TY - JOUR T1 - Amtliches Mitteilungsblatt der BTU Cottbus–Senftenberg, 2023,09 (02.08.2023) N2 - Neufassung der Promotionsordnung der Fakultät Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg vom 01. August 2023 T3 - Amtliches Mitteilungsblatt der BTU Cottbus–Senftenberg - 2023, H. 09 Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63529 ER - TY - THES A1 - Khan, Muhammad Moman T1 - Escherichia coli colonization T1 - Kolonisierung mit Escherichia coli N2 - To increase our understanding of bacterial intestinal colonization in animal populations lacking anthropogenic influence we devised the first objective and studied the diversity of E. coli in pristine wild animal population. Overall, E. coli in cormorants maintained a high diversity under minimal anthropogenic influences. E. coli were isolated from individual birds of two cormorant colonies located on small islands in lakes at least 100 km away from human settlements. Diversity of the isolates was studied using pulsed field gel electrophoresis (PFGE). 137 isolates of cormorant colony-1 and 75 isolates of cormorant colony-2 resulted in 60 and 33 PFGE types, respectively. Representative strains of each PFGE type were analysed in terms of phylogroups, extraintestinal virulence associated genes (exVAGs), adhesion to the chicken intestinal cell line and antimicrobials. Most isolates belonged to phylogroup B1 (68.3%) followed by B2 and E with B2 harbouring the highest total number of exVAGs per isolate. Surprisingly, a PFGE type with relatively few exVAGs displayed the highest isolation frequency, also showing a high adhesion rate. Comparative analysis of exVAGs to other E. coli populations of wildlife origin revealed that the secreted autotransporter toxin encoding sat gene was only present in cormorants. The second objective was to characterize and identify factors contributing to the novel adhesion phenotype, known as Clumpy adhesion by the strain 4972 E. coli when incubated on human urinary bladder 5637 cell line. Transcriptome and proteome of adhered bacteria clustered together and diverged from bacteria in the supernatant. The clumpy structure was further explored in terms antibiotic stress where sessile structures could tolerate high antibiotic pressure of ampicillin up to 16 mg/ml and gentamicin up to 2 µg/ml. Data analysis unveiled differential expression of 623 genes between bacteria forming clumps and in supernatant. 148 genes were hypothetical and five hypothetical genes i.e., ffp, espX1, pilV, spnT and yggT along with four known genes i.e., dnaK, spy, flgH and fimH were targeted for deletion. Seven genes deletion mutants, three known (i.e., spy, flgH and fimH) and four hypothetical (ffp, pilV, spnT and yggT) genes were successfully generated and analysed for various parameters. ΔflgH showed loss of clumpy phenotype and adhesion ability up to 80% was regenerated by complementation. When antibiotic stress by ampicillin was applied after clump formation, Δffp depicted no effect of high concentration of ampicillin. In case of ΔpilV, adhesion significantly increased to 151% and upon complementation, adhesion was reduced to 53%. ΔspnT during ampicillin stressed adhesion fared almost 8.5 times better than the wild type strain. ΔyggT exhibited high adhesion of 145.5 % and upon reintroduction, adhesion decreased to 13%. Overall, we were able characterize a new phenotype and determined the role of genes contributing to clumpy adhesion phenotype. N2 - Um das Verständnis von der bakteriellen Darmbesiedlung in Tierpopulationen ohne anthropogene Einflüssne zu verbessern, wurde die Vielfalt von E. coli in unberührten Wildtierpopulationen untersucht. Die Diversität von E. coli in Kormoranen unter minimalen anthropogenen Einflüssen ist hoch. E. coli wurden von einzelnen Komoranen aus zwei Kolonien isoliert, die sich auf kleinen Inseln in Seen befinden (>100 km von menschlichen Siedlungen entfernt). Die Diversität der Isolate wurde mittels Pulsfeldgelelektrophorese (PFGE) untersucht. 137 Isolate von Kolonie-1 und 75 Isolate von Kolonie-2 ergaben 60 bzw. 33 PFGE-Typen. Repräsentative Stämme jedes PFGE-Typs wurden hinsichtlich Phylogruppen, extraintestinale Virulenz-assoziierte Gene (exVAGs), Adhäsion an einer Hühnerdarmzelllinie und Antibiotikaresistenzen analysiert. Die meisten Isolate gehörten zur Phylogruppe B1 (68,3 %), gefolgt von B2 und E, wobei B2 die höchste Gesamtzahl an exVAGs pro Isolat aufwies. Überraschenderweise wies ein PFGE-Typ mit relativ wenigen exVAGs die höchste Isolationshäufigkeit auf und zeigte eine hohe Adhäsionsrate. Eine vergleichende Analyse der exVAGs mit anderen E. coli - Populationen aus Wildtieren ergab, dass das sat-Gen (sekretierte Autotransporter-Toxin) nur bei Kormoranen vorkommt. Das 2. Ziel war die Charakterisierung und Identifizierung von Faktoren, die zu einem neuartigen Adhäsionsphänotyp beitragen; wird E. coli-Stamm 4972 auf der Zelllinie 5637 inkubiert, adhäriert dieser in Klumpen. Transkriptom und Proteom der anhaftenden Bakterien gruppierten sich zusammen und unterschieden sich von den Bakterien im Überstand. Die klumpige Struktur wurde auf Antibiotikastress untersucht, wobei die sessilen Strukturen einen hohen Antibiotikadruck tolerierten (bis zu 16 mg/ml Ampicillin und bis zu 2 µg/ml Gentamicin). Die Datenanalyse ergab eine unterschiedliche Expression von 623 Genen zwischen Bakterien, die Klumpen bilden, und solchen im Überstand. 148 Gene waren hypothetisch. Fünf hypothetische Gene (ffp, espX1, pilV, spnT, yggT) sowie vier bekannte Gene (dnaK, spy, flgH, fimH) wurden gezielt deletiert. Sieben Gen-Deletionsmutanten (spy, flgH, fimH und ffp, pilV, spnT, yggT) wurden erfolgreich erzeugt und auf verschiedene Parameter untersucht. ΔflgH zeigte einen Verlust des klumpigen Phänotyps und die Adhäsionsfähigkeit wurde durch Komplementierung zu 80 % wiederhergestellt. Wurde nach der Klumpenbildung eine antibiotische Belastung mit Ampicillin durchgeführt, zeigte Δffp keine Wirkung bei hohen Konzentration. Bei ΔpilV erhöhte sich die Adhäsion signifikant auf 151 %, und nach der Komplementierung betrug die Adhäsion 53 %. ΔspnT schnitt bei Ampicillin-belasteter Adhäsion fast 8,5 Mal besser ab als der Wildtyp-Stamm. ΔyggT wies eine hohe Adhäsion von 145,5 % auf, und sank nach Wiedereinführung auf 13 %. Insgesamt konnten wir einen neuen Phänotyp charakterisieren und die Rolle von Genen bestimmen, die zum Phänotyp der klumpigen Adhäsion beitragen. KW - E. coli KW - Colonization KW - Adhesion KW - Antibiotic resistance KW - Genes KW - Kolonisation KW - Antibiotikaresistenz KW - Gene KW - Adhäsion KW - Tiere KW - Darmflora KW - Escherichia coli KW - Gen KW - Antibiotikum KW - Arzneimittelreistenz Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64429 ER - TY - THES A1 - Zent, Natalia T1 - Spannungsregelung und Stabilitätsverhalten dezentraler Erzeugungsanlagen in stromrichterdominierten Verteilernetzen T1 - Voltage regulation and stability behavior of decentralized generation systems in converter-dominated distribution networks N2 - In der Arbeit wird die Neue Direkte Spannungsregelung von dezentralen Erzeugungsanlagen in der PowerFactory Simulationsumgebung von der DIgSILENT GmbH implementiert und das Stabilitätsverhalten dieser Anlagen in Verteilernetzen untersucht. Die Herleitung der mathematischen Modelle erfolgt im Laplace-Bereich und gibt die Möglichkeit her, neben ihrem Einsatz in Netzberechnungssoftware, die Auslegung und Optimierung der Regelung des gesamten Netzmodells zu berechnen. Die Ableitung der Regelungsmodelle der Wind-, Solar und statischen Generator-Anlagen erfolgt dabei in der Raumzeigerdarstellung im dq-Koordinatensystem. Mit Hilfe der Raumzeigerrechnung können elektrische Größen in Drehstromverbrauchern schnell berechnet und anschaulich im stationären Zustand als Gleichgrößen dargestellt werden. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Auswahl der Netztopologie und Netzmodelle in der Power Factory Simulationsumgebung. Die ausgewählten Benchmark-Modelle sind synthetische 110-kV-Verteilernetze, die vorgelagerte Höchst- und nachgelagerte Mittelspannungsnetzmodelle beinhalten. Im zweiten Teil wird die Neue Direkte Spannungsregelung der dezentralen Erzeugungsanlagen implementiert. Die Regler werden unter Verwendung geeigneter Auslegungsverfahren, wie dem Betragsoptimum, hinsichtlich des dynamischen Führungsverhaltens eingestellt. Im dritten Teil wird ein worstcase betrachtet. Hier geht es um ein simuliertes Splitting-System Szenario. Ein großer Teil des Verteilernetzes trennt sich und bildet ein Inselnetzwerk. Das dabei entstehende Leistungsungleichgewicht, ein Sprung von ungefähr 5 bis 10 GW, soll durch die Spannungsregelung ausgeglichen werden. N2 - In this paper, the New Direct Voltage Control model of a decentralized generation plant is implemented in the simulation environment PowerFactory from DIgSILENT GmbH. This model will be used to analyze the stability and behavior of these plants in electrical power distribution networks. The derivation of the mathematical models is done through the Laplace transformation and gives the possibility to design and optimize the control of the network and integrate the system into a network calculation software. The derivation of the control models for wind, solar and static generator systems is done in space vector representation in the dq-coordinate system. Using the space vector calculation, electrical quantities of three-phase circuits can be calculated quickly, and vividly displayed since the dq-transformation provides Direct Current quantities in a steady state. The first part of the paper deals with the selection of network topology and network models in the Power Factory simulation environment. The selected Benchmark Models are synthetic 110-kV-distribution networks, including preceding high voltage and succeeding medium voltage network models. In the second part, the newly developed New Direct Voltage Control of DER is implemented. The controllers are designed regarding dynamic control behavior using suitable design methods, such as the absolute value optimum. In the third part, the worst-case scenario is considered. In this case, it is the simulation of a system splitting scenario, whereby a large part of the distribution network separates and becomes isolated. The resulting power imbalance, a jump of approximately 5 to 10 GW in the system, must be controlled by the voltage regulator. KW - Spannungsregelung KW - Stabilitätsverhalten KW - Erzeugungsanlagen KW - PowerFactory KW - Laplace-Bereich KW - Voltage control KW - Stability behavior KW - Generation-plant KW - Laplace-transformation KW - Elektrizitätserzeugung KW - Verteilungsnetz KW - Spannungsregelung KW - Laplace-Transformation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64445 ER - TY - THES A1 - Doynov, Nikolay T1 - Hybride Modelle für Verzugs- und Eigenspannungsberechnung von großen und komplexen Schweißkonstruktionen T1 - Hybrid models for calculation of distortion and residual stresses in large and complex welded structures N2 - Das Schweißen führt zu einer lokalen, ungleichmäßigen Erwärmung der Fügestelle. Die dadurch hervorgerufenen lokalen plastischen Verformungen und metallurgischen Werkstoffveränderungen bewirken nach der Abkühlung bleibenden Verzug und Eigenspannungen. Diese beeinflussen die reibungslose Durchführung des Fertigungsprozesses und die Qualität der geschweißten Konstruktion und schließlich stellen letztlich deren Einsatz in Frage. Somit steht für die meisten Industrieanwendungen die gesicherte Minimierung bzw. Beherrschung des Schweißverzuges und der Schweißeigenspannungen, insbesondere bei großen Konstruktionen im Vordergrund. Mittels der Vorkenntnis über den zu erwartenden Verzug und die Entwicklung der Eigenspannungen während und nach dem Schweißen können zum einen geeignete Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise Einspannszenarien, Vorverformungen oder Schweißreihenfolgen sowie eine gezielte Vor-, Zwischen- oder Nachwärmebehandlung zweckmäßig gewählt werden. Zum anderen ist es möglich, die darauffolgenden notwendigen Nachbehandlungen, wie z.B. das thermische Richten, schon in einem sehr frühen Stadium des Produktentwicklungsprozesses vorauszuplanen. Demzufolge besteht seitens der Forschung ein sehr großes Interesse an der Entwicklung verlässlicher Modelle und Methoden zur Schweißverzugs- und Eigenspannungsberechnung. Die vorliegende Habilitationsschrift befasst sich mit den theoretischen Grundlagen und den simulationstechnischen Aspekten der Schweißverzug- und Eigenspannungsberechnung von großen komplexen Schweißkonstruktionen. Im Mittelpunkt stehen die analytisch-numerische Hybridmodelle. Diese bestehen aus einem analytischen Teil für die lokale thermomechanische Berechnung und einen numerischen Teil für die globale strukturmechanische Berechnung. Die beiden Teilaufgaben sind stark gekoppelt. Der Schwerpunkt liegt in der Weiteentwicklung und in den Umsatzmöglichkeiten des analytischen Ansatzes. Darüber hinaus wird die Anwendung der Hybriden Modellierung zur Berechnung von Verzug und Eigenspannungen in praxisrelevanten Schweißkonstruktionen an zahlreichen Beispielen demonstriert. Die Aspekte der Einbringung der Simulation in die Fertigungs- oder Produktkette werden ebenso thematisiert. N2 - Welding causes local, non-uniform heating of the joint. The resulting local plastic deformations and metallurgical material changes cause after cooling residual distortions and stresses. These affect the smooth performance of the manufacturing process and the quality of the welded structure, finally putting its use into question. Thus, for most industrial applications, the minimization or control of welding distortion and residual stresses, especially for large constructions, is of primary importance. By knowing in advance the distortion to be expected and the development of residual stresses during and after welding, it is possible, on the one hand, to select suitable measures to control the distortion, such as clamping scenarios, preforming or welding sequences, as well as targeted pre-, intermediate- or post-weld heat treatment. On the other hand, it is possible to plan in advance the subsequent necessary post-treatments, such as thermal straightening, at a very early stage of the product development process. Consequently, there is a very great interest on the part of the research community in the development of reliable models and methods for weld distortion and residual stress calculation. This postdoctoral thesis deals with the theoretical fundamentals and simulation aspects of weld distortion and residual stress calculation of large complex welded structures. The focus is on analytical-numerical hybrid models. These consist of an analytical part for the local thermomechanical calculation and a numerical part for the global structural mechanical calculation. The two subtasks are strongly coupled. The main issue is the ongoing development and the turnover possibilities of the analytical approach. In addition, the application of hybrid modeling for the calculation of distortion and residual stresses in practically relevant welded structures is demonstrated with numerous examples. The aspects of incorporating simulation into the manufacturing or product chain will also be addressed. KW - Schweißsimulation KW - Eigendehnung KW - Schweißverzug KW - Schweißeigenspannungen KW - Vortgeschrittene Schweißfertigung KW - Computational welding mechanics KW - Inherent strain KW - Welding distortions KW - Welding residual stresses KW - Advanced welding manufacturing KW - Schweißen KW - Schweißspannung KW - Thermomechanik KW - Strukturmechanik KW - Tragfähigkeit KW - Richten KW - Intelligente Fertigung KW - Computersimulation KW - Konzeptionelle Modellierung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64536 ER - TY - THES A1 - Chauhan, Ekta T1 - Role of community in managing cultural heritage tourism in historical quarters of Delhi : case studies of Nizamudinn Basti and Shahjahanabad T1 - Rolle der Gemeinschaft bei der Verwaltung des Kulturerbe-Tourismus in den historischen Vierteln von Delhi : Fallstudien von Nizamudinn Basti und Shahjahanabad N2 - This doctoral research examines community participation in decision-making for Cultural Heritage Tourism (CHT) in Nizamuddin Basti and Shahjahanabad, historical sites in New Delhi, India. It includes three papers addressing community participation barriers, resident motivation, and collective action dilemmas using the Institutional Analysis and Development-Network of Adjacent Action Situations (IAD-NAAS) framework. The study identifies four main barriers: institutional constraints, limited awareness, capacity issues, and cultural norms inhibiting residents' involvement in CHT decision-making. Despite these obstacles, the community's deep attachment to the area's heritage, appreciation of tangible and intangible heritage, and recognition of communal benefits motivate participation. Using the IAD-NAAS framework, the research unravels collective action dilemmas, emphasizing how individual actions in one context can impact actions in adjacent contexts. Key action situations are monument conservation, local community livelihood development, tourism development, and community decision-making participation. Through in-depth interviews, the study garners a rich understanding of barriers and motivations for community participation. It highlights the role of community involvement in creating inclusive, diverse heritage narratives, challenging the conventional discourses dominating heritage narratives. Thus, fostering a democratic and inclusive approach to heritage. N2 - In dieser Doktorarbeit wird die Rolle der Gemeinschaften bei dem Entscheidungsprozess für den Kulturerbe-Tourismus (Cultural Heritage Tourism-CHT) in den ausgewählten Fallstudiengebieten in Neu-Delhi, Indien, untersucht. Es handelt sich um eine kumulative Arbeit, die drei veröffentlichte Forschungsarbeiten umfasst. Die Doktorarbeit befasst sich mit drei großen Aspekten der Bürgerbeteiligung: Hindernissen für die lokalen Gemeinschaften bei der Beteiligung an der Entscheidungsfindung im Bereich des Kulturerbe-Tourismus, Motivation der Einwohner, sich an dieser Entscheidungsfindung zu beteiligen, und der Analyse von ‚collective action dilemmas‘ unter Verwendung des IAD-NAAS-Rahmens (Institutional Analysis and Development-Network of Adjacent Action Situations- IAD-NAAS). Qualitative Forschungsmethoden waren entscheidend für den Erfolg dieser Studie. Mithilfe ausführlicher Interviews gelang es der Studie, ein umfassendes und differenziertes Verständnis der Barrieren und Motivationen für gesellschaftliche Teilhabe zu gewinnen. Durch die Einbindung von Gemeindemitgliedern in den Entscheidungsprozess können Kulturtourismusinitiativen dazu beitragen, einen demokratischeren und integrativeren Ansatz im Umgang mit dem Kulturerbe zu fördern und die vorherrschenden Narrative in Frage zu stellen, die traditionell unser Verständnis der Vergangenheit geprägt haben. KW - Heritage policy KW - Community participation KW - Decision making KW - Heritage tourism KW - South Asia KW - Kulturerbe KW - Tourismus KW - Südasien KW - Entscheidungsprozess KW - Gemeinschaftsbeteiligung KW - Delhi KW - Kulturerbe KW - Tourismus KW - Bürgerbeteiligung KW - Entscheidungsprozess Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63990 ER - TY - THES A1 - Schreckinger, José T1 - Short- and long-term succession in intermittent rivers and ephemeral streams : sediment microbial communities structure and biogeochemical trajectories T1 - Kurz- und langfristige Sukzession in intermittierenden Flüssen : Struktur mikrobieller Sedimentgemeinschaften und biogeochemische Trajektorien N2 - Intermittent rivers and ephemeral streams (IRES) experience drying events, and they are becoming increasingly common due to climate change and anthropogenic water withdrawal. Despite their prevalence, IRES have been less studied than non-drying rivers, and more research is needed to understand their dynamics. This dissertation examines drying events' effects on the sediment microbial community structure and biogeochemistry in temperate IRES. First, a research study was carried out using an outdoor mesocosm setup to track changes in bacterial and fungal communities, microbial functions and properties of sediment-dissolved organic carbon during three different drying events. Results showed that drying duration and intensity and sediment organic matter content regulated river Spree sediment microbial community composition and biogeochemical processes during drying. The associated sediment respiration, assessed as CO2 flux, rapidly declined during all drying treatments, and Bacilli class became the most dominant bacteria after 90 days of drying, except in non-enriched sediment under the most intense drying. Second, a microcosm experiment was conducted to understand how sediment drying history and properties influence biogeochemical dynamics during an IRES expansion phase. Sediment respiration and nutrient release/retention rates were measured through flow resumption, and results showed that drying duration and intensity and sediment organic matter content regulated the dynamics of nutrients and respiration upon flow resumption. Under the most intense and prolonged drying, non-enriched sediment showed a lag response in respiration during the first day after flow resumption, while all other treatments had either a linear increase or a fast pulse in respiration. Finally, the long-term microbial succession in IRES sediment and soil in the experimental catchment of Chicken Creek was investigated. In 2008 and 2018, the sediment of three ephemeral streams and their adjacent soil was analyzed for the structure of the bacterial and fungal communities and microbial functions across different seasons. Results showed that environmental factors, such as vegetation type and organic matter content, mediated sediment and soil microbial succession in Chicken Creek. Ephemeral streams under spare and sporadic flow events remained unique ecosystems with distinctive microbial communities and biogeochemical dynamics, different from its riparian soil. Overall, this dissertation concludes that temperate IRES are dynamic ecosystems where dry-wet cycles and environmental factors modulate their sediment microbial community structure and function trajectories in the short- and long term. N2 - Periodisch wiederkehrende Bäche und Flüsse (IRES, intermittent rivers and ephemeral streams) sind Gewässerkörper die episodisch austrocknen und durch Klimawandel und anthropogener Wasserentnahme zunehmend häufiger werden. Obwohl sie weit verbreitet sind, sind IRES bisher weit weniger erforscht worden als dauerhaft wasserführende Flüsse. Die vorliegende Dissertation untersucht Auswirkungen von Trockenperioden in IRES der gemäßigten Klimazone auf biogeochemische Parameter des Sediments sowie bakterielle und pilzliche Gemeinschaften. Zum einen wurde in einem Mesokosmen-Experiment im Freiland die bakterielle und pilzliche Diversität, sowie Eigenschaften von sedimentären, gelösten organischem Kohlenstoff und mikrobiellen Funktionen für verschiedene Austrocknungsintensitäten untersucht. Die Dauer und Intensität der Austrocknung, sowie die Konzentration an organischer Substanz, bewirkten maßgeblich eine Veränderungen der Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft sowie der biogeochemischen Prozesse im Spree-Sediment während der Trockenphasen. In allen Austrocknungsintensitäten nahm die Respiration aus dem Sediment, gemessen als CO2 Emissionen, schnell ab; wobei die Ordnung Bacilli nach 90 Tagen Trockenzeit dominant wurde. Ausnahme war hier Sediment das nicht mit organischer Substanz angereichert war. Zum anderen wurde in Mikrokosmen der biogeochemische Effekte von vergangenen Austrocknungsepisoden und deren Eigenschaften während der Erweiterungsphase der IRES untersucht. Respiration im Sediment, sowie Freisetzung und Rückhalt von Nährstoffen wurden nach wieder einsetzenden des Wasserflusses gemessen. Eigenschaften wie Dauer und Intensität der Austrocknungsepisoden, sowie der Gehalt an organischer Substanz, bestimmten hier Nährstoffflüsse und Respiration; speziell in den ersten Tagen nach wiederkehren des Wasserflusses. Bei sehr intensiver und andauernden Austrocknung zeigte das Sediment ohne Anreicherung mit organischer Substanz eine verzögerte Reaktionszeit in der Respiration. Letzteren wurde die langfristige Auswirkung und mikrobielle Sukzession von IRES auf Sedimente und Böden im Einzugsgebiet Hühnerwasser in der Jahren 2008 und 2018 untersucht. Analysiert wurden die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften und Funktionen aus Sediment der wiederkehrenden Bäche und angrenzenden Uferböden in beiden Jahren. Vegetationsform und organische Substanz regulierten die mikrobielle Sukzession im Einzugsgebiet des Hühnerwassers. Die IRES bleiben auch bei nur geringem Wasserfluss eigenständige Systeme, die sich auch hinsichtlich ihrer mikrobiellen Struktur und Biogeochemie von den Böden in Gewässernähe unterscheiden. Schlussfolgernd für diese Dissertation steht, dass IRES in der temperten Klimazone dynamische Ökosysteme sind. Besonders Nass-Trocken-Zyklen und Umweltfaktoren regulieren die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften im Sediment und ihre Funktionen auf kurz- und langfristige Sicht. KW - Rivers KW - Drying KW - Biogeochemistry KW - Bacteria KW - Fungi KW - Flüsse KW - Trocknung KW - Biogeochemie KW - Bakterien KW - Pilze KW - Fluss KW - Bach KW - Bakterien KW - Pilze KW - Biogeochemie KW - Dürre KW - Klimawandel KW - Flusssediment Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63793 ER - TY - THES A1 - Hamede, Mohammed Hussein Haytham T1 - The turbulent very wide-gap Taylor-Couette flow : experimental investigation T1 - Die turbulente Taylor-Couette-Strömung mit sehr weitem Spalt : experimentelle Untersuchung N2 - Die Taylor-Couette-Strömung (TC), die Strömung zwischen zwei konzentrischen, unabhängig voneinander rotierenden Zylindern, wird als perfektes Modell zur Untersuchung von Scherströmungen über konkaven Oberflächen verwendet und ist eines der paradigmatischen Systeme der Fluidphysik. In dieser Arbeit wird eine experimentelle Untersuchung der turbulenten TC-Strömung in einer sehr breiten Spaltgeometrie mit einem Radiusverhältnis 𝜂 = 0,1 durchgeführt. Das physikalische und dynamische Verhalten der Strömung wird in einer Geometrie untersucht, die vor der vorliegenden Studie kaum untersucht wurde, was diese Studie einzigartig macht. Ziel der Studie ist es, die Auswirkungen der Krümmung auf die TC-Strömung zu verstehen, insbesondere in Fällen, in denen die Umfangslänge des inneren Zylinders kleiner ist als die Spaltbreite. Die Strömung wird in den verschiedenen Rotationsregimen untersucht: gegenläufige, mitläufige und reine Innenzylinder-Rotationsregime bis zu Scher-Reynoldszahlen Re_s≤ 150000. Das Strömungsfeld wurde mit Hilfe von Visualisierungstechniken qualitativ untersucht. Bei der Untersuchung der verschiedenen Strömungsparameter zeigen sich bekannte kohärente TC-Strömungsmuster sowie neu beobachtete Muster, von denen wir annehmen, dass sie nur bei TC-Strömungen mit sehr großem Spalt existieren. Für eine detailliertere quantitative Untersuchung wurde eine zeitaufgelöste Messung des Geschwindigkeitsfeldes mit der Hochgeschwindigkeits-Partikel-Image-Velocimetry-Technik durch die Endplatte des Systems durchgeführt. Die radialen und azimutalen Geschwindigkeitskomponenten in der horizontalen 2D-Ebene werden an verschiedenen axialen Positionen gemessen, um die axiale Varianz der Strömung zu erfassen. Das aufgezeichnete Strömungsfeld wird verwendet, um den Drehimpulstransport in Form der Quasi-Nusselt-Zahl (Nu_ω) zu berechnen. Die Ergebnisse zeigen ein Maximum der Nu_ω für niedrige gegenläufige Raten von -0,011 ≤ μ_max ≤ -0,0077, was mit großräumigen Strukturen verbunden ist, die den gesamten Spalt überspannen. Darüber hinaus nimmt Nu_ω für Gegenrotationsraten, die höher als μ_max sind, ab, bis es einen Minimalwert erreicht, und steigt dann für höhere Gegenrotationsfälle tendenziell wieder an. Das Raum-Zeit-Verhalten des turbulenten Strömungsfeldes für die Fälle mit hoher Gegenrotation zeigt die Existenz neu beobachteter Muster neben der äußeren Zylinderwand, die sich nach innen ausbreiten, den Drehimpulstransport verstärken und zu einem zweiten Maximum im Transport für höhere Gegenrotationsraten führen. Das Raum-Zeit-Verhalten des turbulenten Strömungsfeldes für die Fälle mit hoher Gegenrotation zeigt die Existenz von neu beobachteten Mustern neben der äußeren Zylinderwand, die sich nach innen ausbreiten, den Drehimpulstransport verstärken und zu einem zweiten Maximum des Transports für höhere Gegenrotationsraten führen. Für den rein rotierenden inneren Zylinder skaliert der Impulstransport. N2 - The Taylor-Couette (TC) flow, the flow confined between two concentric independently rotating cylinders, is used as a perfect model to investigate shear flow over concave surfaces and one of the paradigmatic systems of the physics of fluids. In this thesis, an experimental investigation of the turbulent TC flow in a very wide gap geometry with a radius ratio 𝜂 = 0.1 is performed. The physical and dynamic behavior of the flow is studied in a geometry that has rarely been investigated before the current study, which makes this study unique. The study aims to understand the effect of curvature on the TC flow, particularly in cases where the circumferential length of the inner cylinder is smaller than the gap width. The flow is studied in the different rotation regimes: counter-rotating, co-rotating, and purely inner cylinder rotating regimes up to shear Reynolds numbers Re_s≤ 150000. The flow field has been qualitatively studied using visualization techniques. By probing the different flow parameters, familiar coherent TC flow patterns appear, in addition to newly observed patterns we assume only exist for very wide gap TC flows. For a more detailed quantitative study, a time-resolved velocity field measurement has been conducted using the High-speed Particle Image Velocimetry technique through the system end plate. The radial and azimuthal velocity components in the 2D horizontal plane are measured at different axial positions, in order to scan the axial variance of the flow. The recorded flow field is used to compute the angular momentum transport in terms of the quasi-Nusselt number (Nu_ω). The results show a maximum of Nu_ω for low counter-rotating rates of −0.011 ≤ μ_max ≤ −0.0077, which is associated with large-scale structures that span the entire gap. Moreover, the Nu_ω decreases for counter-rotation rates higher than μ_max until it reaches a minimum value and then tends to increase again for higher counter-rotation cases. The space-time behavior of the turbulent flow field for the high counter-rotating cases shows the existence of newly observed patterns next to the outer cylinder wall that propagates inward, enhancing the angular momentum transport and resulting in a second maximum in transport for higher counter-rotating rates. For the pure rotating inner cylinder, the momentum transport scaling with the shear rate Nu_ω ∼ Re_s^α has been studied, and it shows a transition in scaling to 𝛼 = −0.76 for all flows with Re_(s )≥ 25000. This new scaling reveals the transition of the flow from the classical turbulent regime to the ultimate one, where this transition is accompanied by a clear change in the flow behavior. Moreover, the flow in the co-rotating regime and particularly in the centrifugal stable regime (𝜇 > +0.01) is investigated. The Velocity measurements show the presence of disturbed flow near the inner cylinder, where the measured velocity profiles showed a clear deviation from those predicted by laminar flow for flows up to 𝜇 = +0.04. KW - Experimental fluid mechanics KW - Taylor-Couette flow KW - Rotating flow KW - Turbulence KW - Particle image velocimetry KW - Experimentelle Strömungsmechanik KW - Taylor-Couette-Strömung KW - Rotationsströmung KW - Turbulenz KW - Turbulente Strömung KW - Strömungsmechanik KW - Rotationsströmung KW - Taylor-Couette-Strömung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64456 ER - TY - THES A1 - Takam, Paul Honore T1 - Stochastic optimal control problems of residential heating systems with a geothermal energy storage T1 - Stochastische Optimalsteuerungsprobleme für Gebäudeheizungssysteme mit Erdwärmespeicher N2 - In this thesis we consider a residential heating system equipped with several heat production and consumption units and investigate the stochastic optimal control problem for its cost-optimal management. As a special feature the manager has access to a geothermal storage (GS) which allows for inter-temporal transfer of heat energy by storing leftover solar thermal energy generated in summer for satisfying demand later. It is charged and discharged via heat exchanger pipes filled with a moving fluid. Further, the manager of that system faces uncertainties about the future fuel price and heat demand. The main goal is to minimize the expected aggregated cost for generating heat and running the system. This leads to a challenging mathematical optimization problem. The problem is formulated first as a non-standard continuous-time stochastic optimal control problem for a controlled state process whose dynamics is described by a system of ordinary differential equations (ODEs), stochastic differential equations and a partial differential equation (PDE). The PDE, which describes the temperature distribution in the GS, is first converted into a high-dimensional system of ODEs by semi-discretizing the space variables and its stability is investigated. This makes it possible to compute some aggregated characteristics which are useful for the operation of the GS embedded in the residential heating system. Second, the linear time-varying system of ODEs is approximated by a suitable linear time-invariant system. This allows the Lyapunov balanced truncation model order reduction method to be applied. Finally, we investigate the solution of the resulting standard optimal control problem for a controlled multi-dimensional diffusion process using dynamic programming methods and derive the corresponding Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation. However, no analytical solution of the HJB equation can be expected for the control problem under investigation. Therefore, we transform the continuous-time optimal control problem into a discrete-time control problem for a controlled Markov chain with finitely many states by discretizing both the time and the states. After determining the transition probabilities, the problem is solved using methods from the theory of Markovian decision processes. The thesis presents results of extensive numerical experiments carried out with the developed methods which reveal typical properties of the value function and the optimal strategy of the optimization problem. We end this thesis by describing some alternative methods to overcome the curse of dimensionality. N2 - In dieser Arbeit betrachten wir ein mit mehreren Wärmeerzeugungs- und –verbrauchseinheiten ausgestattetes Gebäudeheizungssystem und untersuchen ein stochastisches Optimalsteuerungsproblem für dessen kostenoptimale Bewirtschaftung. Als Besonderheit steht dem Manager des Heizungssystems ein Erdwärmespeicher (GS) zur Verfügung, der eine zeitliche Übertragung von Wärmeenergie ermöglicht, indem die Überproduktion von Solarwärme z.B. im Sommer für die spätere Deckung des Wärmebedarfs gespeichert wird. Die Be- und Entladung erfolgt über Wärmetauscherrohre, in denen eine Flüssigkeit zirkuliert. Der Manager dieses Systems muss seine Entscheidungen unter Unsicherheiten über die Brennstoffpreise und den zu deckenden Wärmebedarf in der Zukunft treffen. Das Hauptziel ist es, die zu erwartenden Gesamtkosten für die Wärmeerzeugung und den Betrieb des Systems zu minimieren. Dies führt zu einem anspruchsvollen mathematischen Optimierungsproblem. Das problem wird zunächst als ein zeitstetiges stochastisches Optimalsteuerungsproblem in Nichtstandardform formuliert, bei dem die Dynamik des gesteuerten Zustandsprozesses durch ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen (ODEs), stochastischer Differentialgleichungen und einer partiellen Differentialgleichung (PDE) gegeben ist. Die PDE, welche die Temperaturverteilung im GS beschreibt, durch Semidiskretisierung der Raumvariablen in ein hochdimensionales System von ODEs überführt und es wird dessen Stabilität gezeigt. Damit gelingt es, wichtige Kenngrößen für den Betrieb des Erdwärmespeichers innerhalb eines Heizungssystems zu berechnen. Dabei wird zunächst das lineare zeitvariable System von ODEs durch ein geeignetes lineares zeitinvariantes System approximiert. Dies erlaubt es dann die Lyapunov-Balanced-Truncation-Methode für die Modellreduktion einzusetzen. Schließlich untersuchen wir die Lösung des resultierenden Standard-Optimalsteuerungsproblems für einen gesteuerten mehrdimensionalen Diffusionsprozess unter Verwendung von Methoden des Dynamic Programming und leiten die zugehörige Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung (HJB) her. Für das untersuchte Steuerungsproblem kann jedoch keine analytische Lösung der HJB-Gleichung erwartet werden. Daher überführen wir das zeitstetige Optimalsteuerungsproblem durch Diskretisierung sowohl der Zeit als auch der Zustände in ein zeitdiskretes Kontrollproblem für eine gesteuerte Markovkette mit endlich vielen Zuständen. Nach der Bestimmung der Übergangswahrscheinlichkeiten wird das Problem mit Methoden der Theorie der Markovschen Entscheidungsprozesse gelöst. Die Arbeit präsentiert Ergebnisse umfangreicher numerischer Experimente, die mit den entwickelten Methoden durchgeführt wurden und typische Eigenschaften der Wertfunktion und der optimalen Steuerung des Optimalsteuerungsproblems sichtbar machen. Die Arbeit schließt mit der Beschreibung einiger alternativer Methoden zur Lösung der Kontrollprobleme, mit denen der Fluch der Dimension überwunden werden kann. KW - Markov-Entscheidungsprozesse KW - Erdwärmespeicher KW - Numerische Simulation KW - Modellreduktion KW - Lyapunov-Balanced-Truncation KW - Markov decision process KW - Geothermal energy storage KW - Numerical simulation KW - Model order reduction KW - Lyapunov balanced truncation KW - Erdwärmespeicher KW - Heizung KW - Markov-Entscheidungsprozess KW - Ordnungsreduktion Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64502 ER - TY - THES A1 - Trinh, Xuan Manh T1 - A methodological framework for future flood risk assessment in ungauged and data-scarce coastal river catchments in Southeast Asia T1 - Ein methodologisches Modellierungskonzept zur Bewertung des zukünftigen Hochwasserrisikos in Einzugsgebieten von Küstenflüssen ohne ausreichende Messdatenlage in Südostasien N2 - Ungauged and data-scarce coastal river catchments, small and medium-sized ones in particular, are popular worldwide, especially in developing countries in Southeast Asia. In general, coastal river catchments are exposed to various coastal hazards such as fluvial floods, typhoons, and sea-level rise. In addition, climate change and socio-economic development will substantially change global flood risks. However, in scientific research, flood risk and future flood risk assessments in such coastal river catchments have not been significantly considered. Therefore, the overall objective of this thesis is to propose an innovative methodological framework for modeling and evaluating flood risk in such river catchments in the future under the impacts of climate change, sea-level rise, and land-use change based on using numerical models (hydrological models and land-use change models) and remote sensing data (satellite images and precipitation) in combination with other state-of-the-art methods, tools and models, and new approaches, such as flood risk assessment methods, regionalization methods, and statistical downscaling methods. The proposed framework was adopted, applied, and validated successfully for a case study - Tra Bong River Catchment - on the south-central coast of Vietnam as a test application. The main conclusion of this research is that the proposed framework can provide valuable information and projections of changing future flood risk associated with climatic and socio-economic changes in ungauged and data-scarce coastal river catchments. The proposed framework is designed with free model and method choices, meaning that it can apply different methods and tools for each step depending on the natural characteristics of river catchments, data collection, tools, and understanding of models, etc. Finally, this research can be used as a technical reference for designing and building national, regional, or local frameworks/guidelines for assessing future flood risk in ungauged and data-scarce coastal river catchments in Vietnam and other countries in Southeast Asia. N2 - Einzugsgebiete von Küstenflüssen ohne ausreichende Messdatenlage sind weltweit vorzufinden, unter anderem vor allem in den Entwicklungsländern wie in Südostasien in Vietnam, wo sie typisch für die Einzugsgebiete im zentralen Küstenbereich des Landes sind. Im Allgemeinen sind Einzugsgebiete von Küstenflüssen verschiedenartigen Naturgefahren wie z.B. Überschwemmungen durch Flüsse, Auswirkungen von Taifunen oder dem Anstieg des Meeresspiegels ausgesetzt. Darüber hinaus führen der Klimawandel und sozioökonomische Entwicklungen zu erheblichen Veränderungen des Hochwasserrisikos. Allerdings wurde die Bewertung des aktuellen Hochwasserrisikos und der zukünftiger Hochwasserrisiken für derartige Einzugsgebiete von Küstenflüssen mit unzureichender Datenlage aufgrund fehlender Messsysteme in der Forschung bisher nicht ausreichend untersucht. Aus diesem Grund ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit, ein methodologisches Modellierungskonzept für die Modellierung und Bewertung des zukünftigen Hochwasserrisikos in solchen Einzugsgebieten unter Berücksichtigung des Klimawandels, des Meeresspiegelanstiegs und der Landnutzungsänderungen vorzuschlagen. Dabei werden numerische Modelle (hydrologische Modelle und Landnutzungsänderungsmodelle), Fernerkundungsdaten (Satellitenbilder und Niederschlag) in Kombination mit anderen verfügbaren Methoden, Werkzeugen und Modellen sowie neuen Ansätzen wie Hochwasserrisikobewertungsmethoden, Regionalisierungsmethoden und statistischen Downscaling-Methoden berücksichtigt. Das neue methodische Modellierungskonzept wird für eine exemplarische Fallstudie (Tra Bong River Catchment) an der südlichen Zentralküste Vietnams angepasst, angewendet und bewertet. Die Dissertation zeigt als wesentliches Ergebnis, dass das vorgeschlagene methodische Modellierungskonzept in der Lage ist, notwendige Informationen und Projektionen für zukünftige Hochwasserrisiken in Verbindung mit klimatischen und sozioökonomischen Veränderungen in Einzugsgebieten von Küstenflüssen ohne ausreichende Messdatenlage liefern zu können. Das Konzept ist so aufgebaut, dass die spezifischen Modelle und Methoden für die Anwendung frei wählbar sind, d.h. es können für die Modellierungsschritte je nach den spezifischen Merkmalen des Einzugsgebiets andere Methoden und Modellwerkzeuge verwendet werden. Darüber hinaus kann die Arbeit als technische Referenz für den Entwurf und die Erstellung nationaler oder regionaler (Rahmen-) Richtlinien für die Bewertung des zukünftigen Hochwasserrisikos in Einzugsgebieten von Küstenflüssen ohne ausreichende Messdatenlage in Vietnam und anderen Ländern in Südostasien verwendet werden. KW - Methodological framework KW - Numerical models KW - Flood risks KW - Climate change KW - Ungauged catchments KW - Methodologisches Modellierungskonzept KW - Numerische Modelle KW - Hochwasserrisiko KW - Klimawandel KW - Einzugsgebiete ohne Messdaten KW - Mittelvietnam KW - Küstengewässer KW - Klimawandel KW - Hochwasser KW - Datenerhebung KW - Methodologie KW - Modllierung KW - Numerisches Modell Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64411 ER - TY - THES A1 - Pizzi, Federico T1 - Numerical studies of a fluid-filled precessing cylinder : a framework for the DRESDYN precession experiment T1 - Numerische Untersuchungen eines flüssigkeitsgefüllten präzedierenden Zylinders : ein Rahmen für das DRESDYN-Präzessions-Experiment N2 - Precession driven flows are believed to play a relevant role in planetary dynamics, such as in atmospheric phenomena, and as a complementary energy source for homogeneous dynamo action, i.e. the self-generation of planetary magnetic fields. Precessional motion occurs when a body rotates around an axis, which itself is rotating around another axis. The main influence of this forcing mechanism is a gyroscopic effect on the fluid flow which gives rise to a wavy dynamics even in the laminar regime. If the forcing magnitude is strong enough the flow goes through a series of phenomena such as instabilities, resonant interactions between waves, and transition to turbulence whose occurrence depends on the container shape and the angle between the two axis. Although many phenomena have a satisfactory explanation, others still remain elusive and merit further investigations. The interest in moderate to large forcing is particularly motivated by the need of theoretical supports for the upcoming DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNnamo and thermohydraulic studies) precession experiment, whose main purpose is to test the capability of a precessing fluid system to achieve a dynamo effect. Here, the possibility to generate a magnetic field is connected to the emergence of three large scale structures in the bulk flow: a directly forced standing wave, poloidal vortices, and a geostrophic axisymmetric flow. In this thesis we use numerical simulations to study and understand the flow behavior in a fluid-filled precessing cylinder. We use two types of approaches: a global study to investigate large scale phenomena and the resulting magnetohydrodynamics behavior, and a local model to analyze and unveil the properties of turbulence forced by precession. The bulk flow behavior present different responses with respect to the sense of motion: while prograde precession shows a steep transition to turbulence when increasing the forcing magnitude with a marked breakdown of the directly forced mode, retrograde precession presents a much smoother change. A related distinction has been found also for the dynamo action, which is more likely to occur for perpendicular and retrograde precession. The precession driven turbulence is a complex scenario determined by the coexistence of geostrophic vortices (called also condensates), a typical feature of rotating turbulence prone to an inverse cascade of energy, and small scale 3D waves characterized by a direct energy cascade. We observe the interaction of these two structures as being governed by a clear hierarchy. N2 - Es wird angenommen, dass präzessionsgetriebene Strömungen eine wichtige Rolle in der Planetendynamik spielen, z. B. bei atmosphärischen Phänomenen, und dass sie eine ergänzende Energiequelle für die homogene Dynamowirkung, d. h. die Selbsterzeugung planetarischer Magnetfelder, darstellen. Präzessionsbewegungen treten auf, wenn sich ein Körper um eine Achse dreht, die ihrerseits um eine andere Achse rotiert. Der Haupteinfluss dieses Antriebsmechanismus ist ein gyroskopischer Effekt auf die Fluidströmung, der selbst im laminaren Bereich eine wellenförmige Dynamik hervorruft. Wenn die Antriebsgröße stark genug ist, durchläuft die Strömung eine Reihe von Phänomenen wie Instabilitäten, resonante Wechselwirkungen zwischen Wellen und den Übergang zur Turbulenz, deren Auftreten von der Behälterform und dem Winkel zwischen den beiden Achsen abhängt. Obwohl es für viele Phänomene eine zufriedenstellende Erklärung gibt, sind andere noch immer schwer fassbar und bedürfen weiterer Untersuchungen. Das Interesse an mäßigen bis großen Kräften ist insbesondere durch den Bedarf an theoretischer Unterstützung für das bevorstehende DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNnamo and thermohydraulic studies) Präzessions-Experiment motiviert, dessen Hauptzweck darin besteht, die Fähigkeit eines präzessierenden Fluidsystems zur Erzielung eines Dynamoeffekts zu testen. Hier ist die Möglichkeit, ein Magnetfeld zu erzeugen, mit dem Auftreten von drei großräumigen Strukturen in der Massenströmung verbunden: eine direkt erzwungene stehende Welle, poloidale Wirbel und eine geostrophische achsensymmetrische Strömung. In dieser Arbeit verwenden wir numerische Simulationen, um das Strömungsverhalten in einem flüssigkeitsgefüllten präzessiven Zylinder zu untersuchen und zu verstehen. Wir verwenden zwei Arten von Ansätzen: eine globale Studie, um großräumige Phänomene und das daraus resultierende magnetohydrodynamische Verhalten zu untersuchen, und ein lokales Modell, um die Eigenschaften der durch Präzession erzwungenen Turbulenz zu analysieren und zu enthüllen. Das Verhalten der Massenströmung zeigt je nach Bewegungsrichtung unterschiedliche Reaktionen: Während die prograde Präzession einen steilen Übergang zur Turbulenz zeigt, wenn die Stärke des Antriebs erhöht wird, mit einem deutlichen Zusammenbruch des direkt erzwungenen Modus, zeigt die retrograde Präzession eine viel sanftere Veränderung. Eine ähnliche Unterscheidung wurde auch für die Dynamowirkung gefunden, die bei senkrechter und retrograder Präzession wahrscheinlicher ist. Die präzessionsgetriebene Turbulenz ist ein komplexes Szenario, das durch die Koexistenz von geostrophischen Wirbeln (auch Kondensate genannt), einem typischen Merkmal rotierender Turbulenz, die zu einer inversen Energiekaskade neigt, und kleinräumigen 3D-Wellen, die durch eine direkte Energiekaskade gekennzeichnet sind, bestimmt wird. Wir beobachten, dass die Interaktion dieser beiden Strukturen von einer klaren Hierarchie bestimmt wird. KW - Inertial waves KW - Precession-driven flows KW - Rotating turbulcence KW - Dynamo action KW - Präzessionsgetriebene Strömungen KW - Inertialwellen KW - Dynamo-Aktion KW - Rotierende Turbulenzen KW - Turbulente Strömung KW - Atmosphärische Turbulenz KW - Inertialsystem KW - Dynamotheorie KW - Gyroskop Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64218 ER - TY - THES A1 - Zhang, Yangwen T1 - Self-sufficient semi-active vibration control of high-rise buildings under wind excitation by moveable double-skin facades T1 - Autarke semi-aktive Schwingungskontrolle von Hochhäusern unter Windanregung durch bewegliche Doppelfassaden N2 - The accelerated urbanization has led to increasing tension on urban land use. In this context, more and more slender high-rise buildings are being built worldwide in pursuit of better economic benefits. However, these structures are susceptible to wind excitation due to their lower first natural frequency. Different passive, semi-active, and active damping systems have been developed to reduce wind-induced structural vibration. Among them, the tuned mass dampers are widely used and proved as a very effective method in practice. However, this system requires a large additional damping mass. This also causes additional reinforcement, which increases the cost and carbon footprint. A huge space near the top story of the building is needed for the installation. In this research, a novel system named distributed-Multiple Tuned Facade Damping (d-MTFD) system is proposed by using specially designed parallel moveable Double-Skin Facade (DSF) outer skin as damping mass. These moveable facade elements can be installed on the upper stories of the high-rise building. Smooth-running guide rail systems are used to achieve the parallel moveability. Multi-objective optimization based on the Genetic Algorithm (GA) is applied to reduce the maximum top floor acceleration (Objective I) and to reduce the maximum facade relative displacement (Objective II) simultaneously. The optimization results for the passive and semi-active systems are presented in the form of the Pareto front. The trade-off between these selected two competing optimization objectives is observed. This approach was first validated in a simulation using a 306 m tall reference building for a wind speed of 13.5 m/s at 10 m above ground level with a return period of 10 years. Acceptable peak accelerations at the top story for hotel use and a maximum facade relative displacement of less than ±0.5 m could be achieved for the benchmark building with the d-MTFD system. For semi-active control, the variable damping coefficient can be achieved by using stepper motors in generator mode. The electrical damping coefficient can be continuously adjusted by the developed power electronics. In addition, electrical energy can be generated and stored in a battery. A full-scale prototype with one parallel moveable facade element was built. Based on the prototype, the functionality of the semi-active control using a stepper motor and its energy harvesting performance was tested by applying Hardware-in-the-Loop (HiL) simulations. Greybox system identification was used to estimate some parameters (spring stiffness, friction, etc.) in the connection. The accurate system identification results ensure further validation using HiL simulations. The HiL simulations successfully demonstrated the feasibility of a self-powered semi-active d-MTFD system. N2 - In Metropolen ist die Flächennutzung aufgrund der Urbanisierung eingeschränkt, was den Bau von schlanken Hochhäusern weltweit gefördert hat. Jedoch sind sie anfällig für dynamische Windlasten. Um dies zu bekämpfen, wurden passive, semi-aktive und aktive Dämpfungssysteme entwickelt, wobei sich abgestimmte Massendämpfer als sehr wirksam erwiesen haben. Dieses System erfordert jedoch eine große zusätzliche Dämpfungsmasse. Dies führt auch zu einer zusätzlichen Verstärkung des Tragwerks, was die Kosten und den CO2-Fußabdruck erhöht. Für die Installation wird ein großer Raum in den obersten Stockwerken des Gebäudes benötigt. In dieser Arbeit wird ein innovatives System mit der Bezeichnung "distributed-Multiple Tuned Facade Damping (d-MTFD) System" vorgestellt, bei dem eine speziell entwickelte, parallel bewegliche Außenhaut der Doppelfassade (DSF) als Dämpfungsmasse verwendet wird. Diese beweglichen Fassadenelemente können in den oberen Stockwerken des Hochhauses installiert werden. Um die parallele Verschiebbarkeit zu erreichen, werden leichtgängige Führungsschienensysteme eingesetzt. Eine multikriterielle Optimierung mittels des genetischen Algorithmus (GA) wird angewandt, um gleichzeitig die maximale Beschleunigung im obersten Stockwerk (Ziel I) und die maximale Verschiebung zwischen der Primarstruktur und der beweglichen Außenhaut (Ziel II) zu reduzieren. Die Optimierungsergebnisse für die passiven und semiaktiven Systeme werden in Form der Pareto- Front dargestellt. Der Kompromiss zwischen diesen beiden ausgewählten konkurrierenden Optimierungszielen wird beobachtet. Dieser Ansatz wurde zunächst in einer Simulation mit einem 306 m hohen Referenzgebäude für eine Windgeschwindigkeit von 13,5 m/s in 10 m Höhe über Grund mit einer Wiederkehrperiode von 10 Jahren validiert. Mit dem d-MTFD System konnten für das Referenzgebäude akzeptable Spitzenbeschleunigungen im obersten Stockwerk für die Hotelnutzung und eine maximale Fassaden-Relativverschiebung von weniger als ±0, 5 m erreicht werden. Bei der semiaktiven Regelung kann der variable Dämpfungskoeffizient durch den Einsatz von Schrittmotoren im Generatorbetrieb erreicht werden. Der elektrische Dämpfungskoeffizient kann durch die entwickelte Leistungselektronik stufenlos eingestellt werden. Darüber hinaus kann elektrische Energie erzeugt und in einer Batterie gespeichert werden. Ein maßstäblicher Prototyp mit einem parallel beweglichen Fassadenelement wurde gebaut. Anhand des Prototyps wurden die Funktionalität der semiaktiven Regelung unter Verwendung eines Schrittmotors und die Leistung der Energiegewinnung mittels Hardware-in-the-Loop (HiL)-Simulationen getestet. Die Grey-Box-Systemidentifikation wird zur Schätzung der Parameter (Federsteifigkeit, Reibung, usw.) in der Verbindung verwendet. Die genauen Ergebnisse eine weitere Validierung durch HiL-Simulationen. Die HiL-Simulationen haben erfolgreich die Machbarkeit eines autarken semiaktiven d-MTFD Systems demonstriert. T3 - Schriftenreihe Hybride Konstruktionen - Massivbau - 15 KW - Energy harvesting KW - Energiegewinnung KW - Distributed-Multiple Tuned Facade Damping system KW - d-MTFD KW - Hardware-in-the-Loop simulation KW - HiL KW - System identification KW - Systemidentifikation KW - Semi-active vibration control KW - Semi-aktive Schwingungskontrolle KW - Hochhaus KW - Schlankes Bauwerk KW - Doppelte Fassade KW - Schwingungsdämpfung KW - Windlast KW - Mehrkriterielle Optimierung KW - Hardware-in-the-loop KW - Genetischer Algorithmus KW - Energieerzeugung KW - Prototyp Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63811 SN - 2569-2798 ER - TY - THES A1 - Rakhi, T1 - Stochastic modeling of the turbulent boundary layer T1 - Stochastische Modellierung der turbulenten Grenzschicht N2 - The incompressible temporally developing turbulent boundary layer (TBL) and spatially developing turbulent boundary layer (SBL) with and without blowing is analyzed using the map-based stochastic one-dimensional turbulence (ODT) model. An understanding of these idealized flows is of fundamental relevance for boundary layer-type problems, which are frequently encountered in several applications, from atmospheric sciences to engineering. In the ODT model, the flow variables are resolved on all scales along a wall-normal, 1-D domain. These variables are evolved by a deterministic process representing molecular diffusion and by a stochastic process modeling the effect of turbulent advection and pressure fluctuations. Due to the reduction in dimensionality, the model is particularly appropriate for high Reynolds number flow. It is shown that the ODT model is able to capture salient features of the turbulent boundary layer-type flows by comparing the results with various available reference direct numerical simulation (DNS), large eddy simulation (LES) and experimental results. The comparison is presented for the mean velocity profiles, turbulent velocity fluctuation profiles (up to fourth order), the skin friction coefficient and shape factor for different bulk (Reb) and momentum Reynolds numbers (Reθ) using fixed model parameters. The influence of the model parameters is also discussed for various momentum Reynolds numbers for each investigated flow configuration. The results discussed in this thesis suggest that the ODT model is an economical and reasonably accurate approach for the simulation of turbulent boundary layer flows. N2 - Die inkompressible sich zeitlich entwickelnde turbulente Grenzschicht (TBL) und die sich räumlich entwickelnde turbulente Grenzschicht (SBL) ohne Ausblasen und mit gleichmäßigem Ausblasen werden mit dem abbildungsbasierten stochastischen eindimensionalen Turbulenzmodell (ODT) analysiert. Das Verständnis dieser idealisierten Strömung ist von grundlegender Bedeutung für turbulente Grenzschichtströmungen, die in verschiedenen Anwendungen, von den Atmosphärenwissenschaften bis hin zu den Ingenieurwissenschaften, häufig anzutreffen sind. Die Strömungsvariablen werden in den vorliegenden ODT-Simulationen auf allen Skalen entlang eines wandnormalen 1-DRechengebietes aufgelöst. Diese Variablen werden durch einen deterministischen Prozess, der die molekulare Diffusion repräsentiert, und einen stochastischen Prozess entwickelt, der die Wirkung von turbulenten Advektionsund Druckschwankungen modelliert. Das Modell eignet sich aufgrund der reduzierten Dimensionalität besonders für hohe Reynoldszahlen. Es wird gezeigt, dass das ODT-Modell in der Lage ist, die wesentlichen Merkmale der turbulenten Grenzschichtströmungen zu erfassen, indem es die mittleren Geschwindigkeitsprofile, die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungsprofile (bis zur vierten Ordnung), den Mantelreibungskoeffizienten und den Formfaktor mit verschiedenen verfügbaren direkten numerischen Referenzsimulationen (DNS) und Grobstruktursimulationen (LES) vergleicht, die Ergebnisse für verschiedene Bulk- (Reb) und Momentum-Reynoldszahlen (Reθ) unter Verwendung fester Modellparameter. Der Einfluss der Modellparameter wird ebenfalls für die betrachteten Momentum-Reynoldszahlen und für die untersuchten Strömungskonfigurationen diskutiert. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse deuten darauf hin, dass das ODT-Modell ein wirtschaftlicher und akkurater Ansatz für die Simulation von turbulenten Grenzschichtströmungen ist. KW - Turbulent flow KW - Turbulent boundary layer KW - Stochastic modeling KW - One-dimensional turbulence KW - Turbulente Strömung KW - Turbulente Grenzschicht KW - Stochastische Modellierung KW - Eindimensionale Turbulenz KW - Turbulente Strömung KW - Turbulente Grenzschicht KW - Statistisches Modell Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64162 ER - TY - JOUR A1 - Otto, Pascal A1 - Alipoursarbani, Mozhdeh A1 - Torrent, Daniel A1 - Latorre-Pérez, Adriel A1 - Paust, Thomas A1 - Albert, Alfred A1 - Abendroth, Christian T1 - Microbiome characterization after aerobic digestate reactivation of anaerobically digested sewage sludge T1 - Mikrobiomcharakterisierung nach aerober Gärrestreaktivierung von anaerob vergärtem Klärschlamm N2 - A demonstrator plant of a recently patented process for improved sludge degradation has been implemented on a municipal scale. In a 1500 m3 sewage sludge digester, an intermediary stage with aerobic sewage sludge reactivation was implemented. This oxic activation increased the biogas yield by up to 55% with a 25% reduction of the remaining fermentation residue volume. Furthermore, this process allowed an NH4-N removal of over 90%. Additionally, 16S rRNA gene amplicon high-throughput sequencing of the reactivated digestate showed a reduced number of methane-forming archaea compared to the main digester. Multiple ammonium-oxidizing bacteria were detected. This includes multiple genera belonging to the family Chitinophagaceae (the highest values reached 18.8% of the DNA sequences) as well as a small amount of the genus Candidatus nitrosoglobus (<0.3%). In summary, the process described here provides an economically viable method to eliminate nitrogen from sewage sludge while achieving higher biogas yields and fewer potential pathogens in the residuals. N2 - Eine Demonstrationsanlage eines kürzlich patentierten Verfahrens zur verbesserten Schlammzersetzung wurde im kommunalen Maßstab umgesetzt. In einem 1500 m3 Klärschlammfaulbehälter wurde eine Zwischenstufe mit aerober Klärschlammreaktivierung implementiert. Diese oxische Aktivierung steigerte die Biogasausbeute um bis zu 55 % bei einer Reduzierung des verbleibenden Gärrestvolumens um 25 %. Darüber hinaus ermöglichte dieser Prozess eine NH4-N-Entfernung von über 90 %. Weiterhin zeigte die 16S-rRNA-Gen-Amplikon-Hochdurchsatzsequenzierung des reaktivierten Gärrestes eine geringere Anzahl methanbildender Archaeen im Vergleich zum Hauptfermenter. Es wurden mehrere Ammonium-oxidierende Bakterien nachgewiesen. Dazu gehören mehrere Gattungen der Familie Chitinophagaceae (die höchsten Werte erreichten 18,8 % der DNA-Sequenzen) sowie eine kleine Menge der Gattung Candidatus nitrosoglobus (<0,3 %). Zusammenfassend stellt das hier beschriebene Verfahren eine wirtschaftlich sinnvolle Methode dar, um Stickstoff aus Klärschlamm zu eliminieren und gleichzeitig höhere Biogasausbeuten und weniger potenzielle Krankheitserreger in den Reststoffen zu erzielen. KW - Anaerobic digestion KW - Anaerobic microbiomes KW - Aerobic sludge activation KW - 16S rRNA sequencing KW - Water treatment KW - Belebtschlammverfahren KW - Schlammfaulung KW - Mikroorganismus KW - Gärung KW - Biogas KW - Stickstoff-Elimination KW - Anaerobe Vergärung KW - Anaerobe Mikrobiome KW - Aerobe Schlammaktivierung KW - 16S-rRNA-Sequenzierung KW - Wasserversorgung Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.3390/fermentation9050471 SN - 2311-5637 VL - 9 IS - 5 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Çelik, Gülşah Aktaş A1 - Atapek, Şaban Hakan A1 - Polat, Şeyda A1 - Obrosov, Aleksei A1 - Weiß, Sabine T1 - Nitriding effect on the tribological performance of CrN-, AlTiN-, and CrN/AlTiN-Coated DIN 1.2367 hot work tool steel T1 - Auswirkung des Nitrierens auf das tribologische Verhalten von CrN-, AlTiN- und CrN/AlTiN-beschichteten DIN 1.2367 Warmarbeitsstählen JF - Materials N2 - In this study, heat-treated and multisurface engineered DIN 1.2367 tool steel was subjected to room and elevated temperature wear tests, and the effect of nitriding on its tribological behavior was investigated. CrN, AlTiN, and CrN/AlTiN coatings with a total thickness of 2 µm were obtained by arc cathodic physical vapor deposition on conventional heat-treated and gas-nitrided steels. The white layer formed during nitriding was removed, and a diffusion layer (100 µm) was achieved in the cross section of the steel having a tempered martensitic matrix. The highest surface hardness was attained with an integral coating (CrN/AlTiN), and surface hardness increased even more after nitriding due to the formation of a multicomponent ceramic layer on top of the diffusion layer. The room temperature wear tests performed against an alumina counterpart revealed that (i) CrN/AlTiN-coated steel had the highest friction coefficient of 0.26, which further increased to 0.33 by nitriding due to the increase in shear strength, and that (ii) with increasing surface hardness, the specific wear rates (W) of the heat-treated and coated steels could be ranked as follows: WCrN/AlTiN < WAlTiN < WCrN. The wear rates decreased when nitriding was carried out prior to coating. In order to simulate the aluminum extrusion conditions, hot wear behavior of the surfaces against AA6080 alloy at 450 °C was investigated. The hot wear tests revealed that (i) high friction coefficients were reached due to the adhesive characteristic of aluminum to the surfaces, (ii) the nitrided and CrN/AlTiN-coated sample exhibited the lowest wear rate among all studied surfaces, and (iii) the film damage on the worn surfaces mostly occurred in the form of droplet delamination. N2 - In dieser Studie wurde wärmebehandelter und mehrschichtig bearbeiteter Werkzeugstahl DIN 1.2367 bei Raum- und erhöhter Temperatur Verschleißtests sowie der Einfluss des Nitrierens auf sein tribologisches Verhalten untersucht. Auf konventionell wärmebehandelten und gasnitrierten Stählen wurden CrN-, AlTiN- und CrN/AlTiN-Schichten mit einer Gesamtdicke von 2 µm durch kathodische Gasphasenabscheidung erzeugt. Die beim Nitrieren gebildete weiße Schicht wurde entfernt, und es wurde eine Diffusionsschicht (100 µm) im Querschnitt des Stahls mit angelassener martensitischer Matrix erzeugt. Die höchste Oberflächenhärte wurde mit einer integralen Beschichtung (CrN/AlTiN) erreicht, die nach dem Nitrieren aufgrund der Bildung einer Mehrkomponenten-Keramikschicht auf der Diffusionsschicht noch weiter anstieg. Die bei Raumtemperatur durchgeführten Verschleißtests mit einem Aluminiumoxid-Gegenstück ergaben, dass (i) CrN/AlTiN-beschichteter Stahl den höchsten Reibungskoeffizienten von 0,26 aufwies, der sich nach dem Nitrieren aufgrund der erhöhten Scherfestigkeit auf 0,33 erhöhte, (ii) mit zunehmender Oberflächenhärte die spezifischen Verschleißraten (W) der wärmebehandelten und beschichteten Stähle wie folgt eingestuft werden konnten: WCrN/AlTiN97%) könnte dieses ins nationale Erdgasnetz eingespeist werden. Dieses Verfahren kann durch die direkte Zugabe von H2 in einem Fermenter (in-situ) oder extern in einem separaten Biogasreaktor (ex-situ) stattfinden. In der vorliegenden Arbeit wurden die jüngsten Forschungsergebnisse in Bezug auf das ex-situ Verfahren analysiert und zusammengetragen. Genauer wurde die Beeinflussung der Prozessvariablen sowie optimale Reaktionsbedingungen diskutiert. Zusätzlich zum eigentlichen Ablauf des ex-situ Prozesses wird am Ende der Arbeit die Wirtschaftlichkeit erörtert. Die Ergebnisse belegen, dass die ex-situ Biomethanisierung eine Produktgasqualität von mehr als 95% erreichen kann. Dafür müssen die Prozessvariablen jedoch optimal eingestellt werden. Gut geeignet wäre z.B. eine mit Methanobacterium angereicherte Mischkultur mit einem pH-Wert im Bereich von 7,1 bis 8,5. Weiterhin erläutern viele Studien, dass eine ausreichende Nährstoffversorgung, 5 bar Betriebsdruck und eine Umgebungstemperatur von 35 °C bis 55°C optimale Betriebsbedingungen darstellen. Aus wirtschaftlicher Sicht ist Biomethan nach aktuellem Stand der Technik preisintensiver als herkömmliche Methanquellen. Jedoch könnten unter Berücksichtigung umweltschonender Effekte, Klimaschutz sowie dem Vertrieb von CO2- Zertifikaten die Kosten ausgeglichen und ein niedrigeres Preisniveau erreicht werden. Zusammenfassend stellt Power-to-Gas eine vielversprechende Zukunftstechnologie dar, welche die Möglichkeit auf eine umweltfreundliche und nahezu CO2-neutrale Biomethanproduktion unter Verwendung überschüssiger Energie eröffnet. N2 - In recent years, microbial biogas production has aroused great interest in research and industry. With this concept, the supply of renewable energy could be guaranteed in times of lower energy production and, in addition, the environment could be protected. Power-to-gas technology uses surplus electrical energy to produce hydrogen through electrolysis. Hydrogen and carbon dioxide are then converted to methane (CH4) with the help of hydrogenothrophic methanogenic archaea. If the quality is sufficient (>97%), this could be fed into the national natural gas grid. This process can take place by adding H2 directly in a fermenter (in-situ) or externally in a separate biogas reactor (ex-situ). In this paper, the most recent research results regarding the ex-situ process were analysed and compiled. More specifically, the influence of process variables and optimal reaction conditions were discussed. In addition to the actual procedure of the ex-situ process, the economic efficiency is discussed at the end of the paper. The results show that ex-situ biomethanisation can achieve a product gas quality of more than 95%. For this, however, the process variables must be optimally adjusted. For example, a mixed culture enriched with Methanobacterium with a pH value in the range of 7.1 to 8.5 would be well suited. Furthermore, many studies explain that a sufficient nutrient supply, 5 bar operating pressure and an ambient temperature of 35 °C to 55 °C represent best operating conditions. From an economic point of view, biomethane is more price-intensive than conventional methane sources according to the current state of the art. However, taking into account environmentally friendly effects, climate protection and the sale of CO2 certificates, the costs could be balanced out and a lower price level achieved. In summary, power-to-gas is a promising future technology that opens the possibility of environmentally friendly and almost CO2-neutral biomethane production using surplus energy. KW - Biogas KW - Power-to-Gas KW - Ex-situ KW - In-situ KW - Biocatalytic methanation KW - Hydrogen KW - Biogas KW - Methanproduktion KW - Power-to-Gas Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63959 ER - TY - THES A1 - Kabin, Ievgen T1 - Horizontal address-bit SCA attacks against ECC and appropriate countermeasures T1 - Horizontale Adress-Bit Seitenkanalangriffe gegen ECC und geeignete Gegenmaßnahmen N2 - In this work we investigated the resistance of different kP implementations based on the Montgomery ladder against horizontal, i.e. single trace, attacks. Applying statistical methods for the analysis we were able to reveal the secret value k completely. The reason causing the success of our attacks is the key-dependent addressing of the registers and other design blocks, which is an inherent feature of binary kP algorithms. This dependency was successfully exploited in the past by Itoh et al. analyzing many hundreds of kP traces, i.e. this attack is a vertical address-bit differential power analysis attack against Montgomery ladder. The vulnerability of the Montgomery ladder against horizontal address-bit attacks was detected and demonstrated during our investigations. We were able to reveal the scalar k exploiting the address-bit vulnerability in single trace attacks using not only statistical methods, but also Fourier transform, selected clustering methods as well as one of the simplest methods – the automatized simple SCA. We performed successful horizontal address-bit SCA attacks against both types of ECs, i.e. against highly regular Montgomery ladder and against a binary kP algorithm implementing atomic patterns. The success of our attacks shows that the regularity and atomicity principles are not effective against horizontal address-bit attacks. As a means for reducing the attack success, we investigated the hiding ability of the field multiplier which is usually the largest block of kP designs. We implemented our field multiplier for ECs over prime fields corresponding to the 4-segment Karatsuba multiplication formula that reduces the execution time and the energy consumption for a kP operation by about 40 % in comparison to multipliers exploiting the classical multiplication formula. However, the energy consumption per clock remained in our multiplier without significant changes, i.e. the protective hiding properties of the multiplier as a noise source were not decreased. Another advantage of our field multiplier is its inherent resistance to horizontal collision attacks, in contrast to multipliers based on the classic multiplication formula. Additionally, we proposed regular scheduling for the block addressing as an effective strategy for reducing the success of horizontal address-bit attacks. Combining this approach with the hiding features of the field multipliers can increase the resistance of the kP designs for both types of ECs against a broad spectrum of SCA attacks. The mentioned analysis methods can be successfully applied for determining SCA leakage sources in the early design phase. N2 - In dieser Arbeit haben wir die Resistenz verschiedener, auf der Montgomery-Ladder-basierenden, kP-Implementierungen gegen Single-Trace-Angriffe untersucht. Single-Trace-Angriffe sind auch als horizontale Angriffe bekannt. Mittels statistischer Analyse wurde der Wert des Skalars k in unseren Angriffen erfolgreich extrahiert. Die Ursache des Erfolges unserer Angriffe ist die schlüsselabhängige Adressierung der Register und Designblöcke, die ein inhärenter Teil der binären kP-Algorithmen ist. Diese Abhängigkeit wurde in der Vergangenheit von Itoh et al. erfolgreich verwendet, um den geheimen Skalar k mittels differenzieller Analyse mehrerer Traces zu extrahieren. Dieser Angriff ist als vertikale Adress-Bit Differential Power Analyse gegen die Montgomery-Ladder bekannt. Die Vulnerabilität des Montgomery-Ladders im Hinblick auf horizontale Adress-Bit Seitenkanalangriffe wurde im Rahmen unserer Untersuchungen entdeckt und demonstriert. Wir haben für das Extrahieren des Skalars k nicht nur statistischen Analyse-Methoden, sondern auch die Fourier-Transformation, ausgewählte Clustering-Methoden sowie simple Seitenkanalangriffe erfolgreich verwendet. Die horizontalen Adress-Bit Angriffe wurden erfolgreich gegen beide Arten der elliptischen Kurven durchgeführt. Angegriffen wurde nicht nur die hochreguläre Montgomery Ladder für die ECs über GF(2n), sondern auch ein atomic pattern kP-Algorithmus für die ECs über GF(p). Der Erfolg der durchgeführten Angriffe demonstriert, dass die regularity und atomicity Prinzipien als alleinige Gegenmaßnahmen gegen horizontale Angriffe nicht wirksam sind. Als eine weitere Schutzmaßnahme wurde in dieser Arbeit die Aktivität des Feldmultiplizierers vorgeschlagen und untersucht. Der Feldmultiplizierer ist der größte Block in kP-Designs, und kann somit als eine interne Rauschquelle genutzt werden, um die Aktivität anderer Designblöcke zu verbergen. Wir haben den Feldmultiplizierer für ECs über Primkörper nach der 4-Segment-Karatsuba-Multiplikationsformel implementiert. Das reduziert die Ausführungszeit und – dementsprechend auch – den Energieverbrauch für eine kP-Operation um etwa 40 % im Vergleich zur klassischen Multiplikationsformel. Der Energieverbrauch pro Takt bleibt aber ohne wesentliche Änderungen, d.h. die Schutzeigenschaften des Multiplizierers als Rauschquelle wurden nicht beeinträchtigt. Ein weiterer Vorteil unseres Multiplizierers ist seine inhärente Resistenz gegen horizontale Korrelationsangriffe, im Gegensatz zu den Multiplieren auf Basis der klassischen Multiplikationsformel. Außerdem wurde hier eine regelmäßige Adressierung der Designblöcke als effektive Strategie zur Reduzierung des Erfolgs horizontaler Adress-Bit Angriffe vorgeschlagen, implementiert und untersucht. Die Kombination der regelmäßigen Adressierung mit den Hiding-Eigenschaften des Feldmultiplizierers kann die Resistenz der in Hardware implementierten kP-Designs gegen ein breites Spektrum von Seitenkanalangriffen signifikant erhöhen. KW - Elliptic curve cryptography KW - Hardware implementation KW - Side-channel analysis KW - Horizontal attacks KW - Countermeasures KW - Elliptische Kurven-Kryptographie KW - Hardware Implementierung KW - Seitenkanalanalyse KW - Horizontale Angriffe KW - Gegenmaßnahmen KW - Seitenkanalattacke KW - Fehleranalyse KW - Differentielle Kryptoanalyse KW - Kryptosystem KW - Implementierung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63973 ER - TY - THES A1 - Becker, Juliane T1 - Entwicklung eines Verfahrens zur qualitativen und quantitativen Analyse von Biofilmen mittels automatisierter Fluoreszenzmikroskopie T1 - Development of a method for the qualitative and quantitative analysis of biofilms using automated fluorescence microscopy N2 - Biofilme sind Zusammenschlüsse von Mikroorganismen, die eingebettet in einer selbstproduzierten Matrix vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt sind und eine erhöhte Toleranz gegenüber Antiinfektiva aufweisen. Im Bereich der Humanmedizin werden 65-80 % aller bakteriellen Infektionen mit Biofilmen assoziiert. Problematisch ist die fehlende Biofilmanalytik in der Routinediagnostik, die auch von der Europäischen Gesellschaft für klinische Mikrobiologie und Infektionskrankheiten gefordert wird. So fehlen standardisierte Methoden für den mikroskopischen Nachweis einer Biofilm-assoziierten Infektion, die in situ Quantifizierung von Bakterien auf Implantaten und die Prüfung der Antibiotikaempfindlichkeit von Bakterien in Biofilmen. Mit den in dieser Arbeit etablierten Methoden wurden diese verschiedenen Schwerpunkte im Bereich der bakteriellen Biofilmanalytik beleuchtet. Basierend auf der an der Hochschule Lausitz entwickelten VideoScan-Technologie wurden fluoreszenzmikroskopische Methoden für die Untersuchung von Biofilmen entwickelt. Es wurde ein Modul geschaffen, welches qualitative und quantitative Aussagen über die allgemeine Fähigkeit von Bakterien zur Biofilmbildung treffen kann. Mit Anwendung dieser Methode konnte der Zusammenhang zwischen den genotypischen und phänotypischen Merkmalen von 187 klinischen E. coli-Isolaten und deren Biofilmbildung untersucht werden. Ein weiteres Modul erlaubte die Untersuchung der mit E. coli besiedelten Materialien Glas, Stahl und Titan. Insgesamt 44 Materialstücke (Coupons) wurden auf die Anzahl adhärenter Bakterien, die besiedelte Fläche und die maximal gebildete Biofilmdicke untersucht. Das dritte und letzte Modul fand Anwendung in der Untersuchung der Antibiotikaempfindlichkeit von S. aureus während der Biofilmbildung und unterschiedlich reifer S. aureus-Biofilme. Innerhalb dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die etablierte Methode eine umfangreiche Analyse von Biofilmen für verschiedene Fragestellungen ermöglicht. N2 - Biofilms are associations of microorganisms embedded in a self-produced matrix that are protected from external environmental influences and exhibit increased tolerance to anti-infectives. In human medicine, 65-80% of all bacterial infections are associated with biofilms. The lack of biofilm analysis in routine diagnostics, which is also demanded by the European Society for Clinical Microbiology and Infectious Diseases, is problematic. There is a lack of standardized methods for microscopic detection of biofilm-associated infection, in situ quantification of bacteria on implants, and testing of antibiotic susceptibility of bacteria in biofilms. With the methods established in this work, these different focus areas in the field of bacterial biofilm analysis were regarded. Based on the VideoScan technology developed at the Lausitz University of Applied Sciences, fluorescence microscopic methods for the investigation of biofilms were developed. A module for qualitative and quantitative analysis of the general ability of bacteria to form biofilms was developed. Using this method, the relationship between the genotypic and phenotypic characteristics of 187 clinical E. coli isolates and their biofilm formation could be studied. Another module allowed the study of E. coli colonized materials glass, steel and titanium. A total of 44 pieces of material (coupons) were examined for the number of adherent bacteria, the colonized area and the maximum biofilm thickness. The third and final module was used to investigate the antibiotic sensitivity of S. aureus during biofilm formation and differentially mature S. aureus biofilms. Within this work it could be shown that the established method allows a comprehensive analysis of biofilms for different questions. KW - Biofilm KW - Video-Scan KW - Fluoreszenzmikroskopie KW - Biofilmbildung KW - Fluorescence microscopy KW - Biofilm formation KW - Biofilm KW - Fluoreszenzmikroskopie KW - Bildgebendes Verfahren Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63787 ER -