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Application of the optical flow method to velocity determination in hydraulic structure models
(2016)
As with most high-velocity free-surface flows, stepped spillway flows become self-aerated when the drop height exceeds a critical value. Due to the step-induced macro-roughness, the flow field becomes more turbulent than on a similar smooth-invert chute. For this reason, cascades are oftentimes used as re-aeration structures in wastewater treatment. However, for stepped spillways as flood release structures downstream of deoxygenated reservoirs, gas transfer is also of crucial significance to meet ecological requirements. Prediction of mass transfer velocities becomes challenging, as the flow regime differs from typical previously studied flow conditions. In this paper, detailed air-water flow measurements are conducted on stepped spillway models with different geometry, with the aim to estimate the specific air-water interface. Re-aeration performances are determined by applying the absorption method. In contrast to earlier studies, the aerated water body is considered a continuous mixture up to a level where 75% air concentration is reached. Above this level, a homogenous surface wave field is considered, which is found to significantly affect the total air-water interface available for mass transfer. Geometrical characteristics of these surface waves are obtained from high-speed camera investigations. The results show that both the mean air concentration and the mean flow velocity have influence on the mass transfer. Finally, an empirical relationship for the mass transfer on stepped spillway models is proposed.
Optical flow estimation is known from Computer Vision where it is used to determine obstacle movements through a sequence of images following an assumption of brightness conservation. This paper presents the first study on application of the optical flow method to aerated stepped spillway flows. For this purpose, the flow is captured with a high-speed camera and illuminated with a synchronized LED light source. The flow velocities, obtained using a basic Horn–Schunck method for estimation of the optical flow coupled with an image pyramid multi-resolution approach for image filtering, compare well with data from intrusive conductivity probe measurements. Application of the Horn–Schunck method yields densely populated flow field data sets with velocity information for every pixel. It is found that the image pyramid approach has the most significant effect on the accuracy compared to other image processing techniques. However, the final results show some dependency on the pixel intensity distribution, with better accuracy found for grey values between 100 and 150.
Geologisch-geotechnischer Planungsprozess von Tunnelbauten mit Schwerpunkt tiefliegender Tunnel
(2014)
Deammonification for nitrogen removal in municipal wastewater in temperate and cold climate zones is currently limited to the side stream of municipal wastewater treatment plants (MWWTP). This study developed a conceptual model of a mainstream deammonification plant, designed for 30,000 P.E., considering possible solutions corresponding to the challenging mainstream conditions in Germany. In addition, the energy-saving potential, nitrogen elimination performance and construction-related costs of mainstream deammonification were compared to a conventional plant model, having a single-stage activated sludge process with upstream denitrification. The results revealed that an additional treatment step by combining chemical precipitation and ultra-fine screening is advantageous prior the mainstream deammonification. Hereby chemical oxygen demand (COD) can be reduced by 80% so that the COD:N ratio can be reduced from 12 to 2.5. Laboratory experiments testing mainstream conditions of temperature (8–20°C), pH (6–9) and COD:N ratio (1–6) showed an achievable volumetric nitrogen removal rate (VNRR) of at least 50 gN/(m3∙d) for various deammonifying sludges from side stream deammonification systems in the state of North Rhine-Westphalia, Germany, where m3 denotes reactor volume. Assuming a retained Norganic content of 0.0035 kgNorg./(P.E.∙d) from the daily loads of N at carbon removal stage and a VNRR of 50 gN/(m3∙d) under mainstream conditions, a resident-specific reactor volume of 0.115 m3/(P.E.) is required for mainstream deammonification. This is in the same order of magnitude as the conventional activated sludge process, i.e., 0.173 m3/(P.E.) for an MWWTP of size class of 4. The conventional plant model yielded a total specific electricity demand of 35 kWh/(P.E.∙a) for the operation of the whole MWWTP and an energy recovery potential of 15.8 kWh/(P.E.∙a) through anaerobic digestion. In contrast, the developed mainstream deammonification model plant would require only a 21.5 kWh/(P.E.∙a) energy demand and result in 24 kWh/(P.E.∙a) energy recovery potential, enabling the mainstream deammonification model plant to be self-sufficient. The retrofitting costs for the implementation of mainstream deammonification in existing conventional MWWTPs are nearly negligible as the existing units like activated sludge reactors, aerators and monitoring technology are reusable. However, the mainstream deammonification must meet the performance requirement of VNRR of about 50 gN/(m3∙d) in this case.
This study investigated the anaerobic digestion of an algal–bacterial biofilm grown in artificial wastewater in an Algal Turf Scrubber (ATS). The ATS system was located in a greenhouse (50°54′19ʺN, 6°24′55ʺE, Germany) and was exposed to seasonal conditions during the experiment period. The methane (CH4) potential of untreated algal–bacterial biofilm (UAB) and thermally pretreated biofilm (PAB) using different microbial inocula was determined by anaerobic batch fermentation. Methane productivity of UAB differed significantly between microbial inocula of digested wastepaper, a mixture of manure and maize silage, anaerobic sewage sludge, and percolated green waste. UAB using sewage sludge as inoculum showed the highest methane productivity. The share of methane in biogas was dependent on inoculum. Using PAB, a strong positive impact on methane productivity was identified for the digested wastepaper (116.4%) and a mixture of manure and maize silage (107.4%) inocula. By contrast, the methane yield was significantly reduced for the digested anaerobic sewage sludge (50.6%) and percolated green waste (43.5%) inocula. To further evaluate the potential of algal–bacterial biofilm for biogas production in wastewater treatment and biogas plants in a circular bioeconomy, scale-up calculations were conducted. It was found that a 0.116 km2 ATS would be required in an average municipal wastewater treatment plant which can be viewed as problematic in terms of space consumption. However, a substantial amount of energy surplus (4.7–12.5 MWh a−1) can be gained through the addition of algal–bacterial biomass to the anaerobic digester of a municipal wastewater treatment plant. Wastewater treatment and subsequent energy production through algae show dominancy over conventional technologies.
The present work aimed to study the mainstream feasibility of the deammonifying sludge of side stream of municipal wastewater treatment plant (MWWTP) in Kaster, Germany. For this purpose, the deammonifying sludge available at the side stream was investigated for nitrogen (N) removal with respect to the operational factors temperature (15–30°C), pH value (6.0–8.0) and chemical oxygen demand (COD)/N ratio (≤1.5–6.0). The highest and lowest N-removal rates of 0.13 and 0.045 kg/(m³ d) are achieved at 30 and 15°C, respectively. Different conditions of pH and COD/N ratios in the SBRs of Partial nitritation/anammox (PN/A) significantly influenced both the metabolic processes and associated N-removal rates. The scientific insights gained from the current work signifies the possibility of mainstream PN/A at WWTPs. The current study forms a solid basis of operational window for the upcoming semi-technical trails to be conducted prior to the full-scale mainstream PN/A at WWTP Kaster and WWTPs globally.
Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke mit Druckwirbelschicht- oder mit Druckvergasungsverfahren ermöglichen die Verstromung von Kohle mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen Emissionen. Eine Voraussetzung für den Betrieb dieser Anlagen ist die Entstaubung der Rauchgase bei hohen Temperaturen und Drücken. Abreinigungsfilter mit keramischen Elementen werden dazu eingesetzt. Eine Reduzierung gasförmiger Schadstoffe unter den gleichen Bedingungen könnte Rauchgaswäsche ersetzen. Ziel des Gesamtvorhabens ist es, die Integration von Heißgasfiltration und katalytischem Abbau der Schadstoffe Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in einen Verfahrensschritt zu untersuchen. Die Arbeitsschwerpunkte dieses Teilvorhabens betreffen:
die katalytische Wirkung eisenhaltiger Braunkohlenaschen,
die Wirksamkeit des Calciumaluminat als Katalysator des Abbaus unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Heißgasfilter,
numerische Simulation der kombinierten Abscheidung von Partikeln und gasförmigen Schadstoffen aus Rauchgasen
Non-intrusive measuring techniques have attained a lot of interest in relation to both hydraulic modeling and prototype applications. Complimenting acoustic techniques, significant progress has been made for the development of new optical methods. Computer vision techniques can help to extract new information, e. g. high-resolution velocity and depth data, from videos captured with relatively inexpensive, consumer-grade cameras. Depth cameras are sensors providing information on the distance between the camera and observed features. Currently, sensors with different working principles are available. Stereoscopic systems reference physical image features (passive system) from two perspectives; in order to enhance the number of features and improve the results, a sensor may also estimate the disparity from a detected light to its original projection (active stereo system). In the current study, the RGB-D camera Intel RealSense D435, working on such stereo vision principle, is used in different, typical hydraulic modeling applications. All tests have been conducted at the Utah Water Research Laboratory. This paper will demonstrate the performance and limitations of the RGB-D sensor, installed as a single camera and as camera arrays, applied to 1) detect the free surface for highly turbulent, aerated hydraulic jumps, for free-falling jets and for an energy dissipation basin downstream of a labyrinth weir and 2) to monitor local scours upstream and downstream of a Piano Key Weir. It is intended to share the authors’ experiences with respect to camera settings, calibration, lightning conditions and other requirements in order to promote this useful, easily accessible device. Results will be compared to data from classical instrumentation and the literature. It will be shown that even in difficult application, e. g. the detection of a highly turbulent, fluctuating free-surface, the RGB-D sensor may yield similar accuracy as classical, intrusive probes.
Im Rahmen von Forschungsvorhaben des BMBF und verschiedener Industriepartner betreibt der Lehrstuhl für Wärmeübertragung und Klimatechnik der RWTH Aachen Pilotanlagen und Prüfstände für Untersuchungen auf dem Gebiet der Heißgasfiltration mit keramischen Filterelementen. Als wesentlicher Garant für den Erfolg der Forschungsarbeit muß die auf das jeweilige Projekt genau abgestimmte Meß- und Regelungstechnik angesehen werden. Hierbei zählt neben der Auswahl geeigneter Hardwarekomponenten auch die Softwareentwicklung unter einer leistungsstarken und zuverlässigen Programmierumgebung. Anhand des Aufbaus dreier Versuchsanlagen im Technikumsmaßstab soll das Anforderungsprofil an die Meßtechnik bis hin zur Umsetzung innerhalb der Anlage skizziert werden. Der Heißgasfiltrationsprüfstand im Heizkraftwerk der RWTH Aachen dient der Beobachtung des Reinigungsverhaltens keramischer Filterelemente bei der Heißgasentstaubung im Temperaturbereich bis 850 Grad C. Wesentlich für die Meßwerterfassung ist hierbei die Kopplung eines Orion-Datenloggers der Firma Schlumberger mit LabView 4.0. Im Hochtemperaturofen des Lehrstuhls werden instationäre Druckmessungen an einer keramischen Filterkerze während eines Abreinigungsimpulses bei 950 Grad C mit hoher Samplingrate durchgeführt. Hierbei übernimmt eine durch LabView 4.0 angesteuerte E-Series Karte der Firma National Instruments die Signalaufnahme. Die katalytische Schadstoffreduktion und Entstaubung heißer Rauchgase bei 900 Grad C sind Ziele der Untersuchungen in einer erstellten Versuchsanlage mit einem Quarzglasreaktor. Die Signalerfassung und -konditionierung erfolgt über SCXI in Verbindung mit LabView 4.0, die Steuerung der Anlage übernehmen zwei Multifunktionskarten (National Instruments).
Mathematik für Bauingenieure / K. J. Dienst. Fachhochsch. Aachen, Fachbereich 2, Bauingenieurwesen
(1985)
Schnitt- und Zykelgeometrien
(1977)
Untersuchungen zur Tragfähigkeit und Steifigkeit eines neuartigen Wandelements in Holzbauweisen
(2018)
Ein neues tragendes, lagenweise aufgebautes Holzbau-Wandsystem und seine ökonomische und statische Entwicklung werden vorgestellt. Randbedingungen wie Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz und eine beanspruchungsadaptive Konstruktionsweise sind für diese innovative Bauteilentwicklung von zentraler Bedeutung. Eine wesentliche Herausforderung ist die Herstellung der Verbindung der Lagen untereinander zu einem bauphysikalisch und statisch leistungsfähigen Wandsystem. Die Tragfähigkeit und Steifigkeit verschiedener Verbindungsvarianten wurden ebenso wie die Eigenschaften der Wandelemente analytisch, numerisch und experimentell untersucht.
We present first results from a newly developed monitoring station for a closed loop geothermal heat pump test installation at our campus, consisting of helix coils and plate heat exchangers, as well as an ice-store system. There are more than 40 temperature sensors and several soil moisture content sensors distributed around the system, allowing a detailed monitoring under different operating conditions.In the view of the modern development of renewable energies along with the newly concepts known as Internet of Things and Industry 4.0 (high-tech strategy from the German government), we created a user-friendly web application, which will connect the things (sensors) with the open network (www). Besides other advantages, this allows a continuous remote monitoring of the data from the numerous sensors at an arbitrary sampling rate.Based on the recorded data, we will also present first results from numerical simulations, taking into account all relevant heat transport processes.The aim is to improve the understanding of these processes and their influence on the thermal behavior of shallow geothermal systems in the unsaturated zone. This will in turn facilitate the prediction of the performance of these systems and therefore yield an improvement in their dimensioning when designing a specific shallow geothermal installation.
Nutzung erneuerbarer Energien in Landesbauten : Dokumentation realisierter und geplanter Anlagen
(1997)
In der Praxis bestehen vielfältige Einsatzbereiche für Verkehrsnachfragemodelle. Mit ihnen können Kenngrößen des Verkehrsangebots und der Verkehrsnachfrage für den heutigen Zustand wie auch für zukünftige Zustände bereitgestellt werden, um so die Grundlagen für verkehrsplanerische Entscheidungen zu liefern. Die neuen „Empfehlungen zum Einsatz von Verkehrsnachfragemodellen für den Personenverkehr“ (EVNM-PV) (FGSV 2022) veranschaulichen anhand von typischen Planungsaufgaben, welche differenzierten Anforderungen daraus für die Modellkonzeption und -erstellung resultieren. Vor dem Hintergrund der konkreten Aufgabenstellung sowie deren spezifischer planerischer Anforderungen bildet die abzuleitende Modellspezifikation die verabredete Grundlage zwischen Auftraggeber und Modellersteller für die konkrete inhaltliche, fachliche Ausgestaltung des Verkehrsmodells.
Dipl.-Ing. Ralf Engels - DHI Wasser und Umwelt GmbH, Syke. 24 S. (S. 70-93) Beitrag zum 1. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <1,2007, Aachen> Einleitung [des Autors] Die hydrodynamische Kanalnetzmodellierung ist ein Standardwerkzeug für die Bemessung von Kanalnetzen. Neben der Berechnung der hydrologischen und hydraulischen Gegebenheiten in einem städtischen Einzugsgebiet gehören auch weiterführende Technologien mittlerweile zum Standard. So können alle steuerbaren Elemente eines Kanalnetzes dynamisch so optimiert werden, dass die Leistungsfähigkeit des Kanalnetzes zusätzlich gesteigert werden kann. Automatische Werkzeuge zur dynamischen hydraulischen Schmutzfrachtberechnung ermöglichen die Erweiterung der Steuerung – insbesondere von Entlastungsanlagen – im Hinblick auf die entlasteten Schmutzfrachten und geben darüber hinaus detaillierte Informationen für den Betrieb der Kläranlage. Weiterführende biologische Prozessmodellierungen ergänzen dieses Themenfeld. GIS Werkzeuge können bei der räumlich differenzierten Modellierung von Kanalnetzen wertvolle Dienste leisten. Die detaillierte Betrachtung einzelner Haltungsflächen in ihrem räumlichen Zusammenhang ist damit ebenso möglich wie eine komplette Verwaltung aller für die Kanalnetzmodellierung notwendigen Daten in einem übersichtlichen grafischen Menü. Die Grenzen der Kanalnetzmodellierung lagen in früheren Zeiten an dessen Rand. Detaillierte Informationen über die Wege des Wassers auf der Geländeoberfläche, an der Schnittstelle zu Vorflutern und in der Interaktion mit Grundwasser waren bisher nicht modelltechnisch bewertbar. Eine dynamische Kopplung verschiedener Modelle zur Darstellung aller relevanten hydraulischen Prozesse ermöglicht eine integrative Betrachtung aller möglichen Wege, die das Wasser in der Stadt nehmen kann (Mark & Djordjevic, 2006). Dieser Beitrag präsentiert den Stand der Technik für die integrierte Modellierung städtischer Überschwemmungen mit Hilfe der Modellkopplung von Oberflächenmodellen und Kanalnetzmodellen.
Mechanisches Verhalten eines Sedimentgesteins mit tongefüllten Schichtfugen und offenen Klüften
(1988)
Geotechnik
(2004)
Geotechnik
(2007)
Geotechnik
(2012)
In der nationalen und der europäischen Normung werden die geotechnischen Aufgaben zwecks Mindestanforderungen an Baugrunduntersuchung, rechnerische Nachweise und Überwachung der Ausführung in drei Klassen (Kategorien) eingeteilt. Sie richten sich nach der zu erwartenden Reaktion des Baugrundes, nach dem geotechnischen Schwierigkeitsgrad des Tragwerks und seiner Einflüsse auf dieUmgebung.
Geotechnik
(2007)
Geotechnik
(2012)
Geotechnik
(2009)
Geotechnik
(2005)
Geotechnik
(2015)
ETHICS is concerned with evaluating, measuring and making improvements in the thermal and energy performance of steel-clad and steel-framed buildings. It addresses basic building physics performance at a laboratory and full-scale level, and the preparation of design guidance for commercial, industrial and residential buildings. It includes the development of design tools to assist users in assessing whole-building performance, and calibrates these tools against whole-building measurements, which will be obtained from this research. Opportunities for renewable energy and other energy-saving features will be assessed. This project focuses on objectives that are of particular interest for the design of new steel constructions regarding energy efficiency. ETHICS investigates the as-built performance by on-site tests regarding air tightness and heat transfer properties of the building envelope and by monitoring the energy consumption and thermal comfort of selected up-to-date steel buildings. As energy efficiency is a key requirement for design and construction of buildings in the future, this project provides well-founded scientific data, which prove the high energy performance of current steel constructions and work out details for further improvements to maintain and extend the position of steel products in the construction sector.
This paper proposes an approach to the choice and evaluation of engineering models with the aid of a typical application in geotechnics. An important issue in the construction of shallow tunnels, especially in weak ground conditions, is the tunnel face stability. Various theoretical and numerical models for predicting the necessary support pressure have been put forth in the literature. In this paper, we combine laboratory experiments performed at the University of Innsbruck with current methods of uncertainty and sensitivity analysis for assessing adequacy, predictive power and robustness of the models. The major issues are the handling of the twofold uncertainty of test results and of model predictions as well as the decision about what are the influential input parameters.
Die Arbeitsvorbereitung, als ein wesentliches Aufgabengebiet des Baubetriebswesens, ist von enormer Bedeutung für den Erfolg eines Bauprojektes. Die Arbeitsvorbereitung lässt sich zeitlich sowohl in der Angebotsphase (kalkulationsbegleitende Arbeitsvorbereitung), in der Vorbereitungsphase der Baustelle (von Auftragsvergabe bis Baubeginn) als auch baubegleitend einordnen.
Dr.-Ing. Lothar Fuchs vom itwh Hannover mit 13 Seiten (S. 57-69) Beitrag zum 1. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <1, 2007, Aachen> Zusammenfassung [des Autors] Die wesentlichen technischen Probleme der Kanalnetzbewirtschaftung sind gelöst. Der Markt bietet bewährte Messgeräte, Steuerungseinrichtungen, Datenübertragungs-, Regler- und Rechnersysteme, die sich für den Einsatz in der Stadtentwässerung eignen. Mit den heute existierenden Simulationsmodellen können die Auswirkungen von Bewirtschaftungssystemen abgeschätzt werden, bevor diese implementiert werden. Die für Bewirtschaftungssysteme notwendige Ausrüstung ist eine andere, als die traditionell in der Stadtentwässerung übliche. Sie erfordert in jedem Fall mehr und teureren Wartungsaufwand sowie anders ausgebildetes Personal. Bei einem Kostenvergleich mit konventionellen (d.h. ungesteuerten) Systemen muß die umfassende Information und Kontrolle des bewirtschafteten Systems berücksichtigt werden. Die permanente Information über den Betriebszustand sowie die in allen existierenden Bewirtschaftungssystemen erreichten Verminderungen von Regenentlastungen und (in geringerem Maße) hydraulischen Überlastungen lassen es geraten erscheinen, Kanalnetzbewirtschaftung nicht nur unter dem Gesichtspunkt der höheren Betriebskosten, sondern auch denen der möglich Einsparungen von Investitionen und der höheren Effizienz zu beurteilen. Analog lässt sich zeigen, dass bewirtschaftete Systeme kleiner ausgelegt werden können und dennoch die gleiche Effizienz besitzen wie größer dimensionierte, statisch wirkende Systeme.
Anwendung von GFK in Japan.
(2005)