cell voltage is evaluated to yield the ▁Z_( V⁄p_ca ) EPIS signal. Results are obtained for different transport situations of the fuel cell, giving rise to very complex EPIS shapes in the Nyquist plot. This complexity shows the necessity of model-based interpretation of the complex EPIS shapes. Based on the simulation results, specific features in the EPIS spectra can be assigned to different transport domains (gas channel, GDL, membrane water transport).
Die erste Auflage von "Ausführung von Stahlbauten" wurde – trotz ihres erheblichen Umfangs – zu einem sehr beliebten Nachschlagewerk und unverzichtbaren Praxishelfer in vielen Bereichen des Stahlbaus. Nachdem die Normen, auf die sich die erste Auflage bezieht, grundlegend überarbeitet wurden, entstand mit dem hier vorliegenden Buch auch eine aktualisierte Nachfolgeausgabe der Kommentare. Das Werk profitiert davon, dass es von den im Normungsausschuss federführenden Spezialisten ausgearbeitet wurde: Die Autoren liefern also zuverlässig die korrekten Interpretationen der Normentexte. Damit ist auch diese zweite Auflage von "Ausführung von Stahlbauten" eine gute Wahl, um mit den Normen DIN EN 1090-2 und DIN EN 1090-4 sicher und professionell arbeiten zu können. Da sich die Norm DIN EN 1090-1 aktuell in Überarbeitung befindet, ist diese nicht Teil der zweiten Auflage der Stahlbauten-Kommentare.
Cast aluminum alloys are frequently used as materials for cylinder head applications in internal combustion gasoline engines. These components must withstand severe cyclic mechanical and thermal loads throughout their lifetime. Reliable computational methods allow for accurate estimation of stresses, strains, and temperature fields and lead to more realistic Thermomechanical Fatigue (TMF) lifetime predictions. With accurate numerical methods, the components could be optimized via computer simulations and the number of required bench tests could be reduced significantly. These types of alloys are normally optimized for peak hardness from a quenched state that maximizes the strength of the material. However due to high temperature exposure, in service or under test conditions, the material would experience an over-ageing effect that leads to a significant reduction in the strength of the material. To numerically account for ageing effects, the Shercliff & Ashby ageing model is combined with a Chaboche-type viscoplasticity model available in the finite-element program ABAQUS by defining field variables. The constitutive model with ageing effects is correlated with uniaxial cyclic isothermal tests in the T6 state, the overaged state, as well as thermomechanical tests. On the other hand, the mechanism-based TMF damage model (DTMF) is calibrated for both T6 and over-aged state. Both the constitutive and the damage model are applied to a cylinder head component simulating several cycles on an engine dynamometer test. The effects of including ageing for both models are shown.
Im Beitrag werden nach einer kurzen Einführung zu hochfesten Stählen und dem Schweißen von hochfesten Stählen die gültigen und zukünftigen Bemessungsregeln von Schweißverbindungen mit hochfesten Stählen behandelt und an Beispielen erläutert. Es werden die für den Schweißprozess wichtigen Material‐ und Gefügeeingeschaften und Herstellungsverfahren von höherfesten Stählen beschrieben und die sich daraus einstellenden Anforderungen während des Schweißvorgangs dargelegt. Anhand von Beispielen werden die derzeit gültigen Bemessungsregeln für Schweißverbindungen mit höherfesten Stählen erläutert und ein neues durch Versuche abgesichertes Bemessungsmodell für Kehlnähte vorgestellt, das es erlaubt, gezielt den wichtigen Einfluss des Schweißzusatzwerkstoffs zu erfassen. Abschließend werden die aus numerischen Schweißsimulationen gewonnenen Erkentnisse hinsichtlich Temperatur, Gefüge, Eigenspannungszustand und auch Tragverhalten einer Schweißnaht beschrieben und durch Beispiele veranschaulicht.
Numerische Physik
(2019)
Dieses Lehrbuch stellt die Numerische Physik anhand einer Vielzahl von Beispielen aus den Bereichen Mechanik, Elektrodynamik, Optik, Statistischer Physik und Quantenmechanik dar. Der Leser lernt hier nicht nur die wichtigsten numerischen Techniken in der Programmiersprache C++ kennen, sondern erhält auch neue Einblicke in die Physik, die konventionelle Zugänge nicht bieten. Das Werk schließt damit eine Lücke zwischen den Standardlehrbüchern der Theoretischen Physik und denen der reinen Programmierung.
Zu jedem der physikalischen Themen gibt es eine kurze Wiederholung des theoretischen Hintergrunds und anschließend werden ausgewählte Beispiele im Detail ausgearbeitet. Übungen am Ende des Kapitels bieten weitere Gelegenheit die Anwendungen des Gelernten zu vertiefen.
Das Buch richtet sich vornehmlich an Physikstudierende höherer Semester, die bereits über eine Basis in Theoretischer Physik verfügen und auch Grundkenntnisse in der Programmierung in C++ mitbringen.
Auf der Produktseite zum Buch auf springer.com finden sich alle Quelltexte zu den Programmen im Buchtext zum Download. Im Anhang erhalten Sie eine Zusammenstellung und Erläuterung frei verfügbarer Software, die sowohl dem Windows-Anwender als auch dem Linux-Freund alle Werkzeuge an die Hand gibt, die er zur Bearbeitung anspruchsvoller physikalischer Fragestellungen benötigt - von Compilern über numerische Bibliotheken bis hin zu Visualisierungstools.
Energietechnik
(2019)
Kurz und prägant werden die Energieumwandlungsprozesse dargestellt. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energieverteilung und zum Kyoto-Protokoll. Zu allen Kapiteln gibt es Aufgaben mit vollständigen Lösungen im Anhang. In der aktuellen Auflage sind die Grundlagen der Energiewandlung deutlich um verfügbare Energiequellen, Energieträger und den globalen Energiebedarf erweitert. Das Kapitel 19 wurde von seinem neuen Autor grundlegend neu gefasst und heißt nun „Marktliberalisierung und Energiewende“. Alle Kapitel wurden aktualisiert und die Inhalte didaktisch noch verständlicher dargestellt.
Vorgestellt wird ein Konzept zur biologischen Methanisierung von Wasserstoff direkt in Biogasreaktoren, mit dem durch Membranbegasung der Methangehalt des Biogases auf > 96 % erhöht werden kann. Essentiell zum Erreichen solch hoher Methanwerte sind die Einhaltung eines optimalen pH-Bereichs und die Vermeidung von H2-Akkumulation. Im Falle einer Limitierung der Methanbildungsrate durch den eigentlichen anaeroben Abbauprozess der Biomasse ist auch eine externe Zufuhr von CO2 zur weiteren Methanbildung denkbar. Das Verfahren soll weiter optimiert und in einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Projekt in der Biogasanlage einer regionalen Käserei in der Praxis getestet werden. Die hier angestrebte Kombination aus dezentraler Abfallverwertung und Eigenenergieerzeugung eines lebensmittelverarbeitenden Betriebs unter Einbindung in ein intelligentes Erneuerbare Energien - Konzept soll einen zusätzlichen Mehrwert liefern.
Für Verkehrsunternehmen stellt die Erprobung neuer Technologien eine große Herausforderung dar.
Sowohl Wasserstoff-Busse als auch Batterie-Busse können ihren Beitrag zur Umstellung des ÖPNV auf emissionsfreie Mobilität leisten. Je nach Anwendungsmuster können sich beide Technologien gut ergänzen und zu einem volkswirtschaftlichen Optimum führen. Es gilt, die Technologien im realen Umfeld zu erproben, um praxisnahe Erfahrung zu sammeln und dabei Mitarbeiter auszubilden, ohne die Qualität des Betriebes zu gefährden. Bei der aktuellen Kostenlage sehen beide Technologien ihre Einführung in den Betrieb mit Mehrkosten im Vergleich zu der aktuellen Diesel-Lösung verbunden.
Bei einer Batterie-basierten Lösung mit Pantograph-Schnellladung sind kürzere Linien gute Kandidaten für eine elektrische Umstellung ohne Auswirkungen auf die Größe der Busflotte. Auch Liniensysteme beliebiger Länge mit Knotenpunkten in regelmäßigen Abständen ermöglichen eine gemeinsame Nutzung der Ladeinfrastruktur und stellen somit reduzierte Aufbaukosten der Ladeinfrastruktur in Aussicht. In diesem Fall sind aber auch Fahrplanmanagement-Aspekte hinsichtlich der Ladezeit am Pantograph mit zu berücksichtigen, die nicht Bestandteil dieser Studie gewesen sind. Allgemein lassen die Kosten-Prognosen für Batterie und Batterie-elektrische Fahrzeuge eine signifikante Kostenreduzierung bis 2030 erkennen, die in manchen Konfigurationen zur Kostenparität und sogar geringeren Kosten als mit der Diesel-Variante führen würde.
Anders als für Batterie-Busse stellt die Linien-Konfiguration keinen wirtschaftlichen Einflussfaktor auf den Betrieb von Wasserstoff-Bussen dar. Die derzeitige Reichweite der H2-Busse reicht aus, um die zu erwartende tägliche Fahrleistung zu decken. Bei der Wasserstoffmobilität sind aber die Versorgungsinfrastruktur und die damit verbundenen Kraftstoffkosten von entscheidender Bedeutung. Ihr Aufbau ist mit hohen Investitionskosten und gesetzlichen Verpflichtungen verbunden (BImSchG, BetrSichV), die für eine erste Erprobung der Technologie im kleinen Maßstab eine Hürde für Verkehrsunternehmen darstellen könnte. Die H2 Mobility Deutschland bietet die Möglichkeit an, 700 bar Tankstellen mit einem 350 bar Modul zu erweitern, das die tägliche Versorgung von ca. 6 Bussen ermöglicht. Mit begrenzten Risiken für die Verkehrsunternehmen bietet es sich daher an, die H2 Mobilität auf eine limitierte Busflotte zu erproben. Da der Aufbau des H2-Mobility Deutschland Tankstellennetzes eine Lücke in Offenburg und Umgebung aufweist, wäre es vorstellbar, an der Errichtung einer solchen Tankstelle zu arbeiten, die die Betankung und Erprobung von Wasserstoff-Bussen ermöglicht. Auf längerer Sicht ist die Sicherstellung einer gut platzierten zuverlässigen und nachhaltigen Wasserstoffquelle von entscheidender Bedeutung. Derzeit liegen vorhandene Wasserstoffquellen in mehr als 100 km Entfernung. Eine Nutzung der Wasserkraft des naheliegenden Rheins erscheint durchaus sinnvoll, sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus umwelttechnischen Gründen (erneuerbarer Strom, Stromkostenreduzierung durch Eigenversorgung, kürzere Transportwege, möglicher Nutzen für die Eurometropole Straßburg).
Es lässt sich festhalten, dass für die Region Offenburg zunächst die Erprobung beider Technologien, der Elektromobilität als auch der Wasserstoffmobilität, empfohlen wird. Es sollte zeitnah in den Erfahrungsaufbau in beide Technologien investiert werden. Zudem sollte bei der Elektromobilität das Flottenmanagement untersucht und evaluiert werden und bei der Wasserstoffmobilität die Möglichkeiten der Kooperation für den Aufbau der Wasserstofftankstelle. Im Rahmen der nächsten Ausschreibungsrunde für den öffentlichen Nahverkehr in Offenburg wird empfohlen, diesen emissionsfrei auszuschreiben. Es ist absehbar, dass aus Kostengründen (Kostenparität der Elektromobilität mit der Dieselvariante) als auch aus Gründen der Anforderung bzgl. der Emissionsgrenzwerte der ÖPNV emissionsfrei umgesetzt werden sollte.
Ausgehend von eindimensionalen reibungsfreien Strömungen wird die Bernoulli-Gleichung und die Energiebilanz hergeleitet. Mit der Eulerschen Betrachtungsweise wird der Unterschied zwischen stationären und zeitabhängigen Strömungen verdeutlicht und an zahlreichen Beispielen angewandt. Die zweidimensionalen reibungsfreien und inkompressiblen Strömungen werden mit der Potenzialtheorie behandelt. Die Lösungseigenschaften werden am Beispiel der Zylinderumströmung ohne und mit Zirkulation aufgezeigt.
Die Navier-Stokes Gleichungen bilden mit der Energiegleichung die Basis zur Beschreibung reibungsbehafteter Strömungen. Kennzahlen bilden die Grundlage der Ähnlichkeitsbetrachtungen und Modellgesetze. Lösungen werden für laminare und turbulente Strömungen ermittelt. Der Impulssatz dient zur Berechnung von Kraftwirkungen. Druckverluste bei Durchströmungen und Strömungswiderstände bei Umströmungen werden an Beispielen ermittelt. Die Grenzschichttheorie findet bei hohen Reynoldszahlen Anwendung.
Die Eigenschaften von Fluiden sind zur Beschreibung von Strömungsvorgängen mit den Erhaltungssätzen für Masse, Impuls und Energie notwendig. Für inkompressible Fluide wird die Grenze der Dichteänderung in Abhängigkeit der Machzahl angegeben. Die Rheologie behandelt die Fließeigenschaften der Fluide bei Deformationen in Strömungen. Die Viskosität tritt beim newtonschen Schubspannungsansatz auf. Das Verhalten von Druck und Dichte in der Hydro- und Aerostatik wird beschrieben.
Die Kombination von Reibung und Kompressibilität wird bei der Rohrströmung, der Kugelumströmung und der laminaren und turbulenten Plattengrenzschicht untersucht. Das Auftreten von Verdichtungsstößen führt zur Stoß-Grenzschicht-Interferenz und auf den Tsien-Parameter. Die Mach-Reynoldszahl Ähnlichkeit in der Gasdynamik führt zur Abgrenzung der verschiedenen Strömungsbereiche. Resultate von Windkanaluntersuchungen sowie analytischen und numerischen Berechnungen werden für das Rhombusprofil und das NACA 0012 Profil analysiert.
Industrie 4.0 bedeutet nicht nur einen Wandel der technischen Möglichkeiten und Arbeitsbedingungen, sondern auch einen Bedarf an neuen, sich kontinuierlich weiterentwickelnden Kompetenzen und die Bereitschaft der Beschäftigten, Veränderungen mitzugestalten. Spielerische Ansätze der Kompetenzentwicklung können v.a. bei weiterbildungsfernen Mitarbeitern hilfreich sein, um das komplexe Thema verständlich zu vermitteln. Der Beitrag beschreibt ein Seminarkonzept mit integriertem Brettspiel, mit dem Teilnehmer anhand eines fiktiven Unternehmens (Müller GmbH) die Transformation eines Unternehmens in die Industrie 4.0 spielerisch nachvollziehen. Dieses Konzept erweist sich in einer ersten Evaluation als durchaus vielversprechend.