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Die kombinierte, experimentelle Erfassung der Strukturen in einer Strömung und der dadurch verursachten Schallabstrahlung ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Als Messmethoden kamen einerseits die Particle Image Velocimetry (PIV), mit Hilfe derer Schwankungsgrößen im Strömungsfeld innerhalb einer Lichtschnittebene aufgezeichnet werden, und andererseits Mikrofone, die die Druckfluktuationen im akustischen Fernfeld erfassen, zum Einsatz. Durch die synchrone Erfassung lässt sich die Kreuzkorrelation zwischen diesen beiden Größen berechnen, welche dabei Einblicke in den Mechanismus der Schallentstehung und -ausbreitung sowie den Zusammenhang mit den auftretenden Strömungsstrukturen liefert. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Erweiterung des Erkenntnisraums dieses experimentellen Verfahrens hinsichtlich zweier Aspekte. Zum einen wird untersucht, inwieweit die Korrelationsergebnisse und davon abgeleitete Größen verwendet werden können, um Rückschlüsse auf die Region der Schallquellen zu schließen, das Ausbreitungsverhalten der Schallschnelle von der Quellregion bis ins Fernfeld nachzuverfolgen und die Verteilung der akustischen Intensität zu quantifizieren. Dafür wurden Experimente an umströmten Stäben in einem aeroakustischen Windkanal durchgeführt, wobei das Beobachtungsfenster der PIV-Messungen sequentiell vom Nahfeld der Stäbe bis ins akustische Fernfeld traversiert werden konnte. Um die erzielten Kreuzkorrelationsergebnisse abzugleichen und die skalierte Kreuzkorrelations-funktion als Ersatzgröße der Schallschnelle zu validieren, wurden analytische Modelle verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass in denjenigen Strömungsbereichen, in denen fluiddynamische Prozesse eine untergeordnete Rolle spielen, die skalierte Kreuzkorrelationsfunktion tatsächlich das Ausbreitungsverhalten der Schallschnelle widerspiegelt. In Bereichen mit starken turbulenten Teilchenbewegungen dominieren hingegen die fluiddynamischen Schwankungen um teils mehrere Größenordnungen, so dass eine klare Trennung der rein akustischen Prozesse nicht möglich ist. Jedoch konnte eine eindeutige Verknüpfung der kohärenten, periodisch ablösenden Strömungsstrukturen im Nachlauf der Stäbe mit der Schallemission und dem Transport bzw. der Konvektion der akustischen Informationen sowohl experimentell als auch im Vergleich mit den analytischen Modellen nachgewiesen werden. Mittels einer generalisierten Intensitätsanalyse auf Basis der skalierten Kreuzkorrelationsfunktion konnte darüber hinaus die Quellregion der akustischen Emissionen identifiziert werden. Zum anderen wird untersucht, welchen Einfluss der zusätzliche Freiheitsgrad der periodischen Bewegung eines oszillierenden Tragflügels in einer Strömung auf die Kreuzkorrelationsergebnisse hat. Mit diesem Experiment sollte geklärt werden, ob man mit der synchronen Messtechnik in der Lage ist, trotz sich permanent ändernden Strömungszuständen kohärente Strömungsstrukturen zu identifizieren, die mit der Schallentstehung und -ausbreitung zusammenhängen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass zu unterschiedliche Flügelstellungen bzw. Phasenwinkeln charakteristische Strömungsstrukturen auftreten, die verschiedenen Schallquellmechanismen zugeordnet werden können. Im Verlauf des Zyklusses des dynamischen Strömungsabrisses kommt es sowohl zu periodischen Wirbelablösungen an der Flügelhinterkante als auch zu großflächigen Ablösungen entlang der gesamten Profilsehne des Flügels, welche jeweils mit charakteristischen Eigengeräuschmechanismen im Zusammenhang stehen. Darüber hinaus konnten durch Variation der Konfigurationsparameter auffällige Veränderungen in der Geräuschemission identifizieren und quantifizieren werden., The subject of this thesis is the combined, experimental recording of the structures in a flow and the resulting sound radiation. The measurement methods used were Particle Image Velocimetry (PIV), which is used to record fluctuations in the flow field within a light section plane, and microphones, which record pressure fluctuations in the acoustic far field. The synchronous detection allows the calculation of the cross-correlation between these two quantities, which provides insights into the mechanism of sound generation and propagation as well as the connection with the flow structures that occur. The main focus of the present work lies in the expansion of the knowledge space of this experimental procedure with regard to two aspects. On the one hand, it is examined to what extent the correlation results and quantities derived from them can be used to draw conclusions about the region of the sound sources, to track the propagation behavior of the acoustic particle velocity from the source region to the far field and to quantify the distribution of the acoustic intensity. For this purpose, experiments were carried out on rods exposed to a flow in an aeroacoustic wind tunnel, whereby the observation window of the PIV measurements could be traversed sequentially from the near field of the rods to the acoustic far field. Analytical models were used to compare the obtained cross-correlation results and to validate the scaled cross-correlation function as a proxy variable for the acoustic particle velocity. It could be shown that in those flow areas in which fluid dynamic processes play a subordinate role, the scaled cross-correlation function actually reflects the propagation behavior of the acoustic particle velocity. In areas with strong turbulent particle movements, on the other hand, the fluid dynamic fluctuations dominate, sometimes by several orders of magnitude, so that a clear separation of the purely acoustic processes is not possible. However, a clear connection of the coherent, periodically detaching flow structures in the wake of the rods with the sound emission and the transport or the convection of the acoustic information could be proven both experimentally and in comparison with the analytical models. In addition, the source region of the acoustic emissions could be identified by means of a generalized intensity analysis based on the scaled cross-correlation function. On the other hand, the influence of the additional degree of freedom of the periodic movement of an oscillating airfoil in a flow on the cross-correlation results is investigated. This experiment was intended to clarify whether the synchronous measurement technology is capable of identifying coherent flow structures that are related to the generation and propagation of sound, despite constantly changing flow conditions. It could be shown that characteristic flow structures occur for different airfoil positions or phase angles, which can be assigned to different sound source mechanisms. In the course of the dynamic stall cycle, there are both periodic vortex shedding at the trailing edge of the airfoil and large-scale shedding along the entire chord of the airfoil, each of which is associated with characteristic self-noise mechanisms. Furthermore, conspicuous changes in the noise emission could be identified and quantified by varying the configuration parameters.

Einleitung Die Magnetpartikelbildgebung (Magnetic Particle Imaging, MPI) ist eine neuartige, strahlenfreie, dreidimensionale bildgebende Modalit��t wobei magnetische Nanopartikel (Tracer) in hoher Aufl��sung dargestellt werden k��nnen. Wir untersuchten hierbei das Potenzial der ersten kommerziell erh��ltlichen MPI-Scanner f��r weitere Experimente und m��gliche klinische Anwendungen zur Darstellung von Aortenaneurysmen. Methodik Mehrere in-vitro Experimente wurden mit zwei verschiedenen MPI Ger��ten (Scannern) durchgef��hrt. In einem Scanner wurde eine separate Empf��ngerspule eingebaut. Wir untersuchten die Bildgebung der Scanner. Gerade Silikonschl��uche mit Innendurchmessern von 1 oder 2 mm wurden als Modelle verwendet und mit Resovist�� (Ferucarbotran), magnetischen Nanopartikeln in unterschiedlichen Konzentrationen von 1, 5, 25, 250 und 500 mmol/l, gef��llt. Zur Darstellung von Aortenaneurysmen im Tiermodell wurden 3D-gedruckte Kaninchen- (ohne Aneurysma) und M��usemodelle (mit Aortenaneurysma) erstellt. Die M��usemodelle wurden in Originalskalierung und vergr����ert (Faktor x1,5 und x2) hergestellt und mit Resovist-Konzentrationen gef��llt. Ein erstes in-vivo Experiment mit diesem Scanner wurde an einer Maus durchgef��hrt, um die Verteilung des Tracers im zeitlichen Verlauf und die M��glichkeit der Darstellung der Aorta zu untersuchen. Rekonstruktionen wurden mit dem Kaczmarz-Algorithmus durchgef��hrt. Resultate In den geraden Silikonschl��uchen mit Innendurchmesser von 1 und 2 mm war die Morphologie ab einer Konzentration von 25 mmol/l deutlich erkenntlich. F��r den Scanner mit separater Empf��ngerspule waren Konzentrationen von 5 mmol/ml 13 teilweise erkenntlich. Zwei anliegende Schl��uche mit Innendurchmesser von 1 und 2 mm Wanddicke konnten bei 5 mmol/l unterschieden werden. Die Darstellung der Kaninchenaorta war m��glich, die Morphologie war ersichtlich. Die Darstellung der M��usaortenmodelle in Skalierungen x1, x1,5 und x2 war ab einer Konzentration von 25 mmol/l oder h��her deutlich ersichtlich. Das in-vivo Experiment erlaubte die problemlose zeitlich und r��umliche Darstellung der M��useaorta. Diskussion Unsere Ergebnisse zeigen die vergleichbare und ad��quate Leistung der untersuchten pr��klinischen MPI Ger��te und moderate Verbesserung der Bildgebung mit separater Empf��ngerspule. Sie zeigen die notwendigen Voraussetzungen f��r weitere in-vivo Experimente zur Erforschung von medizinischen Anwendungen wie der Darstellung von Aortenaneurysmen., Magnetic Particle Imaging (MPI) is a novel radiation-free, three-dimensional imaging modality that visualizes magnetic nanoparticles (tracers) with a high temporal resolution. We examined the suitability of the first commercially available MPI-scanners for experiments and clinical applications, particularly the imaging of aortic aneurysms. Methods A series of in-vitro experiments were performed with two preclinical MPI scanners. In one scanner, a prototype signal receiver coil was installed. We compare the imaging performance offered by the old and new hardware designs. Straight silicone tubes with internal diameters of either 1 mm or 2 mm were used as imaging phantoms. These were filled with Resovist�� (Ferucarbotran) nanoparticles at concentrations of 1, 5, 25, 50, 250 and 500 mmol/l. To demonstrate the capabilities of the studied MPI scanners for use in animal models, 3D-printed models of rabbit aortas without aneurysms and mice aortas with abdominal aneurysms were produced. Mice models were printed in their original size and scaled by factors of 1.5 and 2.0. A first in-vivo experiment with a mouse on this scanner was performed to evaluate the temporal distribution of the tracer and to assess its ability to visualize the aorta. Reconstructions were performed using the Kaczmarz algorithm. Results For the straight-tube models of both 1 and 2 mm internal diameter, morphology was clearly visible for reconstructed MPI images at concentrations of 25 mmol/l or higher. For the upgraded scanner, concentrations as low as 5 mmol/l were suitable for imaging, depending on model sizes. It was possible to distinguish twoadjacent tubes of 1 mm internal diameter and 1 or 2 mm wall-thickness each, at tracer concentrations of 5 mmol/l. Imaging the rabbit aortic model served as a proof of concept, morphology was easily visible. Imaging the aortic aneurysm models at magnifications of 1.0, 1.5 and 2.0, all scanners were able to visualize the vessel clearly at concentrations of 25 mmol/l and higher. The in-vivo experiment allowed the temporal and spatial visualization of the mice aorta without difficulty. Discussion These results show comparable and adequate performance of these available preclinical MPI scanners and moderately improved visualizations after modification with a separate receiver-coil. They also demonstrate the required capabilities of existing MPI systems for in-vivo experiments examining clinical problems such as visualizing aortic aneurysms.

In vielen vor allem gebirgigen Regionen der Erde stellen granulare Massenbewegungen (Massenströme), wie Felslawinen, Schuttströme und Muren, eine ständige Gefahr für Mensch und Infrastruktur dar. Eine gängige Praxis, um die Gefahr durch solche granularen Massenbewegungen zu minimieren, ist der Bau von Schutzbauwerken, wie etwa Schutzdämme. Für die Dimensionierung solcher Bauwerke ist es erforderlich die Einwirkung durch die Sturzmasse abzuschätzen. Zur genaueren Berechnung dieser Einwirkung, welche die Interaktion zwischen Rückhaltebauwerk und Sturzmasse miteinbezieht, existieren derzeit noch keine etablierten Verfahren. Berechnungsverfahren auf Basis der Diskreten-Element-Methode (DEM) (Cundall 1971), bei denen die Sturzmasse mithilfe von diskreten Partikeln modelliert wird, wie etwa der Particle Flow Code (PFC) der Itasca Consulting Group, stellen vielversprechende Ansätze dar.Diese Arbeit untersucht die Eignung des Particle Flow Codes (PFC) anhand einer Rückrechnung, die auf einem an der Universität Innsbruck durchgeführten Modellversuch basiert. (Berger & Wimmer 2020) Bei diesem Versuch wurde das Verhalten von fließfähigen gravitativen Massenbewegungen auf Bauwerke untersucht. Dabei wurde für mehrere Rutschenneigungen, die Einwirkung auf eine Barriere, für unterschiedliche Materialen (Stahlkugeln, Sand, Mixtur) gemessen.Dieser Versuch wurde mittels PFC3D nachgebildet. Das PFC-Modell wurde für eine Rutschenneigung von 30,2° kalibriert, und anschließend wurde diese Kalibrierung auf mehrere in dem Modellversuch untersuchten Neigungen angewendet. Durch einen Vergleich der dynamischen und statischen Einwirkung des numerischen und des physikalischen Modells wurde die Eignung der DEM (PFC) bewertet. Das generelle Prozessverhalten konnte gut abgebildet werden. Allerdings mussten bei der PFC Berechnung einige Modifikationen vorgenommen werden, um die gewünschten Resultate zu erzielen. Eine rein viskose (geschwindigkeitsproportionale) Kontaktdämpfung reichte nicht aus, um das beobachtete Prozessverhalten nachzubilden. Es musste zusätzlich eine lokale (beschleunigungsproportionale) Dämpfung angesetzt werden. Weiters waren für die Kalibrierung der Kontaktsteifigkeiten, für das verwendete Kontaktmodell mehrere Iterationen von Nöten, um das gewünschte Berechnungsziel zu erreichen.Bei der durchgeführten Untersuchung hat sich herausgestellt, dass es mit PFC möglich ist, die Interaktion eines Sturzprozesses mit einer Barriere zu simulieren und die daraus resultierenden Einwirkungen zu berechnen., In many regions of the world, especially in mountainous areas, granular mass movements (mass flows), such as rock avalanches, debris flows and mudflows, pose a constant threat to people and infrastructure. A common practice to minimize the danger from such granular mass movements is the construction of protective structures, such as protective dams. For the di-mensioning of such structures it is necessary to estimate the impact due to the mass of the fall. For a more precise calculation of this impact, which includes the interaction between the retaining structure and the fall mass, there are currently no established methods. Calculation methods based on the discrete element method (DEM) (Cundall 1971), in which the lintel mass is modeled using discrete particles, such as the Particle Flow Code (PFC) of the Itasca Con-sulting Group, represent promising approaches.This paper investigates the suitability of the Particle Flow Code (PFC) using a back-calculation based on a model experiment conducted at the University of Innsbruck. (Berger & Wimmer 2020) In this experiment, the behavior of flowable gravitational mass movements on structures was investigated. Thereby, the impact on a barrier was measured for several slide inclinations for different materials (steel balls, sand, mixture).This test was modeled using PFC3D. The PFC model was calibrated for a slide inclination of 30.2°, and then this calibration was applied to several inclinations investigated in the model test. By comparing the dynamic and static action of the numerical and physical models, the suitability of the DEM (PFC) was evaluated.The general process behavior could be reproduced well. However, some modifications had to be made in the PFC calculation to achieve the desired results. A purely viscous (velocity-pro-portional) contact damping was not sufficient to reproduce the observed process behavior. A local (acceleration-proportional) damping had to be applied additionally. Furthermore, several iterations were necessary to calibrate the contact stiffnesses for the contact model used to achieve the desired calculation goal.In the investigation carried out, it was found that with PFC it is possible to simulate the inter-action of a fall process with a barrier and to calculate the resulting impacts.

Zweck: Gliome zählen weltweit zu den dritthäufigsten Hirntumoren bei Erwachsenen und zu den zweithäufigsten Tumoren bei Kindern. Die niedergradigen malignen Gliome sind Tumore, die sich aus bösartigen veränderten Zellen des Zentralnervensystems (ZNS) bilden. Diese Arbeit analysiert die Protonentherapie für Gliome im Gehirn im Allgemeinen sowie die signifikanten Vorteile und Nachteile dieser Therapiemodalität im Speziellen. Die Eigenschaften und die Auswirkungen der Protonentherapie werden hierbei mit der Photonentherapie verglichen, um so die Unterschiede aufzuzeigen. Abschließend werden die durch die Partikeltherapie bzw. die Photonentherapie auftretenden späten Nebenwirkungen aufgelistet und miteinander verglichen Methoden: Eine systematische Literaturrecherche mit geeigneten Keywords wurde in den verschiedenen Datenbanken, wie Science Direct, Pubmed, Journal of Clinical Oncology oder International Journal of Radiation Oncology – Biology –Physics, durchgeführt. Es werden Studien, Zeitschriften und fachspezifische Literatur verwendet. Bei den Studien, die sich mit den späten Nebenwirkungen beschäftigen, wurde auf Aktualität geachtet (Publikation innerhalb der letzten fünf Jahre). Ergebnisse: Mit der Protonentherapie ist es möglich Zielgebiete in der Nähe von Risikoorganen präziser zu behandeln als mit der Photonentherapie. Das ist durch radiobiologische und physikalische Eigenschaften begründet, wie etwa einem Tiefendosisverlauf mit Bragg Peak. Dadurch ist es möglich, die Strahlenbelastung am gesunden Gewebe zu senken und Risikoorgane zu schonen. Die Protonentherapie führt zur geringen Belastung gesunder Körperzellen und daher zu einer geringeren Rate an Nebenwirkungen. Diskussion: Aufgrund der Einschränkungen der Protonentherapie, hinsichtlich technischem Aufwand und Kosten, ist sie nur für eine limitierte Anzahl an Patient*innen verfügbar. Die gefundene Literatur zum Vergleich der späten Nebenwirkungen kann nur eingeschränkt Aussagen treffen. Zum einen, weil nur sehr wenige Studien gefunden wurden, die einen direkten Vergleich beider Therapiemodalitäten zeigen und zum anderen wegen limitierter Patient*innenanzahl bzw. eher kurzen Follow-Up Zeiträumen der Studien. Purpose: Gliomas are among the third most common brain tumors in adults and the second most common tumors in children worldwide. Low-grade malignant gliomas are tumors that develop from malignant altered cells of the central nervous system (CNS). This thesis analyses proton therapy for gliomas in the brain in general and the significant advantages and disadvantages of this treatment modality in particular. It compares the properties and effects of proton therapy with photon therapy in order to show the differences. Furthermore, the late side effects of particle therapy and photon therapy are listed and compared Methods: A systematic literature review with adequate keywords was performed in different databases, such as Science Direct, Pubmed, Journal of Clinical Oncology or International Journal of Radiation Oncology - Biology -Physics. Studies, journals and subject-specific literature are included. In the studies dealing with late side effects, attention was paid to actuality (publication date within the last five years). Results: With proton therapy it is possible to treat target areas near organs at risk more precisely compared to photon therapy. This is due to radiobiological and physical properties, such as a dose curve including a Bragg Peak. Thus, it is possible to reduce the radiation exposure on healthy tissue and to spare risk organs. Proton therapy leads to a low exposure of healthy body tissue and consequently to a lower rate of side effects. Discussion: Due to the limitations of proton therapy in terms of technical effort and costs, it is only available for a limited number of patients. The findings on the comparison of late side effects combined dont allow for in-deep conclusions. Firstly, because very few studies have been found which show a direct comparison of both therapy modalities and secondly, because of the limited number of patients and the rather short follow-up periods of the studies.

Zentrifugal-Partikelreceiver stellen eine neuartige Komponente für die konzentrierende solare Energiegestehung (CSP) dar. Sie werden in punktfokussierenden CSP-Kraftwerken eingesetzt und gehören - im Gegensatz zu den bereits im Markt befindlichen indirekt absorbierenden Rohrreceivern - der Gruppe der direktabsorbierenden Receiver an. Als Wärmeträgermedium wird hierbei Granulat genutzt, wie beispielsweise Bauxit-Proppants. Bauxit als Wärmeträgermedium ermöglicht höhere Prozesswirkungsgrade aufgrund von höheren Anwendungstemperaturen als in aktuell kommerziell eingesetzten, indirekt absorbierenden Systemen. Gleichzeitig ist Bauxit-Granulat als Wärmespeichermedium einsetzbar, da es besonders kostengünstig ist. Das Potential des Zentrifugal-Partikelreceiver wurde bereits erfolgreich in einem 15kWth Laborreceiver am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. bewiesen. Darauf aufbauend verfolgt diese Arbeit das Ziel, die Strömungsmechanik von fließenden Granulaten zu modellieren.