Dissertations / Theses on the topic 'Physikalisches Verfahren'

In allogeneic bone transplantation, the transmission of viral and non-viral infectious pathogens is the most severe undesirable concomitant phenomenon. The investigations published were examined regarding the inactivating capacity of inactivation procedures that are presently performed in bone banks (peracetic acid/ethanol, gamma irradiation, moist heat) against clinically relevant pathogens (aiming at a virus titer reduction of at least 4 log10 TCID50/ml or titer reduction of non-viral micro-organisms of at least 5 log10 cfu/ml). In the suspension experiments, treatment with peracetic acid/ethanol (peracetic acid 2%, ethanol 96%, aqua ad iniectabilia 2:1:1, 4 hours, 200 mbar, agitation) achieved a titer reduction of > 4 log10 already after 5 minutes for a number of viruses (PSR, PV, BVDV). HIV-2 was also inactivated within 5 minutes below the level of detection ( 4 log10 TCID50/ml was only reached after 4 hours. The results mentioned could be confirmed in the carrier test (contaminated spongiosa cuboids used as ‘worst case’ scenario). In the suspension experiment as well as in the carrier test, the HAV titer was reduced after 4 hours by only 3.7 log10 and 2.87 log10, respectively. The preceding step of defatting the spongiosa tissue by chloroform/ethanol was validated using cell-associated HAV and showed an HAV titer reduction of 7 log10. In the investigations regarding non-viral pathogens, all test organisms were completely inactivated by more than 5 log 10 steps (cfu/ml). Gamma irradiation was the second procedure examined. D10 values (irradiation dose required to reduce 90% of the pathogen titers by one log10 step) that were determined in inactivation kinetics experiments (irradiation conditions: –30°C, 60Co source) corresponded to data published so far. In order to provide for maximal safety, an irradiation dose of 34 kGy was recommended for allogeneic bone transplants using BPV and a diaphysis model from human femurs. The ‘Marburg bone bank system’ was the third procedure examined (thermal disinfection, guaranteed temperature of at least 82.5°C for a minimum of 15 min) using centrally contaminated human femoral heads. All viruses were completely inactivated and their titer reduced by more than 4 log10 steps. Vegetative bacteria and fungi were also completely inactivated (>= 6 log10 in the supernatant). As expected, spores and spore-forming pathogens were not sufficiently inactivated and not inactivated, respectively (titer reduction of less than 2 log10 cfu/ml). However, the latter group can be disregarded, since femoral heads are procured in the operation room under sterile conditions and the following production process rules out a secondary contamination with spores. It could be shown in the investigations presented that all three procedures examined guarantee an inactivation of the viruses investigated according to the recommendations by the senior federal authorities. The three treatment procedures offer additional biosafety by a comprehensive inactivation of non-viral pathogens.

In dieser Arbeit wird anfangs dargestellt, wie kostenintensiv und problematisch die Kanalreinigung ausfällt. Durch die demographisch bedingt rückläufigen Schmutzwassermengen und gleichzeitig prognostizierten langen Trockenperioden in den Sommermonaten muss allerdings mit einer verstärkten Akkumulation von Ablagerungen in den Kanalsystemen gerechnet werden. Zudem erweist es sich in Voraussicht auf den Klimawandel als notwendig, den gesamten Kanalquerschnitt für Starkregenereignisse von Ablagerungen freizuhalten; ansonsten ist die häufigere Entlastung des Abwassernetzes in den Vorfluter nach Füllung der vorhandenen Regenrückhaltebecken vorprogrammiert. Die Kanalreinigung wird somit in den nächsten Jahren an Bedeutung gewinnen. Vor allem bei der Reinigung von Großprofilen ist jedoch der Stand der Technik noch nicht ausgereift und die jetzigen Reinigungsmethoden erweisen sich wegen des niedrigen Reinigungserfolges sowie der starken Umweltbelastung durch die genutzten Geräte als ungeeignet. Durch die in dieser Arbeit vorgestellte und auf den Stand der Technik gebrachte Reinigungsmethode wird jedoch eine leistungsstarke Alternative geboten. In Zukunft wird es möglich sein, große Kanaldurchmesser fast vollkommen umweltneutral zu reinigen und nur mit Hilfe der Wasserkraft das gesammelte Sediment bis zum nachgeschalteten Sandfang zu mobilisieren. Mit den durchgeführten und hier dargestellten numerischen Versuchen wird in erster Linie eine geometrische Optimierung zur Erreichung der größten Mobilisierungskräfte im Hinblick auf einen ausgewählten Abschnitt der Dresdner Kanalisation vollzogen. In der nachfolgenden physikalischen Modellierung wird der Schwerpunkt auf die optimale Reinigungsgeschwindigkeit gelegt, um ein möglichst großes Volumen an Ablagerungen zu bewegen. Es muss allerdings präzisiert werden, dass während der Modellierung kein Grenzzustand erreicht werden konnte. Dieser wird schließlich durch die folgende analytische Beschreibung des Transportvorganges theoretisch bestimmt. Für das genutzte physikalische Modell wird analytisch ein Grenztransportkörper aus Modellsediment errechnet. Bei einer Übertragung auf den dazugehörigen vorhandenen Abschnitt im Dresdner Kanalnetz durch Ansetzen des Ähnlichkeitsgesetzes wird ein mobilisierbares Grenzvolumen überschlagen. Die hier dargestellten Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen bzw. der physikalischen Modellierung wurden mit den Betreibern und den Herstellern des neuen Stauwagens diskutiert und hinsichtlich konstruktiver Schwerpunkte optimiert. Unter besonderer Berücksichtigung der Kostenoptimierung und der konstruktiven Realisierung wurde von der Firma "WKS Technik GmbH" ein Forschungsmuster zur Untersuchung in einer Pilottestphase entwickelt und gebaut. In der nachfolgenden dargestellten Testphase wurde das Ergebnis als Pilotprojekt im Dresdner Kanalnetz in mehreren Testläufen erprobt und untersucht. Nach jedem Testlauf wurden die aufgetretenen Probleme analysiert und durch Umbauten oder Veränderungen behoben. Regelmäßige Reinigungsfahrten sollten wegen der geringeren Ablagerungsmengen ein gleichmäßiges Fahren gewährleisten bzw. die Ablagerungen vollständig mobilisieren und bis zum Sandfang transportieren, um sie dort zu entnehmen. Während der Testphase wurde eine viel höhere Sedimentmenge gesammelt und transportiert als die, welche sich aus der analytischen Berechnung ergab. Dies folgte aus dem beim Naturversuch zugelassenen höheren Aufstauniveau hinter dem Spülwagen, welches ausnahmsweise zugelassen wurde, um auf eine zwischenzeitliche Sedimentabsaugung zu verzichten
The early pages of this research thesis demonstrate how costly and problematic sewer cleaning is. Due to changing demographics causing declining amounts of wastewater and, at the same time, to predicted long dry spells during the summer months, an increased accumulation of sediments in the sewer systems has to be expected. With respect to climate change it is necessary to keep the entire sewer cross section free of sediments in order to manage heavy rainfall events; otherwise a more frequent relief of the wastewater system into the receiving water is inevitable once the rain retention basins have been filled. Thus sewer cleaning will gain in importance within the next few years. Predominantly the cleaning of large-diameter profiles, however, has not reached a state-of-the-art technology, and the current cleaning methods prove themselves to be inapt due to their very limited success as well as to the environmental burden posed by the equipment they employ. The state-of-the-art cleaning method presented in this research paper constitutes a high-powered alternative. In the future, it will be possible to clean large sewer cross sections almost entirely in an environmentally neutral fashion and to mobilize the accumulated sediment all the way to the downstream sand trap by exclusively harnessing water power. The numerical experiments conducted for this paper primarily effected a geometric optimization to achieve the maximal mobilization forces in a selected section of Dresden's sewer system. In the subsequent physical modeling the emphasis is placed on the optimal cleaning speed in order to move a maximum volume of sediments. It has to be clarified, however, that no limit state could be reached during the modeling procedure. This limit state is determined theoretically only through the following analytical description of the transport process. For the physical model at hand, the maximum transportable sediment volume made of model sediment is calculated analytically. In an extrapolation for the associated existent section in the Dresden sewer system, a mobilizable limit volume is estimated applying the law of similarity. The results of the theoretical analysis and the physical modeling presented in this work were discussed with the operators and manufacturers of the new storage vehicle and were optimized with regard to constructional core aspects. In special consideration of the cost optimization and the constructional realization, the "WKS Technik GmbH" company developed and constructed a research prototype for a survey in a pilot test phase. During the subsequent test phase, the result was tried out and examined as a pilot project in several trial runs in Dresden's sewer system. After each trial run, the problems which had occurred were analyzed and then eliminated through constructional modifications or other alterations. Regular cleaning runs were intended to guarantee a steady movement of the cleaning vehicle due to a reduced amount of sediments, or to completely mobilize the sediments and transport them to the sand trap in order to remove them there. The sediment volume actually gathered and transported during the test phase was significantly larger than the one derived from the analytical calculation. This increase results from greater storage depths behind the flush car, which were permitted as an exception for the field test in order to go without any interim sediment extractions
La prima parte della presente tesi di dottorato mette in evidenza le problematicità legate alla pulizia dei canali delle acque reflue, sottolineando in particolare gli enormi costi generati dall 'alta frequenza di depositi e dalla grandezza delle reti di raccolta presenti sui territori. A causa della riduzione demografica e delle condizioni meteorologiche che si stanno alterando, per il prossimo futuro si prevedono lunghi periodi di siccità, interrotti da acquazzoni intensi e brevi. Questo porterà ad un accumulo di depositi nelle reti di raccolta delle acque miste soprattutto nei mesi estivi, che implicherà a sua volta la necessità di tenere le sezioni dei canali presenti libere da depositi per consentire un appropriato deflusso e ritenzione in presenza delle suddette intense precipitazioni. Se in questi casi la ritenzione della rete fognaria non sarebbe data, infatti, si andrebbe a scaricare acque sporche sempre in maggiore quantità e con maggiore frequenza nei corsi d 'acqua di superficie, inquinando in secondo luogo anche le falde acquifere. Da questo quadro, si evince come la pulizia delle canalizzazioni acquisterà in futuro sempre una maggiore importanza. Attualmente, per la pulizia di canali di grandi dimensioni (maggiori di 1000 mm) non esistono metodi efficaci ed ecologici per movimentare i depositi presenti. Il presente lavoro espone una soluzione competitiva ai suddetti problemi. Grazie al lavoro di ricerca e sviluppo svolto, infatti, è stato elaborato un metodo con cui sarà possibile in futuro pulire canali di grosse dimensioni pressoché senza l\'impiego di energia esterna, ma solamente grazie all 'utilizzo dell 'energia dell 'acqua reflua presente nei canali, mobilizzando i depositi fino al prossimo punto presente dove sarà possibile estrarre dalla rete fognaria il materiale raccolto. L 'analisi numerica eseguita e qui rappresentata porta innanzitutto ad un 'ottimizzazione geometrica ed idraulica che consente il raggiungimento delle maggiori forze di mobilizzazione possibili per un segmento scelto della rete fognaria della città di Dresda (Sassonia). Nelle prove in laboratorio correlate si è cercato di ottimizzare la velocità con la quale deve avvenire la pulizia del fondo del canale in modo da poter trasportare il più elevato volume di sedimenti possibile. Si precisa a questo riguardo che in laboratorio non è stato possibile raggiungere il limite volumetrico correlato al modello fisico utilizzato, perché i soli 24 m di lunghezza del banco di prova non hanno consentito il raggiungimento di tale stato limite. Questo limite è stato determinato successivamente attraverso un modello analitico sviluppato appositamente, il quale descrive la mobilizzazione dei sedimenti attraverso la tecnologia di pulizia utilizzata. Attraverso i fattori di conversione che regolano le leggi fisiche presenti tra modello di laboratorio e natura è stato possibile in seguito rapportare il limite volumetrico al segmento reale utilizzato per le prove numeriche. Usando i risultati ottenuti sia dalle analisi numeriche che dalle prove di laboratorio è stato sviluppato e poi realizzato un prototipo assieme al partner commerciale "WKS Technik GmbH", prestando particolare attenzione all 'ottimizzazione costruttiva e dei costi di produzione. Questo prototipo è stato testato per diverse volte in un tratto di circa quattro chilometri della canalizzazione di Dresda. Dopo ogni corsa sono stati analizzati i punti deboli del metodo di pulizia nonché del prototipo stesso e si è provveduto ad eliminarli. Gli ultimi test hanno confermato il funzionamento di tale prototipo offrendo inoltre una buona validazione del modello analitico sviluppato in precedenza

Gasphasenabscheidungen werden zur Produktion dünner Schichten in der Mikro- und Nanoelektronik benutzt, um eine präzise Kontrolle der Schichtdicke im Sub-Nanometer-Bereich zu erreichen. Elektronische Eigenschaften der Schichten werden dabei von strukturellen Eigenschaften determiniert, deren Bestimmung mit hohem experimentellem Aufwand verbunden ist. Die vorliegende Arbeit erweitert ein hochparalleles Modell zur atomistischen Simulation des Wachstums und der Struktur von Dünnschichten, welches Molekulardynamik (MD) und Kinetic Monte Carlo-Methoden (KMC) kombiniert, um die Beschreibung beliebiger Gasphasenabscheidungen. KMC-Methoden erlauben dabei die effiziente Betrachtung der Größenordnung ganzer Nano-Bauelemente, während MD für atomistische Genauigkeit sorgt. Erste Ergebnisse zeigen, dass das Parsivald genannte Modell Abscheidungen in Simulationsräumen mit einer Breite von 0.1 µm x 0.1 µm effizient berechnet, aber auch bis zu 1 µm x 1 µm große Räume mit 1 Milliarden Atomen beschreiben kann. Somit lassen sich innerhalb weniger Tage Schichtabscheidungen mit einer Dicke von 100 Å simulieren. Die kristallinen und amorphen Schichten zeigen glatte Oberflächen, wobei auch mehrlagige Systeme auf die jeweilige Lagenrauheit untersucht werden. Die Struktur der Schicht wird hauptsächlich durch die verwendeten molekulardynamischen Kraftfelder bestimmt, wie Untersuchungen der physikalischen Gasphasenabscheidung von Gold, Kupfer, Silizium und einem Kupfer-Nickel-Multilagensystem zeigen. Stark strukturierte Substrate führen hingegen zu Artefakten in Form von Nanoporen und Hohlräumen aufgrund der verwendeten KMC-Methode. Zur Simulation von chemischen Gasphasenabscheidungen werden die Precursor-Reaktionen von Silan mit Sauerstoff sowie die Hydroxylierung von alpha-Al2O3 mit Wasser mit reaktiven Kraftfeldern (ReaxFF) berechnet, allerdings ist weitere Arbeit notwendig, um komplette Abscheidungen auf diese Weise zu simulieren. Mit Parsivald wird somit die Erweiterung einer Software präsentiert, die Gasphasenabscheidungen auf großen Substraten effizient simulieren kann, dabei aber auf passende molekulardynamische Kraftfelder angewiesen ist.

Gasphasenabscheidungen werden zur Produktion dünner Schichten in der Mikro- und Nanoelektronik benutzt, um eine präzise Kontrolle der Schichtdicke im Sub-Nanometer-Bereich zu erreichen. Elektronische Eigenschaften der Schichten werden dabei von strukturellen Eigenschaften determiniert, deren Bestimmung mit hohem experimentellem Aufwand verbunden ist. Die vorliegende Arbeit erweitert ein hochparalleles Modell zur atomistischen Simulation des Wachstums und der Struktur von Dünnschichten, welches Molekulardynamik (MD) und Kinetic Monte Carlo-Methoden (KMC) kombiniert, um die Beschreibung beliebiger Gasphasenabscheidungen. KMC-Methoden erlauben dabei die effiziente Betrachtung der Größenordnung ganzer Nano-Bauelemente, während MD für atomistische Genauigkeit sorgt. Erste Ergebnisse zeigen, dass das Parsivald genannte Modell Abscheidungen in Simulationsräumen mit einer Breite von 0.1 µm x 0.1 µm effizient berechnet, aber auch bis zu 1 µm x 1 µm große Räume mit 1 Milliarden Atomen beschreiben kann. Somit lassen sich innerhalb weniger Tage Schichtabscheidungen mit einer Dicke von 100 Å simulieren. Die kristallinen und amorphen Schichten zeigen glatte Oberflächen, wobei auch mehrlagige Systeme auf die jeweilige Lagenrauheit untersucht werden. Die Struktur der Schicht wird hauptsächlich durch die verwendeten molekulardynamischen Kraftfelder bestimmt, wie Untersuchungen der physikalischen Gasphasenabscheidung von Gold, Kupfer, Silizium und einem Kupfer-Nickel-Multilagensystem zeigen. Stark strukturierte Substrate führen hingegen zu Artefakten in Form von Nanoporen und Hohlräumen aufgrund der verwendeten KMC-Methode. Zur Simulation von chemischen Gasphasenabscheidungen werden die Precursor-Reaktionen von Silan mit Sauerstoff sowie die Hydroxylierung von alpha-Al2O3 mit Wasser mit reaktiven Kraftfeldern (ReaxFF) berechnet, allerdings ist weitere Arbeit notwendig, um komplette Abscheidungen auf diese Weise zu simulieren. Mit Parsivald wird somit die Erweiterung einer Software präsentiert, die Gasphasenabscheidungen auf großen Substraten effizient simulieren kann, dabei aber auf passende molekulardynamische Kraftfelder angewiesen ist.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Gasphasenabscheidungen 2.1.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 2.1.2 Chemische Gasphasenabscheidung 2.1.3 Atomlagenabscheidung 2.1.4 Methoden zur Simulation von Gasphasenabscheidungen 2.2 Molekulardynamik 2.2.1 Formulierung der Molekulardynamik 2.2.2 Auswahl verfügbarer Molekulardynamik-Software 2.2.3 Molekulardynamische Kraftfelder 2.3 Kinetic Monte Carlo-Methoden 2.4 Datenstrukturen 2.4.1 Numerische Voraussetzungen an Gasphasenabscheidungen 2.4.2 Vergleich der Laufzeiten für verschiedene Datenstrukturen 2.4.3 Effiziente Datenstrukturen 2.4.4 Alpha-Form 3 Methoden und Modelle 3.1 Stand der Forschung 3.1.1 Anwendungen von KMC-Simulationen für die Gasphasenabscheidung 3.1.2 Anwendung von MD-Simulationen für die Gasphasenabscheidung 3.2 Parsivald-Modell 3.2.1 Zielsetzung für Parsivald 3.2.2 Beschreibung des Parsivald-Modells 3.2.3 Annahmen und Einschränkungen 3.2.4 Erweiterungen im Rahmen der Masterarbeit 3.2.5 Behandlung von fehlerhaften Ereignissen 3.3 Laufzeitanalyse von Parsivald-Simulationen 3.3.1 Ereignis-Laufzeit TE 3.3.2 Ereignis-Durchsatz RE 3.3.3 MD-Laufzeit TMD 3.3.4 Worker-Laufzeit Tworker 3.3.5 Serielle Laufzeit T1 3.3.6 Anzahl der parallelen Prozesse p 3.3.7 Workerdichte rhoworker 3.3.8 Parallele Laufzeit Tp 3.3.9 Speedup Sp 3.3.10 Parallele Effizienz Ep 3.3.11 Auswertung der Laufzeitparameter 3.3.12 Fazit 3.4 MD-Simulationen: Methoden und Auswertungen 3.4.1 Zeitskalen in MD-Simulationen 3.4.2 Relaxierungen 3.4.3 Strukturanalysen 3.4.4 Bestimmung der Dichte und Temperatur 3.4.5 Radiale Verteilungsfunktionen, Bindungslänge und Koordinationszahl 3.4.6 Oberfläche, Schichtdicke, Rauheit und Porösität 3.4.7 Reaktionen und Stabilität von Molekülen 4 Simulationen von Gasphasenabscheidungen 4.1 Gold-PVD 4.1.1 Voruntersuchungen 4.1.2 Thermodynamische Eigenschaften 4.1.3 Simulation von Gold-PVD 4.1.4 Skalierbarkeit mit der Simulationsgröße 4.1.5 Fazit 4.2 Kupfer-PVD 4.2.1 Voruntersuchungen 4.2.2 Thermodynamische Eigenschaften 4.2.3 Simulation von Kupfer-PVD 4.2.4 Untersuchung der maximalen Workerdichte 4.2.5 Fazit 4.3 Multilagen-PVD 4.3.1 Multilagen-Simulationen mit Parsivald 4.3.2 Vergleich mit Ergebnissen reiner MD-Simulationen 4.3.3 Vergleich der Parallelisierbarkeit 4.3.4 Fazit 4.4 Silizium-PVD 4.4.1 Voruntersuchungen 4.4.2 Simulationen von Silizium-PVD 4.4.3 Fazit 4.5 Aluminiumoxid-ALD 4.5.1 ReaxFF-Parametersätze 4.5.2 Voruntersuchungen 4.5.3 Fazit 5 Zusammenfassung und Ausblick 5.1 Zusammenfassung 5.2 Ausblick A Physikalische Konstanten und Stoffeigenschaften B Datenstrukturen B.1 Übersicht über KMC-Operationen B.2 Beschreibung grundlegender Datenstrukturen B.3 Delaunay-Triangulationen B.3.1 Ausgewählte Eigenschaften einer Delaunay-Triangulation B.3.2 Algorithmen zur Konstruktion einer Delaunay-Triangulation C Ergänzungen zur Laufzeitanalyse von Parsivald C.1 Einfluss der Ereignis-Laufzeit auf die effiziente Raumgröße weff C.2 Zusätzliche Einflüsse auf das Maximum der Prozesse pmax C.3 Abschätzung der maximalen Workerdichte per Random Sequential Adsorption D Ergänzungen zur Simulation von Gold-PVD E Multilagen-PVD E.1 Porenbildung bei Unterrelaxation E.2 Simulationen mit Lagendicken von jeweils 5 nm F Simulation der CVD-Precursormoleküle Silan und Sauerstoff F.1 Stabilität der Precursormoleküle F.2 Reaktion der Precursormoleküle Literaturverzeichnis

In dieser Arbeit wird anfangs dargestellt, wie kostenintensiv und problematisch die Kanalreinigung ausfällt. Durch die demographisch bedingt rückläufigen Schmutzwassermengen und gleichzeitig prognostizierten langen Trockenperioden in den Sommermonaten muss allerdings mit einer verstärkten Akkumulation von Ablagerungen in den Kanalsystemen gerechnet werden. Zudem erweist es sich in Voraussicht auf den Klimawandel als notwendig, den gesamten Kanalquerschnitt für Starkregenereignisse von Ablagerungen freizuhalten; ansonsten ist die häufigere Entlastung des Abwassernetzes in den Vorfluter nach Füllung der vorhandenen Regenrückhaltebecken vorprogrammiert. Die Kanalreinigung wird somit in den nächsten Jahren an Bedeutung gewinnen. Vor allem bei der Reinigung von Großprofilen ist jedoch der Stand der Technik noch nicht ausgereift und die jetzigen Reinigungsmethoden erweisen sich wegen des niedrigen Reinigungserfolges sowie der starken Umweltbelastung durch die genutzten Geräte als ungeeignet. Durch die in dieser Arbeit vorgestellte und auf den Stand der Technik gebrachte Reinigungsmethode wird jedoch eine leistungsstarke Alternative geboten. In Zukunft wird es möglich sein, große Kanaldurchmesser fast vollkommen umweltneutral zu reinigen und nur mit Hilfe der Wasserkraft das gesammelte Sediment bis zum nachgeschalteten Sandfang zu mobilisieren. Mit den durchgeführten und hier dargestellten numerischen Versuchen wird in erster Linie eine geometrische Optimierung zur Erreichung der größten Mobilisierungskräfte im Hinblick auf einen ausgewählten Abschnitt der Dresdner Kanalisation vollzogen. In der nachfolgenden physikalischen Modellierung wird der Schwerpunkt auf die optimale Reinigungsgeschwindigkeit gelegt, um ein möglichst großes Volumen an Ablagerungen zu bewegen. Es muss allerdings präzisiert werden, dass während der Modellierung kein Grenzzustand erreicht werden konnte. Dieser wird schließlich durch die folgende analytische Beschreibung des Transportvorganges theoretisch bestimmt. Für das genutzte physikalische Modell wird analytisch ein Grenztransportkörper aus Modellsediment errechnet. Bei einer Übertragung auf den dazugehörigen vorhandenen Abschnitt im Dresdner Kanalnetz durch Ansetzen des Ähnlichkeitsgesetzes wird ein mobilisierbares Grenzvolumen überschlagen. Die hier dargestellten Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen bzw. der physikalischen Modellierung wurden mit den Betreibern und den Herstellern des neuen Stauwagens diskutiert und hinsichtlich konstruktiver Schwerpunkte optimiert. Unter besonderer Berücksichtigung der Kostenoptimierung und der konstruktiven Realisierung wurde von der Firma "WKS Technik GmbH" ein Forschungsmuster zur Untersuchung in einer Pilottestphase entwickelt und gebaut. In der nachfolgenden dargestellten Testphase wurde das Ergebnis als Pilotprojekt im Dresdner Kanalnetz in mehreren Testläufen erprobt und untersucht. Nach jedem Testlauf wurden die aufgetretenen Probleme analysiert und durch Umbauten oder Veränderungen behoben. Regelmäßige Reinigungsfahrten sollten wegen der geringeren Ablagerungsmengen ein gleichmäßiges Fahren gewährleisten bzw. die Ablagerungen vollständig mobilisieren und bis zum Sandfang transportieren, um sie dort zu entnehmen. Während der Testphase wurde eine viel höhere Sedimentmenge gesammelt und transportiert als die, welche sich aus der analytischen Berechnung ergab. Dies folgte aus dem beim Naturversuch zugelassenen höheren Aufstauniveau hinter dem Spülwagen, welches ausnahmsweise zugelassen wurde, um auf eine zwischenzeitliche Sedimentabsaugung zu verzichten.
The early pages of this research thesis demonstrate how costly and problematic sewer cleaning is. Due to changing demographics causing declining amounts of wastewater and, at the same time, to predicted long dry spells during the summer months, an increased accumulation of sediments in the sewer systems has to be expected. With respect to climate change it is necessary to keep the entire sewer cross section free of sediments in order to manage heavy rainfall events; otherwise a more frequent relief of the wastewater system into the receiving water is inevitable once the rain retention basins have been filled. Thus sewer cleaning will gain in importance within the next few years. Predominantly the cleaning of large-diameter profiles, however, has not reached a state-of-the-art technology, and the current cleaning methods prove themselves to be inapt due to their very limited success as well as to the environmental burden posed by the equipment they employ. The state-of-the-art cleaning method presented in this research paper constitutes a high-powered alternative. In the future, it will be possible to clean large sewer cross sections almost entirely in an environmentally neutral fashion and to mobilize the accumulated sediment all the way to the downstream sand trap by exclusively harnessing water power. The numerical experiments conducted for this paper primarily effected a geometric optimization to achieve the maximal mobilization forces in a selected section of Dresden's sewer system. In the subsequent physical modeling the emphasis is placed on the optimal cleaning speed in order to move a maximum volume of sediments. It has to be clarified, however, that no limit state could be reached during the modeling procedure. This limit state is determined theoretically only through the following analytical description of the transport process. For the physical model at hand, the maximum transportable sediment volume made of model sediment is calculated analytically. In an extrapolation for the associated existent section in the Dresden sewer system, a mobilizable limit volume is estimated applying the law of similarity. The results of the theoretical analysis and the physical modeling presented in this work were discussed with the operators and manufacturers of the new storage vehicle and were optimized with regard to constructional core aspects. In special consideration of the cost optimization and the constructional realization, the "WKS Technik GmbH" company developed and constructed a research prototype for a survey in a pilot test phase. During the subsequent test phase, the result was tried out and examined as a pilot project in several trial runs in Dresden's sewer system. After each trial run, the problems which had occurred were analyzed and then eliminated through constructional modifications or other alterations. Regular cleaning runs were intended to guarantee a steady movement of the cleaning vehicle due to a reduced amount of sediments, or to completely mobilize the sediments and transport them to the sand trap in order to remove them there. The sediment volume actually gathered and transported during the test phase was significantly larger than the one derived from the analytical calculation. This increase results from greater storage depths behind the flush car, which were permitted as an exception for the field test in order to go without any interim sediment extractions.
La prima parte della presente tesi di dottorato mette in evidenza le problematicità legate alla pulizia dei canali delle acque reflue, sottolineando in particolare gli enormi costi generati dall 'alta frequenza di depositi e dalla grandezza delle reti di raccolta presenti sui territori. A causa della riduzione demografica e delle condizioni meteorologiche che si stanno alterando, per il prossimo futuro si prevedono lunghi periodi di siccità, interrotti da acquazzoni intensi e brevi. Questo porterà ad un accumulo di depositi nelle reti di raccolta delle acque miste soprattutto nei mesi estivi, che implicherà a sua volta la necessità di tenere le sezioni dei canali presenti libere da depositi per consentire un appropriato deflusso e ritenzione in presenza delle suddette intense precipitazioni. Se in questi casi la ritenzione della rete fognaria non sarebbe data, infatti, si andrebbe a scaricare acque sporche sempre in maggiore quantità e con maggiore frequenza nei corsi d 'acqua di superficie, inquinando in secondo luogo anche le falde acquifere. Da questo quadro, si evince come la pulizia delle canalizzazioni acquisterà in futuro sempre una maggiore importanza. Attualmente, per la pulizia di canali di grandi dimensioni (maggiori di 1000 mm) non esistono metodi efficaci ed ecologici per movimentare i depositi presenti. Il presente lavoro espone una soluzione competitiva ai suddetti problemi. Grazie al lavoro di ricerca e sviluppo svolto, infatti, è stato elaborato un metodo con cui sarà possibile in futuro pulire canali di grosse dimensioni pressoché senza l\'impiego di energia esterna, ma solamente grazie all 'utilizzo dell 'energia dell 'acqua reflua presente nei canali, mobilizzando i depositi fino al prossimo punto presente dove sarà possibile estrarre dalla rete fognaria il materiale raccolto. L 'analisi numerica eseguita e qui rappresentata porta innanzitutto ad un 'ottimizzazione geometrica ed idraulica che consente il raggiungimento delle maggiori forze di mobilizzazione possibili per un segmento scelto della rete fognaria della città di Dresda (Sassonia). Nelle prove in laboratorio correlate si è cercato di ottimizzare la velocità con la quale deve avvenire la pulizia del fondo del canale in modo da poter trasportare il più elevato volume di sedimenti possibile. Si precisa a questo riguardo che in laboratorio non è stato possibile raggiungere il limite volumetrico correlato al modello fisico utilizzato, perché i soli 24 m di lunghezza del banco di prova non hanno consentito il raggiungimento di tale stato limite. Questo limite è stato determinato successivamente attraverso un modello analitico sviluppato appositamente, il quale descrive la mobilizzazione dei sedimenti attraverso la tecnologia di pulizia utilizzata. Attraverso i fattori di conversione che regolano le leggi fisiche presenti tra modello di laboratorio e natura è stato possibile in seguito rapportare il limite volumetrico al segmento reale utilizzato per le prove numeriche. Usando i risultati ottenuti sia dalle analisi numeriche che dalle prove di laboratorio è stato sviluppato e poi realizzato un prototipo assieme al partner commerciale "WKS Technik GmbH", prestando particolare attenzione all 'ottimizzazione costruttiva e dei costi di produzione. Questo prototipo è stato testato per diverse volte in un tratto di circa quattro chilometri della canalizzazione di Dresda. Dopo ogni corsa sono stati analizzati i punti deboli del metodo di pulizia nonché del prototipo stesso e si è provveduto ad eliminarli. Gli ultimi test hanno confermato il funzionamento di tale prototipo offrendo inoltre una buona validazione del modello analitico sviluppato in precedenza.