Lineare und Nichtlineare Ein- und Mehrfreiheitsgradschwingungen

• Freie Schwingungen
• Selbsterregte Schwingungen
• Parametererregte Schwingungen
• Erzwungene Schwingungen
• Mehrfreiheitsgradschwingungen
• Kontinuumsschwingungen
• Irreguläre Schwingungen

German - K. Magnus, K. Popp, W. Sextro: Schwingungen. Physikalische Grundlagen und mathematische Behandlung von Schwingungen.

English - K. Magnus: Vibrations. 

• Theorien und Methoden des Projektmanagements
• Innovationsmanagement
• Agiles Projektmanagement
• Grundlagen agiler und klassischer Methoden
• Hybrider Einsatz klassischer und agiler Methoden  
• Rollen, Perspektiven und Stakeholder im Projektverlauf
• Initiierung und Koordination von komplexen Projekten im Ingenieurbereich
• Grundlagen Moderation, Teamsteuerung, Teamführung, Konfliktmanagement
• Kommunikationsstrukturen: betriebsintern, unternehmensübergreifend
• Öffentliche Informationspolitik
• Förderung von Commitment und Empowerment
• Erfahrungsaustausch mit Fach- und Führungskräften aus dem Ingenieurbereich
• Dokumentation und Reflexion von Lernerfahrungen

Seminarapparat

• Grundkonzepte, Chancen und Grenzen organisationalen Wandels 
• Modelle und Methoden der Organisationsgestaltung und -entwicklung
• Strategische Ausrichtung und Veränderung und deren kurz-, mittel- und langfristigen Konsequenzen für Individuum, Organisation und Gesellschaft
• Rollen, Perspektiven und Stakeholder in Veränderungsprozessen
• Initiierung und Koordinierung von Veränderungsmaßnahmen im Ingenieurbereich
• Phasen-Modelle des organisationalen Wandels (Lewin, Kotter etc.) 
• Veränderungsgerechte Informationspolitik und Umgang mit Widerständen und Unsicherheit 
• Förderung von Commitment und Empowerment
• Erfolgreicher Umgang mit Change und Transformation: persönlich, als Mitarbeiterin bzw. Mitarbeiter, als Führungskraft (persönlich, professional, organisational)
• Unternehmen und Globe (systemisch)
• Erfahrungsaustausch mit Fach- und Führungskräften aus dem Ingenieurbereich
• Dokumentation und Reflexion von Lernerfahrungen

Onboarding Betrieb

• Zuweisung berufliches Tätigkeitsfeld als Ingenieurin bzw. Ingenieur (B.Sc.) und dazugehöriger Arbeitsbereiche
• Festlegung der Zuständigkeiten und Befugnisse des dual Studierenden im Betrieb als Ingenieurin bzw. Ingenieur (B.Sc.)
• Eigenverantwortliches Arbeiten im Team und ausgewählten Projekten - bereichs- und ggf. unternehmensübergreifend
• Ablaufplanung des aktuellen Praxismoduls mit klarer Zuordnung zu den Arbeitsstrukturen 
• Ablaufplanung der Prüfungsphase/nächstes Studiensemester

Betriebliches Wissen und betriebliche Fertigkeiten

• Unternehmensspezifika: Verantwortung als Ingenieurin bzw. Ingenieur (B.Sc.) im eigenen Arbeitsbereich, Koordination von Team- und Projektarbeit, Umgang mit komplexen Zusammenhängen und ungelösten Problemstellungen, Entwicklung und Realisierung von Innovationen
• Fachliche Spezialisierung (korrespondierend mit dem gewählten Studiengang (M.Sc.) im Tätigkeitsfeld
• Systemische Fertigkeiten
• Umsetzung der hochschulseitigen Anwendungsempfehlungen (Theorie-Praxis-Transfer) in damit korrespondierenden Arbeits- und Aufgabenbereichen des Betriebes 

Lerntransfer/-reflexion

• Anlegen E-Portfolio
• Bedeutung der Studieninhalte (M.Sc.) für die Arbeit als Ingenieurin bzw. Ingenieur
• Bedeutung von Entwicklung und Innovation für die Arbeit als Ingenieurin bzw. Ingenieur 
• Hochschulseitige Anwendungsempfehlungen zum Theorie-Praxis-Transfer

• Studierendenhandbuch
• Betriebliche Dokumente
• Hochschulseitige Handlungsempfehlungen zum Theorie-Praxis-Transfer

- General overview on modern engineering
- Displacement method
- Hybrid formulation
- Isoparametric elements
- Numerical integration
- Solving systems of equations (statics, dynamics)
- Eigenvalue problems
- Non-linear systems
- Applications

- Programming of elements (Matlab, hands-on sessions)
- Applications

Bathe, K.-J. (2000): Finite-Elemente-Methoden. Springer Verlag, Berlin

State space methods (single-input single-output)

• State space models and transfer functions, state feedback 
• Coordinate basis, similarity transformations 
• Solutions of state equations, matrix exponentials, Caley-Hamilton Theorem
• Controllability and pole placement 
• State estimation, observability, Kalman decomposition 
• Observer-based state feedback control, reference tracking 
• Transmission zeros
• Optimal pole placement, symmetric root locus 
Multi-input multi-output systems
• Transfer function matrices, state space models of multivariable systems, Gilbert realization 
• Poles and zeros of multivariable systems, minimal realization 
• Closed-loop stability
• Pole placement for multivariable systems, LQR design, Kalman filter 

Digital Control
• Discrete-time systems: difference equations and z-transform 
• Discrete-time state space models, sampled data systems, poles and zeros 
• Frequency response of sampled data systems, choice of sampling rate 

System identification and model order reduction 
• Least squares estimation, ARX models, persistent excitation 
• Identification of state space models, subspace identification 
• Balanced realization and model order reduction 

Case study
• Modelling and multivariable control of a process evaporator using Matlab and Simulink 
Software tools
• Matlab/Simulink

• Werner, H., Lecture Notes „Control Systems Theory and Design“
• T. Kailath "Linear Systems", Prentice Hall, 1980
• K.J. Astrom, B. Wittenmark "Computer Controlled Systems" Prentice Hall, 1997
• L. Ljung "System Identification - Theory for the User", Prentice Hall, 1999

One of the offered experiments in control theory.

Experiment Guides

One of the offered experiments in control theory.

Experiment Guides

One of the offered experiments in control theory.

Experiment Guides

1. Grundlagen von Mehrkörpersystemen
2. Kontinuumsmechanische Grundlagen
3. Lineare finite Elemente Modelle und Modellreduktion
4. Nichtlineare finite Elemente Modelle: Absolute Nodal Coordinate Formulation
   
5. Kinematik eines elastischen Körpers
   
6. Kinetik eines elastischen Körpers
7. Zusammenbau des Gesamtsystems
   

Schwertassek, R. und Wallrapp, O.: Dynamik flexibler Mehrkörpersysteme. Braunschweig, Vieweg, 1999.

Seifried, R.: Dynamics of Underactuated Multibody Systems, Springer, 2014.

Shabana, A.A.: Dynamics of Multibody Systems. Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2004, 3. Auflage.

1. Formulierung des Optimierungsproblems und Klassifikation
   
2. Skalare Optimierung
3. Sensitivitätsanalyse
4. Parameteroptimierung ohne Nebenbedingungen
5. Parameteroptimierung mit Nebenbedingungen
6. Stochastische Optimierungsverfahren
7. Mehrkriterienoptimierung
8. Topologieoptimierung
   

Bestle, D.: Analyse und Optimierung von Mehrkörpersystemen. Springer, Berlin, 1994.

Nocedal, J. , Wright , S.J. : Numerical Optimization. New York: Springer, 2006.

Kontinuumsmechanik ist eine allgemeine Theorie, um das Verhalten kontinuierlicher Körper - seien sie fest, flüssig oder gasförmig - unter Einwirkung von Kräften zu beschreiben. Insbesondere behandelt sie die mathematische Beschreibung von Verzerrungen und Spannungen sowie des Materialverhaltens in kontinuierlichen Körpern. Das Modul Kontinuumsmechanik kann als eine Fortsetzung des Moduls Technische Mechanik II verstanden werden. Während sich das Modul Technische Mechanik II auf kleine Verformungen linearelastischer Körper mit sehr einfacher Geometrie beschränkt, erweitert das Modul Kontinuumsmechanik die Perspektive auf allgemeine Verformungen beliebiger Körper unter beliebigen Lasten. Der in der Vorlesung unterrichtete Stoff ist primär theoretisch, jedoch fundamental für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten wie etwa Fertigungs- und Umformtechnik, Automobilbau und Medizintechnik. Konkrete Inhalte sind:

• Grundlagen der Tensorrechnung
  • Transformationsinvarianz
  • Tensoralgebra
  • Tensoranalysis
    
• Kinematik
  • Bewegung eines Kontinuums
  • Verformung infinitesimaler Linien-, Flächen- und Volumenelemente
  • Materielle und räumliche Betrachtung
  • Polare Zerlegung
  • Spektrale Zerlegung
  • Objektivität
  • Verzerrungsmaße
  • Zeitableitungen
    • Partielle / materielle Zeitableitung
    • Objektive Zeitableitungen
      
    • Verzerrungs-und Deformationsraten
  • Transporttheoreme
    
• Bilanzgleichungen (globale und lokale Form)
  • Massenbilanz
  • Spannungszustand
    • Randspannunsvektoren
    • Cauchy'sches Fundametaltheorem
    • Spannungstensoren (Cauchy-, 1. und 2. Piola-Kirchhoff-, Kirchhoff-Spannunstensor)
  • Impulsbilanz
  • Drehimpulsbilanz
  • Energiebilanz
  • Entropiebilanz
  • Clausius-Duhem-Ungleichung
    
• Konstitutive Beziehungen
  
  • Konstitutive Annahmen
  • Fluide
  • Elastische Körper
    • Hyperelastizität
      
    • Materialsymmetrie
  • Elastoplastizität
    
• Analyse
  • Anfangsrandwertprobleme und deren numerische Lösung

R. Greve: Kontinuumsmechanik: Ein Grundkurs für Ingenieure und Physiker

I-S. Liu: Continuum Mechanics, Springer

R. Greve: Kontinuumsmechanik: Ein Grundkurs für Ingenieure und Physiker

I-S. Liu: Continuum Mechanics, Springer

In Gruppen werden praktische Übungen aus unterschiedlichen Bereichen der Technischen Dynamik mit Schwerpunkt numerischer Simulation, experimenteller Validierung und experimenteller Schwingungsanalyse selbständig durchgeführt. Die in der Vorlesung Technischer Dynamik erarbeiteten numerischen Simulationsmethoden werden für Beispielsysteme selbständig in Matlab implementiert und simuliert. Anhand der experimentellen Versuche wird neben dem Wissen über die aktuelle Problemstellung Erfahrungen im Umgang mit Meßgeräten, Sensoren, Signalverarbeitungsgeräten und mit der Meßdatenverarbeitung am PC gesammelt.

Schiehlen, W.; Eberhard, P.: Technische Dynamik, 4. Auflage, Vieweg+Teubner: Wiesbaden, 2014.

1. Modellierung von Mehrkörpersystemen
2. Kinematische und kinetische Grundlagen
3. Bindungen
4. Mehrkörpersysteme in Minimalkoordinaten
5. Zustandsraum, Linearisierung und Modalanalyse
   
6. Mehrkörpersysteme mit kinematischen Schleifen
7. Mehrkörpersysteme in DAE-Form
8. Nichtholonome Mehrkörpersysteme
9. Experimentelle Methoden in der Dynamik
   

Schiehlen, W.; Eberhard, P.: Technische Dynamik, 4. Auflage, Vieweg+Teubner: Wiesbaden, 2014.

Woernle, C.: Mehrkörpersysteme, Springer: Heidelberg, 2011.

Seifried, R.: Dynamics of Underactuated Multibody Systems, Springer, 2014.

Grundlagen der Nichtlinearen Dynamik

• Eindimensionale Probleme
  • Lineare Stabilität
  • Lokale Bifurkationen
  • Synchronisation
• Zweidimensionale Probleme
  • Grenzzykel
  • Globale Bifurkationen
• Chaos
  • Lorenz-Gleichungen
  • Fraktale und Seltsame Attraktoren
  • Vorhersagehorizonte

Im Kurs werden theoretischen Grundlagen der Entwurfsoptimierung und Zuverlässigkeitsanalyse vermittelt, der Fokus liegt jedoch auf dem Anwendungsbezug dieser Verfahren.  Die Inhalte werden in Veranstaltungen vermittelt, die sowohl Vorlesungskomponenten als auch Rechnerübungen enthalten. In den Rechnerübungen werden die erlernten Methoden in Matlab implementiert, um deren praktische Umsetzung zu vermitteln.

Folgende Inhalte werden im Kurs behandelt:

• Entwurfsoptimierung
  • Gradientenbasierte Verfahren
  • Genetische Algorithmen
  • Optimierung unter Nebenbedingungen
  • Topologieoptimierung
• Zuverlässigkeitsanalyse
  • Grundlagen der Stochastik
  • Monte-Carlo-Methoden
  • Semi-analytische Verfahren
• Robustheitsoptimierung Entwurfsoptimierung
  • Robustheitsmaße
  • Verknüpfung von Entwurfsoptimierung Zuverlässigkeitsanalyse

[1] Arora, Jasbir. Introduction to Optimum Design. 3rd ed. Boston, MA: Academic Press, 2011.
[2] Haldar, A., and S. Mahadevan. Probability, Reliability, and Statistical Methods in Engineering Design. John Wiley & Sons New York/Chichester, UK, 2000.

Numerische Modellierung komplexer turbulenter Ein- und Mehrphasenströmungen mit höherwertigen Ansätzen für unstrukturierte und netzfreie Approximationstechniken

1)
Vorlesungsmanuskript und Übungsunterlagen

2)
J.H. Ferziger, M. Peric:
Computational Methods for Fluid Dynamics,
Springer

1. Introduction
2. Motivation
3. Hierarchic shape functions
4. Mapping functions
5. Computation of element matrices, assembly, constraint enforcement and solution
6. Convergence characteristics
7. Mechanical models and finite elements for thin-walled structures
8. Computation of thin-walled structures
9. Error estimation and hp-adaptivity
10. High-order fictitious domain methods

[1] Alexander Düster, High-Order FEM, Lecture Notes, Technische Universität Hamburg-Harburg, 164 pages, 2014
[2] Barna Szabo, Ivo Babuska, Introduction to Finite Element Analysis – Formulation, Verification and Validation, John Wiley & Sons, 2011

1. Fehler und Stabilität: Begriffe und Abschätzungen
2. Rationale Interpolation und Approximation
3. Mehrdimensionale Interpolation (RBF) und Approximation (neuronale Netze)
4. Quadratur: Gauß-Quadratur, Orthogonalpolynome
5. Lineare Systeme: Perturbationstheorie von Zerlegungen, strukturierte Matrizen
6. Eigenwertaufgaben: LR-, QD-, QR-Algorithmus
7. Nichtlineare Gleichungssysteme: Newton- und Quasi-Newton-Verfahren, Liniensuche (optional)
8. Krylovraum-Verfahren: Arnoldi-, Lanczos-Verfahren (optional)

• Skript
• Stoer/Bulirsch: Numerische Mathematik 1, Springer
• Dahmen, Reusken: Numerik für Ingenieure und Naturwissenschaftler, Springer
  

• Wahrscheinlichkeitsdefinitionen, bedingte Wahrscheinlichkeiten
• Zufallsvariablen
• Unabhängigkeit
  
• Verteilungs- und Dichtefunktionen
• Kenngrößen: Erwartungswert, Varianz, Standardabweichung, Momente
• Multivariate Verteilungen
• Gesetz der großen Zahlen und zentraler Grenzwertsatz
• Grundbegriffe zu stochastischen Prozessen
• Grundkonzepte der Statistik (Punktschätzer, Konfidenzintervalle und Hypothesentests)

• L. Dümbgen (2003): Stochastik für Informatiker, Springer.
• H.-O. Georgii (2012): Stochastics: Introduction to Probability and Statistics, 2nd edition, De Gruyter.
• N. Henze (2018): Stochastik für Einsteiger, 12th edition, Springer.
• A. Klenke (2014): Probability Theory: A Comprehensive Course, 2nd edition, Springer.
• U. Krengel (2005): Einführung in die Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik, 8th edition, Vieweg.
• A.N. Shiryaev (2012): Problems in probability, Springer.

• Optimal regulator problem with finite time horizon, Riccati differential equation
• Time-varying and steady state solutions, algebraic Riccati equation, Hamiltonian system
• Kalman’s identity, phase margin of LQR controllers, spectral factorization
• Optimal state estimation, Kalman filter, LQG control
• Generalized plant, review of LQG control
• Signal and system norms, computing H2 and H∞ norms
• Singular value plots, input and output directions
• Mixed sensitivity design, H∞ loop shaping, choice of weighting filters

• Case study: design example flight control
• Linear matrix inequalities, design specifications as LMI constraints (H2, H∞ and pole region)
• Controller synthesis by solving LMI problems, multi-objective design
• Robust control of uncertain systems, small gain theorem, representation of parameter uncertainty

• Werner, H., Lecture Notes: "Optimale und Robuste Regelung"
• Boyd, S., L. El Ghaoui, E. Feron and V. Balakrishnan "Linear Matrix Inequalities in Systems and Control", SIAM, Philadelphia, PA, 1994
• Skogestad, S. and I. Postlewhaite "Multivariable Feedback Control", John Wiley, Chichester, England, 1996
• Strang, G. "Linear Algebra and its Applications", Harcourt Brace Jovanovic, Orlando, FA, 1988
• Zhou, K. and J. Doyle "Essentials of Robust Control", Prentice Hall International, Upper Saddle River, NJ, 1998

Onboarding Betrieb

• Zuweisung berufliches Tätigkeitsfeld als Ingenieurin bzw. Ingenieur (B.Sc.) und dazugehöriger Arbeitsbereiche
• Festlegung der Zuständigkeiten und Befugnisse des dual Studierenden im Betrieb als Ingenieurin bzw. Ingenieur (B.Sc.)
• Eigenverantwortliches Arbeiten im Team und ausgewählten Projekten - im bereichs- und ggf. unternehmensübergreifend
• Ablaufplanung des aktuellen Praxismoduls mit klarer Zuordnung zu den Arbeitsstrukturen 
• Ablaufplanung der Prüfungsphase/nächstes Studiensemester

Betriebliches Wissen und betriebliche Fertigkeiten

• Unternehmensspezifika: Verantwortung als Ingenieurin bzw. Ingenieur (B.Sc.) im eigenen Arbeitsbereich, Koordination von Team- und Projektarbeit, Umgang mit komplexen Zusammenhängen und ungelösten Problemstellungen, Entwicklung und Realisierung von Innovationen
• Fachliche Spezialisierung (korrespondierend mit dem gewählten Studiengang (M.Sc.) im Tätigkeitsfeld
• Systemische Fertigkeiten
• Umsetzung der hochschulseitigen Anwendungsempfehlungen (Theorie-Praxis-Transfer) in damit korrespondierenden Arbeits- und Aufgabenbereichen des Betriebes 

Lerntransfer/-reflexion

• Fortschreiben E-Portfolio
• Bedeutung der Studieninhalte (M.Sc.) für die Arbeit als Ingenieurin bzw. Ingenieur
• Bedeutung von Entwicklung und Innovation für die Arbeit als Ingenieurin bzw. Ingenieur 
• Hochschulseitige Anwendungsempfehlungen zum Theorie-Praxis-Transfer

• Studierendenhandbuch
• Betriebliche Dokumente
• Hochschulseitige Anwendungsempfehlungen zum Theorie-Praxis-Transfer

Numerische Verfahren für Anfangswertprobleme

• Einschrittverfahren
  
• Mehrschrittverfahren
• Steife Probleme
• Differentiell-algebraische Gleichungen vom Index 1

Numerische Verfahren für Randwertaufgaben

• Mehrzielmethode
• Differenzenverfahren
  

• E. Hairer, S. Noersett, G. Wanner: Solving Ordinary Differential Equations I: Nonstiff Problems.
• E. Hairer, G. Wanner: Solving Ordinary Differential Equations II: Stiff and Differential-Algebraic Problems.
• D. Griffiths, D. Higham: Numerical Methods for Ordinary Differential Equations.

• Prediction error method
  
• Linear and nonlinear model structures
• Nonlinear model structure based on multilayer perceptron network
• Approximate predictive control based on multilayer perceptron network model
• Subspace identification

• Lennart Ljung, System Identification - Theory for the User, Prentice Hall 1999
• M. Norgaard, O. Ravn, N.K. Poulsen and L.K. Hansen, Neural Networks for Modeling and Control of Dynamic Systems, Springer Verlag, London 2003
• T. Kailath, A.H. Sayed and B. Hassibi, Linear Estimation, Prentice Hall 2000

• Basic values for optical systems and lighting technology
• Spectrum, black-bodies, color-perception
• Light-Sources und their characterization
• Photometrics
• Ray-Optics
• Matrix-Optics
• Stops, Pupils and Windows
• Light-field Technology
• Introduction to Wave-Optics
• Introduction to Holography

•Interdisziplinär zwischen angewandter Mathematik (Systemtheorie) und Ingenieurwesen (Maschinenbau) angesiedelt

•Bearbeitung von Fragestellungen des autonomen Fahrens in interdisziplinären Kleingruppen

•Entwicklung theoretischer Regelungsverfahren sowie deren Implementation an Versuchsfahrzeugen

•Einschließlich geisteswissenschaftlichem Bezug (durch externe Referenten bspw. zu Ethik und juristische Grundlagen des autonomen Fahrens)

Seifried, R.: Dynamics of underactuated multibody systems, Springer, 2014

Popp, K.; Schiehlen, W.: Ground vehicle dynamics, Springer, 2010

Onboarding Betrieb

• Zuweisung zukünftiges berufliches Tätigkeitsfeld als Ingenieurin bzw. Ingenieur (M.Sc.) und dazugehöriger Arbeitsbereiche
• Erweiterung der Zuständigkeiten und Befugnisse des dual Studierenden im Betrieb bis hin zur vorgesehenen Erstverwendung nach dem Studium 
• Verantwortliches Arbeiten im Team; Projektverantwortung im eigenen Zuständigkeitsbereich ggf. auch bereichs- und unternehmensübergreifend
• Ablaufplanung des letzten Praxismoduls mit klarer Zuordnung zu den Arbeitsstrukturen 
• Betriebsinterne Abstimmung über eine potenzielle Problemstellung oder ein Innovationsvorhaben für die Masterarbeit
• Ablaufplanung der Masterarbeit im Betrieb in der Zusammenarbeit mit der TU Hamburg  
• Ablaufplanung der Prüfungsphase/nächstes Studiensemester

Betriebliches Wissen und betriebliche Fertigkeiten

• Unternehmensspezifika: Umgang mit Veränderungen, Projekt- und Teamentwicklung, Verantwortung als Ingenieurin bzw. Ingenieur im zukünftigen Arbeitsbereich (M.Sc.), Umgang mit komplexen Zusammenhängen, häufigen und unvorhersehbaren Veränderungen, Entwicklung und Realisierung von Innovationen
• Fachliche Spezialisierung in einem Arbeitsbereich (Abschlussarbeit)
• Systemische Fertigkeiten
• Umsetzung der hochschulseitigen Anwendungsempfehlungen (Theorie-Praxis-Transfer) in damit korrespondierenden Arbeits- und Aufgabenbereichen des Betriebes 

Lerntransfer/-reflexion

• E-Portfolio
• Bedeutung von Studieninhalten und der eigenen Spezialisierung für die Arbeit als Ingenieurin bzw. Ingenieur
• Bedeutung von Forschung und Innovation für die Arbeit als Ingenieurin bzw. Ingenieur 
• Hochschulseitige Anwendungsempfehlungen zum Theorie-Praxis-Transfer

• Studierendenhandbuch
• betriebliche Dokumente
• Hochschulseitige Anwendungsempfehlungen zum Theorie-Praxis-Transfer

Topics to be covered include:

1.    Introduction (Importance, nomenclature, relations)

2.    Biological materials

2.1  Basics (components, testing methods)

2.2  Bone (composition, development, properties, influencing factors)

2.3  Cartilage (composition, development, structure, properties, influencing factors)

2.4  Fluids (blood, synovial fluid)

3     Biological structures

3.1  Menisci of the knee joint

3.2  Intervertebral discs

3.3  Teeth

3.4  Ligaments

3.5  Tendons

3.6  Skin

3.7  Nervs

3.8  Muscles

4.    Replacement materials

4.1  Basics (history, requirements, norms)

4.2  Steel (alloys, properties, reaction of the body)

4.3  Titan (alloys, properties, reaction of the body)

4.4  Ceramics and glas (properties, reaction of the body)

4.5  Plastics (properties of PMMA, HDPE, PET, reaction of the body)

4.6  Natural replacement materials

Knowledge of composition, structure, properties, function and changes/adaptations of biological and technical materials (which are used for replacements in-vivo). Acquisition of basics for theses work in the area of biomechanics.

Hastings G and Ducheyne P.: Natural and living biomaterials. Boca Raton: CRC Press, 1984.

Williams D.: Definitions in biomaterials. Oxford: Elsevier, 1987.

Hastings G.: Mechanical properties of biomaterials: proceedings held at Keele University, September 1978. New York: Wiley, 1998.

Black J.: Orthopaedic biomaterials in research and practice. New York: Churchill Livingstone, 1988.

Park J.  Biomaterials: an introduction. New York: Plenum Press, 1980.

Wintermantel, E. und Ha, S.-W : Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen. Berlin, Springer, 1996.

Inhalt (deutsch)

Lösung statistischer Fragestellungen unter Anwendung eines gebräuchlichen Statistikprogrammes. Die vermittelten statistischen Tests und Vorgehensweisen beinhalten:

•          Wahl des statistischen Verfahrens

•          Einfluss der Gruppengröße auf die Ergebnisse

•          Chi quadrat test

•          Regression und Korrelation mit einer unabhängigen Variablen

•          Regression und Korrelation mit mehreren unabhängigen Variablen

•          Varianzanalyse mit eine unabhängigen Variablen

•          Varianzanalyse mit mehreren unabhängigen Variablen

•          Diskriminantenanalyse

•          Analyse kategorischer Daten

•          Nichtparametrische Statistik

•          Überlebensanalysen

Applied Regression Analysis and Multivariable Methods, 3rd Edition, David G. Kleinbaum Emory University, Lawrence L. Kupper University of North Carolina at Chapel Hill, Keith E. Muller University of North Carolina at Chapel Hill, Azhar Nizam Emory University, Published by Duxbury Press, CB © 1998, ISBN/ISSN: 0-534-20910-6

Die Studenten bekommen in Kleingruppen (n=5) eine Fragestellung, zu deren Beantwortung sie sowohl die Datenerhebung als auch die Analyse durchführen und die Ergebnisse in Form eines executive summaries in der letzten Vorlesung vorstellen müssen.

Selbst zu finden

Anhand von praktischen Fragestellungen werden die wichtigsten statistischen Verfahren angewendet und gleichzeitig in die Benutzung der kommerziell am häufigsten eingesetzten Software eingeführt und deren Benutzung geübt.

Student Solutions Manual for Kleinbaum/Kupper/Muller/Nizam's Applied Regression Analysis and Multivariable Methods, 3rd Edition, David G. Kleinbaum Emory University Lawrence L. Kupper University of North Carolina at Chapel Hill, Keith E. Muller University of North Carolina at Chapel Hill, Azhar Nizam Emory University, Published by Duxbury Press, Paperbound © 1998, ISBN/ISSN: 0-534-20913-0

- Grundlegende Eigenschaften elektromagnetischer Felder (Phänomene)

- Mathematische Beschreibung elektromagnetischer Felder (Maxwell-Gleichungen)

- Elektromagnetische Eigenschaften biologischer Materie

- Prinzipien der Energieabsorption in biologischer Materie, Dosimetrie

- Numerische Methoden zur Berechnung elektromagnetischer Felder (v.a. FDTD)

- Messtechnische Methoden zur Bestimmung elektromagnetischer Felder

- Verhalten elektromagnetischer Felder niedriger Frequenz in biologischer Materie

- Verhalten elektromagnetischer Felder mittlerer Frequenz in biologischer Materie

- Verhalten elektromagnetischer Felder hoher Frequenz in biologischer Materie

- Verhalten elektromagnetischer Felder sehr hoher Frequenz in biologischer Materie

- Diagnostische Anwendungen elektromagnetischer Felder in der Medizin

- Therapeutische Anwendungen elektromagnetischer Felder in der Medizin

- Der menschliche Körper als Generator elektromagnetischer Felder

- C. Furse, D. Christensen, C. Durney, "Basic Introduction to Bioelectromagnetics", CRC (2009)

- A. Vorst, A. Rosen, Y. Kotsuka, "RF/Microwave Interaction with Biological Tissues", Wiley (2006)

- S. Grimnes, O. Martinsen, "Bioelectricity and Bioimpedance Basics", Academic Press (2008)

- F. Barnes, B. Greenebaum, "Bioengineering and Biophysical Aspects of Electromagnetic Fields", CRC (2006)

Eine der wichtigsten Fragen bei der Modellierung mechanischer Systeme in der Praxis ist, wie man das Materialverhalten der einzelnen Bauteile modelliert. Neben einfacher isotroper Elastizität sind dabei von besonderer Bedeutung:

- Anisotropie (richtungsabhängige Materialeigenschaften etwa bei faserverstärkten Kunststoffen)
- Plastizität (dauerhafte Verformung durch einmalige hohe Belastung etwa in der Umformtechnik)
- Viskoelastizität (Absorption von Energie etwa bei Dämpfern)
- Kriechen (schleichende Verformung unter Langzeitbelastung z.B. in Rohrleitungen)

Diese Vorlesung gibt eine kurze Einführung in die theoretischen Grundlagen und mathematische Beschreibung der oben genannten Phänomene. In einer parallelen Übung werden diese anhand einfacher Berechnungsaufgaben vertieft. Dabei wird insbesondere erläutert, wie die oben genannten Phänomene in Computersimulationen modelliert werden können und wie man aus gegebenen Messdaten wichtige Materialparameter bestimmen kann.

Empfohlene Literatur / Recommended literature:
1) Dietmar Gross, Werner Hauger, Peter Wriggers, Technische Mechanik 4, Springer 2018, DOI: 10.1007/978-3-662-55694-8
2) Peter Haupt, Continuum Mechanics and Theory of Materials, Springer 2002, DOI: 10.1007/978-3-662-04775-0

• Grundlagen der Kinematik
• Grundlagen der statischen und dynamischen Stabilität humanoider Robotersysteme
• Verknüpfung verschiedener Entwicklungsumgebungen (Matlab, C++, etc.)
• Einarbeitung in die notwendigen Frameworks
• Bearbeitung einer Projektaufgabe im Team
• Präsentation und Demonstration von Zwischen- und Endergebnissen

• B. Siciliano, O. Khatib. "Handbook of Robotics. Part A: Robotics Foundations", Springer (2008)

Inhalt (deutsch)

1.  EINLEITUNG (Bedeutung, Ziel, Grundlagen, allg. Geschichte des künstlichen Gelenker-satzes)

2.  FUNKTIONSANALYSE (Der menschliche Gang, die menschliche Arbeit, die sportliche Aktivität)

3.  DAS HÜFTGELENK (Anatomie, Biomechanik, Gelenkersatz Schaftseite und Pfannenseite, Evolution der Implantate)

4.  DAS KNIEGELENK (Anatomie, Biomechanik, Bandersatz, Gelenkersatz femorale, tibiale und patelläre Komponenten)

5.  DER FUß (Anatomie, Biomechanik, Gelen-kersatz, orthopädische Verfahren)

6.  DIE SCHULTER (Anatomie, Biomechanik, Gelenkersatz)

7.  DER ELLBOGEN (Anatomie, Biomechanik, Gelenkersatz)

8.  DIE HAND (Anatomie, Biomechanik, Ge-lenkersatz)

9.  TRIBOLOGIE NATÜRLICHER UND KÜNST-LICHER GELENKE (Korrosion, Reibung, Verschleiß)

Kapandji, I..: Funktionelle Anatomie der Gelenke (Band 1-4), Enke Verlag, Stuttgart, 1984.

Nigg, B., Herzog, W.: Biomechanics of the musculo-skeletal system, John Wiley&Sons, New York 1994

Nordin, M., Frankel, V.: Basic Biomechanics of the Musculoskeletal System, Lea&Febiger, Philadelphia, 1989.

Czichos, H.: Tribologiehandbuch, Vieweg, Wiesbaden, 2003.

Sobotta und Netter für Anatomie der Gelenke

- kinematics
- calibration
- tracking systems
- navigation and image guidance
- motion compensation
The seminar extends and complements the contents of the lecture with respect to recent research results.

Spong et al.: Robot Modeling and Control, 2005
Troccaz: Medical Robotics, 2012
Further literature will be given in the lecture.

Im Rahmen der Vorlesung werden die physikalischen Grundlagen, die Grundlagen der Bildgebung und die Hauptapplikationsgebiete der Magnetresonanz Tomographie (MR), der Bildgebung mittels Röntgenstrahlung (X-ray und CT), der nuklearen Bildgebung (SPECT und PET) und des Ultraschalls (US) vermittelt. Am Ende der Vorlesung sollte jeder Student ein Basisverständniss der verschiedenen Modalitäten, ihrer Hauptanwendungsgebiete in der Medizin und ihre Stärken und Schwächen erworben haben.

Die Vorlesung teilt sich in eine Einführung und fünf Blöcke auf:

In jedem Block werden die physikalischen Grundlagen der Modalität erklärt. Darauf aufbauend werden die Prinzipien der Signalerzeugung und ihrer Detektion diskutiert. Im folgenden, werden die resultierenden Bildkontraste veranschaulicht und die Basis der zweidimensionalen und dreidimensionalen Bildgebung vermittelt. Abschließend werden die prinzipiellen Limitierungen jeder Modalität und erwartete zukünftige Entwicklungen vorgestellt.

0: Einführungsvorlesung
1: medizinische Bildgebung mittels Ultraschalls
2: Projektionsröntgenbildgebung
3: Röntgen-Computertomographie
4: Magentresonanztomographie
5: Bildgebung mittels nuklearer Verfahren

• Ultraschall: Physikalische Grundlagen, Aufbau und technische Realisierung eines Ultraschallsystems, Bildgebungsverfahren, Flußmessverfahren, medizinische Anwendungen.
• Röntgen: Physikalische Grundlagen der Röntgenbildgebung, Aufbau von Röntgenröhren, Detektion von Röntgenstrahlung, Techniken der Bildaufnahme, Bildkontrast, Projektionsröntgen, Dosisquantifizierung.
• Computer Tomographie (CT): Aufbau eines Computer-Tomographen, Datenakquisition, Bildrekonstruktion und Bildkontrast, ausgewählte medizinische Anwendungen.
• Magnetresonanz Tomographie (MRT): Physikalische Grundlagen, Aufbau eines MR-Tomographen, Grundlagen der MR-Bildgebung, Relaxation und Bildkontrast, ausgewählte medizinische Anwendungen.
• Nuklearmedizin: Kernphysikalische Grundlagen, Herstellung von Radionukleiden, Nuklearmedinische Meßtechnik, Szintigraphie, Single Photon Emission Computer Tomographie (SPECT), Positronen Emissions Tomographie (PET), medizinische Anwendungen.

Primary book:

1. P. Suetens, "Fundamentals of Medical Imaging", Cambridge Press

Secondary books:

- A. Webb, "Introduction to Biomedical Imaging", IEEE Press 2003.

- W.R. Hendee and E.R. Ritenour, "Medical Imaging Physics", Wiley-Liss, New York, 2002.

- H. Morneburg (Edt), "Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik", Erlangen: Siemens Publicis MCD Verlag, 1995.

- O. Dössel, "Bildgebende Verfahren in der Medizin", Springer Verlag Berlin, 2000.

• Überblick über bekannte Bildgebungsverfahren
• Signalverarbeitung
• Inverse Probleme
• Computertomographie
• Magnetresonanztomographie
• Compressed Sensing
• Magnetic-Particle-Pmaging

Bildgebende Verfahren in der Medizin; O. Dössel; Springer, Berlin, 2000

Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik; H. Morneburg (Hrsg.); Publicis MCD, München, 1995

Introduction to the Mathematics of Medical Imaging; C. L.Epstein; Siam, Philadelphia, 2008

Medical Image Processing, Reconstruction and Restoration; J. Jan; Taylor and Francis, Boca Raton, 2006

Principles of Magnetic Resonance Imaging; Z.-P. Liang and P. C. Lauterbur; IEEE Press, New York, 1999

Object and goal of MEMS

Scaling Rules

Lithography

Film deposition

Structuring and etching

Energy conversion and force generation

Electromagnetic Actuators

Reluctance motors

Piezoelectric actuators, bi-metal-actuator

Transducer principles

Signal detection and signal processing

Mechanical and physical sensors

Acceleration sensor, pressure sensor

Sensor arrays

System integration

Yield, test and reliability

M. Kasper: Mikrosystementwurf, Springer (2000)

M. Madou: Fundamentals of Microfabrication, CRC Press (1997)

Examples of MEMS components

Layout consideration

Electric, thermal and mechanical behaviour

Design aspects

Wird in der Veranstaltung bekannt gegeben

- methods for search, optimization,  planning,  classification, regression and prediction in a clinical context
- representation of medical knowledge
- understanding challenges due to clinical and patient related data and data acquisition
The students will work in groups to apply the methods introduced during the lecture using problem based learning.

Russel & Norvig: Artificial Intelligence: a Modern Approach, 2012
Berner: Clinical Decision Support Systems: Theory and Practice, 2007
Greenes: Clinical Decision Support: The Road Ahead, 2007
Further literature will be given in the lecture

• Aufbau und Entwicklungstendenzen der elektrischen Energieversorgung 
• Aufgaben und historische Entwicklung
• symmetrische Drehstromsysteme
• Grundlagen und Modellierung von Netzen
  • Leitungen
  • Transformatoren
  • Synchronmaschinen
  • Asynchronmaschinen
  • Lasten und Kompensation
    
  • Netzaufbau und Schaltanlagen
    
• Grundlagen der Energieumwandlung
  
  • Elektromechanische Energiewandlung
  • Thermodynamische Grundlagen
  • Kraftwerkstechnik
  • Regenerative Energieumwandlung
    
• Netzberechnung
  
  • Netzmodellierung
  • Lastflussrechnung
  • Ausfallkriterium
    
• Symmetrische Kurzschlussberechnung, Kurzschlussleistung
  
• Netz- und Kraftwerksregelung
• Netzschutz
• Grundlagen der Netzplanung
• Grundlagen der elektrischen Energiewirtschaft und -märkte
  

K. Heuck, K.-D. Dettmann, D. Schulz: "Elektrische Energieversorgung", Vieweg + Teubner, 9. Auflage, 2013

A. J. Schwab: "Elektroenergiesysteme", Springer, 5. Auflage, 2017

R. Flosdorff: "Elektrische Energieverteilung" Vieweg + Teubner, 9. Auflage, 2008

• Aufbau und Entwicklungstendenzen der elektrischen Energieversorgung 
• Aufgaben und historische Entwicklung
• symmetrische Drehstromsysteme
• Grundlagen und Modellierung von Netzen
  • Leitungen
  • Transformatoren
  • Synchronmaschinen
  • Asynchronmaschinen
  • Lasten und Kompensation
    
  • Netzaufbau und Schaltanlagen
    
• Grundlagen der Energieumwandlung
  
  • Elektromechanische Energiewandlung
  • Thermodynamische Grundlagen
  • Kraftwerkstechnik
  • Regenerative Energieumwandlung
    
• Netzberechnung
  
  • Netzmodellierung
  • Lastflussrechnung
  • Ausfallkriterium
    
• Symmetrische Kurzschlussberechnung, Kurzschlussleistung
  
• Netz- und Kraftwerksregelung
• Netzschutz
• Grundlagen der Netzplanung
• Grundlagen der elektrischen Energiewirtschaft und -märkte

K. Heuck, K.-D. Dettmann, D. Schulz: "Elektrische Energieversorgung", Vieweg + Teubner, 9. Auflage, 2013

A. J. Schwab: "Elektroenergiesysteme", Springer, 5. Auflage, 2017

R. Flosdorff: "Elektrische Energieverteilung" Vieweg + Teubner, 9. Auflage, 2008

1. Einleitung

2. Grundlagen der Wärmetechnik 2.1 Wärmeleitung 2.2 Konvektiver Wärmeübergang 2.3. Wärmestrahlung 2.4. Wärmedurchgang 2.5. Verbrennungstechnische Kennzahlen 2.6 Elektrische Erwärmung 2.7 Wassdampfdiffusion

3. Heizungssysteme 3.1. Warmwasserheizungen 3.2 Anlagen zur Warmwasserbereitung 3.3 Rohrnetzberechnung 3.4 Wärmeerzeuger 3.5 Warmluftheizungen 3.6 Strahlungsheizungen

4. Wärme- und Wärmebehandlungssysteme 4.1 Industrieöfen 4.2 Schmelzanlagen 4.3 Trocknungsanlagen 4.4 Schadstoffemissionen 4.5 Schornsteinberechnungsverfahren 4.6 Energiemesssysteme

5. Verordnung und Normen 5.1 Gebäude 5.2 Industrielle und gewerbliche Anlagen

• Schmitz, G.: Klimaanlagen, Skript zur Vorlesung
  
• VDI Wärmeatlas, 11. Auflage, Springer Verlag, Düsseldorf 2013
  
• Herwig, H.; Moschallski, A.: Wärmeübertragung, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2009
  
• Recknagel, H.;  Sprenger, E.; Schrammek, E.-R.: Taschenbuch für Heizung- und Klimatechnik 2013/2014, 76. Auflage, Deutscher Industrieverlag, 2013
  

• Einführung: Strahlungsquelle Sonne, Astronomische Grundlagen, Grundlagen der Strahlung
• Aufbau der Atmosphäre
• Eigenschaften und Gesetze von Strahlung
  • Polarisation
  • Strahlungsgrößen
  • Plancksches Strahlungsgesetz
  • Wiensches Verschiebungsgesetz
  • Stefan-Boltzmann Gesetz
  • Das Kirchhoffsche Gesetz
  • Helligkeitstemperatur
  • Absorption, Reflexion, Transmission
• Strahlungsbilanz, Globalstrahlung, Energiebilanz
• Atmosphärische Extinktion
• Mie- und Rayleigh-Streuung
• Strahlungstransfer
• Optische Effekte in der Atmosphäre
• Berechnung Sonnenstand und Berechnung Strahlung auf geneigte Flächen

• Helmut Kraus: Die Atmosphäre der Erde
• Hans Häckel: Meteorologie
• Grant W. Petty: A First Course in Atmosheric Radiation
• Martin Kaltschmitt, Wolfgang Streicher, Andreas Wiese: Renewable Energy
• Alexander Löw, Volker Matthias: Skript Optik Strahlung Fernerkundung

• Einführung: Energiebedarf und Anwendung der Sonnenenergie.
• Wärmeübertragung in der Solarthermie: Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung.
• Kollektoren: Arten, Aufbau, Wirkungsgrad, Dimensionierung, konzentrierende Systeme.
• Energiespeicher: Anforderungen, Arten.
• Passive Sonnenenergienutzung: Komponenten und Systeme.
• Solarthermische Niedertemperatursysteme: Kollektorvarianten, Aufbau, Berechnung.
• Solarthermische Hochtemperatursysteme: Klassifizierung von Solarkraftwerke, Aufbau.
• Solare Klimatisierung.

• Vorlesungsskript.
• Kaltschmitt, Streicher und Wiese (Hrsg.). Erneuerbare Energien: Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte, 5. Auflage, Springer, 2013.
• Stieglitz und Heinzel .Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen. Springer, 2012.
• Von Böckh und Wetzel. Wärmeübertragung: Grundlagen und Praxis, Springer, 2011.
• Baehr und Stephan. Wärme- und Stoffübertragung. Springer, 2009.
• de Vos. Thermodynamics of solar energy conversion. Wiley-VCH, 2008.
• Mohr, Svoboda und Unger. Praxis solarthermischer Kraftwerke. Springer, 1999.

Photovoltaik:

1. Einführung
2. Primärenergien und Verbrauch, verfügbare Sonnenenergie
3. Physik der idealen Solarzelle
4. Lichtabsorption, PN-Übergang, charakteristische Größen der Solarzelle, Wirkungsgrad
5. Physik der realen Solarzelle
6. Ladungsträgerrekombination, Kennlinien, Sperrschichtrekombination, Ersatzschaltbild
7. Erhöhung der Effizienz
8. Methoden zur Erhöhung der Quantenausbeute und Verringerung der Rekombination
9. Hetero- und Tandemstrukturen
10. Hetero-Übergang, Schottky-, elektrochemische, MIS- und SIS-Zelle, Tandem-Zelle
11. Konzentratorzellen
12. Konzentrator-Optiken und Nachführsysteme, Konzentratorzellen
13. Technologie und Eigenschaften: Solarzellentypen, Herstellung, einkristallines Silizium und Galliumarsenid, polykristalline Silizium- und Silizium-Dünnschichtzellen, Dünnschichtzellen auf Trägern (amorphes Silizium, CIS, elektrochemische Zellen)
14. Module
15. Schaltungen

Konzentrierende Solarkraftwerke:

1. Einführung
2. Punkt-fokussierte Technologien
3. Linien-fokussierte Technologien
4. Auslegung CSP-Projekte

• A. Götzberger, B. Voß, J. Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik, Teubner Studienskripten, Stuttgart, 1995
• A. Götzberger: Sonnenenergie: Photovoltaik : Physik und Technologie der Solarzelle, Teubner Stuttgart, 1994
• H.-J. Lewerenz, H. Jungblut: Photovoltaik, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 1995
• A. Götzberger: Photovoltaic solar energy generation, Springer, Berlin, 2005
• C. Hu, R. M. White: Solar CelIs, Mc Graw HilI, New York, 1983
• H.-G. Wagemann: Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung: Solarstrahlung, Halbleitereigenschaften und Solarzellenkonzepte, Teubner, Stuttgart, 1994
• R. J. van Overstraeten, R.P. Mertens: Physics, technology and use of photovoltaics, Adam Hilger Ltd, Bristol and Boston, 1986
• B. O. Seraphin: Solar energy conversion Topics of applied physics V 01 31, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 1995
• P. Würfel: Physics of Solar cells, Principles and new concepts, Wiley-VCH, Weinheim 2005
• U. Rindelhardt: Photovoltaische Stromversorgung, Teubner-Reihe Umwelt, Stuttgart 2001
• V. Quaschning: Regenerative Energiesysteme, Hanser, München, 2003
• G. Schmitz: Regenerative Energien, Ringvorlesung TU Hamburg-Harburg 1994/95, Institut für Energietechnik

• Strömungsmaschinen der Antriebstechnik
• Hauptgleichungen
• Einführung in die Theorie der Stufe
• Theorie der Schaufelprofile
• Grenzen
• Dichtelemente
• Dampfturbinen
• Gasturbinen

• Traupel: Thermische Turbomaschinen, Springer. Berlin, Heidelberg, New York
• Bräunling: Flugzeuggasturbinen, Springer., Berlin, Heidelberg, New York
• Seume: Stationäre Gasturbinen, Springer., Berlin, Heidelberg, New York
• Menny: Strömungsmaschinen, Teubner., Stuttgart

1. Überblick über Klimaanlagen 1.1 Einteilung von Klimaanlagen1.2 Lüftung1.3 Aufbau und Funktion von Klimaanlagen2. Thermodynamische Prozesse in Klimaanlagen2.1 Das h,x-Diagramm für feuchte Luft2.2 Mischkammer, Vorwärmer, Nachwärmer2.3 Luftkühler2.4 Luftbefeuchter2.5 Darstellung des konventionellen Klimaanlagenprozesses im h,x-Diagramm2.6 Sorptionsgestützte Klimatisierung3. Berechnung der Heiz- und Kühlleistung3.1 Heizlast und Heizleistung3.2 Kühllasten und Kühlleistung3.3 Berechnung der inneren Kühllast3.4 Berechnung der äußeren Kühllast4. Lufttechnische Anlagen4.1 Frischluftbedarf4.2 Raumluftströmung4.3 Kanalnetzberechnung4.4 Ventilatoren4.5 Filter5. Kälteanlagen5.1. Kaltdampfkompressionskälteanlagen5.2Absorptionskälteanlagen

• Schmitz, G.: Klimaanlagen, Skript zur Vorlesung
  
• VDI Wärmeatlas, 11. Auflage, Springer Verlag, Düsseldorf 2013
  
• Herwig, H.; Moschallski, A.: Wärmeübertragung, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2009
  
• Recknagel, H.;  Sprenger, E.; Schrammek, E.-R.: Taschenbuch für Heizung- und Klimatechnik 2013/2014, 76. Auflage, Deutscher Industrieverlag, 2013
  

Contents

- Common variables and terms for characterizing turbulence (energy spectra, energy cascade, etc.)

- An overview of Lagrange analysis methods and experiments in fluid mechanics

- Critical examination of the concept of turbulence and turbulent structures.

-Calculation of the transport of ideal fluid elements and associated analysis methods (absolute and relative diffusion, Lagrangian Coherent Structures, etc.)

- Implementation of a Runge-Kutta 4th-order in Matlab

- Introduction to particle integration using ODE solver from Matlab

- Problems from turbulence research

- Application analytical methods with Matlab.

Structure:

- 14 units a 2x45 min. 

- 10 units lecture

- 4 Units Matlab Exercise- Go through the exercises Matlab, Peer2Peer? Explain solutions to your colleague

Learning goals:

Students receive very specific, in-depth knowledge from modern turbulence research and transport analysis. → Knowledge

The students learn to classify the acquired knowledge, they study approaches to further develop the knowledge themselves and to relate different data sources to each other. → Knowledge, skills

The students are trained in the personal competence to independently delve into and research a scientific topic. → Independence

Matlab exercises in small groups during the lecture and guided Peer2Peer discussion rounds train communication skills in complex situations. The mixture of precise language and intuitive understanding is learnt. → Knowledge, social competence

Required knowledge:

Fluid mechanics 1 and 2 advantageous

Programming knowledge advantageous

Bakunin, Oleg G. (2008): Turbulence and Diffusion. Scaling Versus Equations. Berlin [u. a.]: Springer Verlag.

Bourgoin, Mickaël; Ouellette, Nicholas T.; Xu, Haitao; Berg, Jacob; Bodenschatz, Eberhard (2006): The role of pair dispersion in turbulent flow. In: Science (New York, N.Y.) 311 (5762), S. 835-838. DOI: 10.1126/science.1121726.

Davidson, P. A. (2015): Turbulence. An introduction for scientists and engineers. Second edition. Oxford: Oxford Univ. Press.

Graff, L. S.; Guttu, S.; LaCasce, J. H. (2015): Relative Dispersion in the Atmosphere from Reanalysis Winds. In: J. Atmos. Sci. 72 (7), S. 2769-2785. DOI: 10.1175/JAS-D-14-0225.1.

Grigoriev, Roman (2011): Transport and Mixing in Laminar Flows. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

Haller, George (2015): Lagrangian Coherent Structures. In: Annu. Rev. Fluid Mech. 47 (1), S. 137-162. DOI: 10.1146/annurev-fluid-010313-141322.

Kameke, A. von; Huhn, F.; Fernández-García, G.; Muñuzuri, A. P.; Pérez-Muñuzuri, V. (2010): Propagation of a chemical wave front in a quasi-two-dimensional superdiffusive flow. In: Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics 81 (6 Pt 2), S. 66211. DOI: 10.1103/PhysRevE.81.066211.

Kameke, A. von; Huhn, F.; Fernández-García, G.; Muñuzuri, A. P.; Pérez-Muñuzuri, V. (2011): Double cascade turbulence and Richardson dispersion in a horizontal fluid flow induced by Faraday waves. In: Physical review letters 107 (7), S. 74502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.074502.

Kameke, A.v.; Kastens, S.; Rüttinger, S.; Herres-Pawlis, S.; Schlüter, M. (2019): How coherent structures dominate the residence time in a bubble wake: An experimental example. In: Chemical Engineering Science 207, S. 317-326. DOI: 10.1016/j.ces.2019.06.033.

Klages, Rainer; Radons, Günter; Sokolov, Igor M. (2008): Anomalous Transport: Wiley.

LaCasce, J. H. (2008): Statistics from Lagrangian observations. In: Progress in Oceanography 77 (1), S. 1-29. DOI: 10.1016/j.pocean.2008.02.002.