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- ItemHigh-resolution measurement of cloud microphysics and turbulence at a mountaintop station(München : European Geopyhsical Union, 2015) Siebert, H.; Shaw, R.A.; Ditas, J.; Schmeissner, T.; Malinowski, S.P.; Bodenschatz, E.; Xu, H.Mountain research stations are advantageous not only for long-term sampling of cloud properties but also for measurements that are prohibitively difficult to perform on airborne platforms due to the large true air speed or adverse factors such as weight and complexity of the equipment necessary. Some cloud–turbulence measurements, especially Lagrangian in nature, fall into this category. We report results from simultaneous, high-resolution and collocated measurements of cloud microphysical and turbulence properties during several warm cloud events at the Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS) on Zugspitze in the German Alps. The data gathered were found to be representative of observations made with similar instrumentation in free clouds. The observed turbulence shared all features known for high-Reynolds-number flows: it exhibited approximately Gaussian fluctuations for all three velocity components, a clearly defined inertial subrange following Kolmogorov scaling (power spectrum, and second- and third-order Eulerian structure functions), and highly intermittent velocity gradients, as well as approximately lognormal kinetic energy dissipation rates. The clouds were observed to have liquid water contents on the order of 1 g m−3 and size distributions typical of continental clouds, sometimes exhibiting long positive tails indicative of large drop production through turbulent mixing or coalescence growth. Dimensionless parameters relevant to cloud–turbulence interactions, the Stokes number and settling parameter are in the range typically observed in atmospheric clouds. Observed fluctuations in droplet number concentration and diameter suggest a preference for inhomogeneous mixing. Finally, enhanced variance in liquid water content fluctuations is observed at high frequencies, and the scale break occurs at a value consistent with the independently estimated phase relaxation time from microphysical measurements.
- ItemSchneefernerhaus as a mountain research station for clouds and turbulence(München : European Geopyhsical Union, 2015) Risius, S.; Xu, H.; Di Lorenzo, F.; Xi, H.; Siebert, H.; Shaw, R.A.; Bodenschatz, E.Cloud measurements are usually carried out with airborne campaigns, which are expensive and are limited by temporal duration and weather conditions. Ground-based measurements at high-altitude research stations therefore play a complementary role in cloud study. Using the meteorological data (wind speed, direction, temperature, humidity, visibility, etc.) collected by the German Weather Service (DWD) from 2000 to 2012 and turbulence measurements recorded by multiple ultrasonic sensors (sampled at 10 Hz) in 2010, we show that the Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS) located just below the peak of Zugspitze in the German Alps, at a height of 2650 m, is a well-suited station for cloud–turbulence research. The wind at UFS is dominantly in the east–west direction and nearly horizontal. During the summertime (July and August) the UFS is immersed in warm clouds about 25 % of the time. The clouds are either from convection originating in the valley in the east, or associated with synoptic-scale weather systems typically advected from the west. Air turbulence, as measured from the second- and third-order velocity structure functions that exhibit well-developed inertial ranges, possesses Taylor microscale Reynolds numbers up to 104, with the most probable value at ~ 3000. In spite of the complex topography, the turbulence appears to be nearly as isotropic as many laboratory flows when evaluated on the "Lumley triangle".
- ItemOberflächenmorphologie von Arzneistoffpartikeln - Ein optisch evaluierbares Kriterium für die Auflösungsgeschwindigkeit(München : Elsevier, Urban & Fischer , 2002) Diebold, Steffen M.Für die Auflösungsgeschwindigkeit von schwer wasserlöslichen Arzneistoffpartikeln spielt die Hydrodynamik an den Partikel-Oberflächen eine große Rolle. Diese ist ihrerseits beeinflußt von der Geometrie und der Oberflächenmorphologie der Partikel. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass sich zur Charakterisierung dieser Parameter die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) auch für die Untersuchung von Arzneistoffen gut eignet. Am Beispiel von Felodipin-Kristallen wurde nachgewiesen, dass reale Arzneistoffpulver auch an scheinbar „glatten“ Oberflächen Protrusionen, Kanten und Kavitäten aufweisen. Deren Größenordnungen lassen sich mit Hilfe der Elektronenmikroskopie abschätzen. Die Oberflächenmorphologie von Arzneistoffpartikeln ist ein Kriterium für die Auflösungsgeschwindigkeit oral verabreichter Arzneistoffe. Die Rasterelektronenmikroskopie leistet dabei wertvolle Dienste zur Charakterisierung der Oberflächen von Arzneistoffpartikeln.
- ItemExperiments on the magnetorotational instability in helical magnetic fields(College Park, MD : Institute of Physics Publishing, 2007) Stefani, F.; Gundrum, T.; Gerbeth, G.; Rüdiger, G.; Szklarski, J.; Hollerbach, R.The magnetorotational instability (MRI) plays a key role in the formation of stars and black holes, by enabling outward angular momentum transport in accretion discs. The use of combined axial and azimuthal magnetic fields allows the investigation of this effect in liquid metal flows at moderate Reynolds and Hartmann numbers. A variety of experimental results is presented showing evidence for the occurrence of the MRI in a Taylor-Couette flow using the liquid metal alloy GaInSn. © IOP Publishing Ltd and Deutsche Physikalische Gesellschaft.
- ItemHydrodynamik und Lösungsgeschwindigkeit - Untersuchungen zum Einfluss der Hydrodynamik auf die Lösungsgeschwindigkeit schwer wasserlöslicher Arzneistoffe (rev. Fassung 2022)(2022) Diebold, Steffen M.Gegenstand der vorliegenden Studie war (1) die Beschreibung der Hydrodynamik kompendialer Lösungsgeschwindigkeits-Testapparaturen und die Aufklärung der gastrointestinalen Hydrodynamik von Hunden, (2) die Untersuchung des Einflusses der Hydrodynamik auf die Lösungsgeschwindigkeit schwer wasserlöslicher Arzneistoffe und (3) die Entwicklung eines hydrodynamischen Modells zur Prognose der Auflösegeschwindigkeit schwer wasserlöslicher Arzneistoffe. Die Hydrodynamik kompendialer Lösungsgeschwindigkeits-Testapparaturen, namentlich der Paddle- und der Basket-Apparatur, wurde mit einem Ultraschall-Puls-Echo-Verfahren arzneistoffunabhängig charakterisiert. Die Strömungsgeschwindigkeiten in den Auflösungs-Gefäßen von Paddle- und Basket-Apparatur korrelierten linear mit den Rotationsraten der Rührwerkzeuge. Dadurch ist es nun künftig möglich, die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit der Auflöse-Medien während eines Lösungsgeschwindigkeits-Tests unter beliebigen Rotationsraten zu ermitteln. In der Basket-Apparatur wurden, in Abhängigkeit von den Rotationsraten des Rührwerkes (25 bis 200 rpm), Strömungsgeschwindigkeiten von 0.3 bis 5 cm/s erzielt, in der Paddle-Apparatur dagegen 1.8 bis 37 cm/s. Die Kenntnis dieser Strömungsgeschwindigkeiten wiederum gestattet, die Lösungsgeschwindigkeit von Arzneistoffen unter bestimmten Voraussetzungen zu prognostizieren. Eine solche Voraussage geschah auf der Grundlage einer erweiterten und auf die Paddle-Apparatur adaptierten „Theorie der konvektiven Diffusion“ (Levich). Das hierbei entwickelte „Kombinations-Modell“ gestattete eine Kalkulation von Massentransfer-Daten a priori. Diese stimmten gut überein mit empirischen Massentransfer-Daten aus verschiedenen Lösungsgeschwindigkeits-Experimenten. Neben unterschiedlichen Felodipinpulver-Kollektiven wurde auch erstmals Luftsauerstoff als Vektor hydrodynamischer Untersuchungen eingesetzt. Es zeigte sich, daß das gasförmige Solvendum „Luftsauerstoff“ und das solide Solvendum „Felodipin“ in derselben Auflösungs-Apparatur (Paddle) auch dieselbe Hydrodynamik erfahren. Die Hydrodynamik diskriminierte nicht die unterschiedlichen Aggregatszustände der beiden zur Auflösung gelangenden Arzneistoffe. Die unter Rotationsraten von 25 bis 200 rpm in der Paddle-Apparatur kalkulierten Reynolds-Zahlen (Re) überspannten dabei einen Bereich von Re=2292 bis Re=31025. Die entsprechenden Reynolds-Zahlen der Basket-Apparatur lagen in Größenordnungen von Re=231 bis Re=4541. Grob-kristalline Felodipin-Partikel reagierten empfindlicher auf Veränderungen der Hydrodynamik des Auflösungssystems als mikronisiertes Material derselben chemischen Spezies. Zur Untersuchung der Magenentleerung und des Transits von Flüssigkeiten in Hunden wurde ein szintigraphisches Verfahren eingesetzt. Die Zeitspanne zur vollständigen Magenentleerung (GE>95%) war dabei vom verabreichten Volumen und vom kalorischen Gehalt der oral administrierten Lösungen abhängig. Die Zeitspanne zur Magenentleerung von 200 ml wäßriger Glucose-Lösung 20 % war signifikant größer (278 min.) als nach Verabreichung derselben Menge an NaCl-Lösung 0.9 % (97 min.). Nach Gabe der Glucose-Lösung 20 % betrug die mittlere duodeno-jejunale Transitrate (MTR) 2.7 cm/min. und war damit signifikant beschleunigt im Vergleich zur Gabe derselben Menge an NaCl-Lösung 0.9 % mit 1.1 cm/min.. Die duodeno-jejunalen Transitraten (MTR) waren dabei von der Magenentleerung unabhängig. Ein Aspirationsverfahren wurde zur Bestimmung gastrointestinaler Flußraten herangezogen. Die (auch) von der Magenentleerung beeinflussten ("gastro-intestinalen") Flußraten erreichten nach Administration von 200 ml Glucose 20 % kurzzeitig Spitzenwerte von 20 bis 60 ml/min. (Median: 8.3 ml/min.). Die entsprechenden Flußraten nach Administration von 200 ml NaCl 0.9 % erreichten sogar kurzfristig Spitzenwerte von über 100 ml/min. (Median: 35.0 ml/min.). Trotz der geringeren "gastro-intestinalen" Flußraten nach Gabe der Glucose-Lösungen war die intestinale Lösungsgeschwindigkeit koadministrierten Felodipins deutlich größer als nach Verabreichung der isotonen NaCl-Lösungen. Dies korrelierte mit dem (76 cm pylorus-distal gesammelten) vermehrten Volumen intestinaler Flüssigkeit nach Gabe der hypertonen (!) Glucose-Lösungen.
- ItemSelf-sufficient self-oscillating microsystem driven by low power at low Reynolds numbers(Washington, DC [u.a.] : American Association for the Advancement of Science, 2021) Akbar, Farzin; Rivkin, Boris; Aziz, Azaam; Becker, Christian; Karnaushenko, Dmitriy D.; Medina-Sánchez, Mariana; Karnaushenko, Daniil; Schmidt, Oliver G.Oscillations at several hertz are a key feature of dynamic behavior of various biological entities, such as the pulsating heart, firing neurons, or the sperm-beating flagellum. Inspired by nature’s fundamental self-oscillations, we use electroactive polymer microactuators and three-dimensional microswitches to create a synthetic electromechanical parametric relaxation oscillator (EMPRO) that relies on the shape change of micropatterned polypyrrole and generates a rhythmic motion at biologically relevant stroke frequencies of up to ~95 Hz. We incorporate an Ag-Mg electrochemical battery into the EMPRO for autonomous operation in a nontoxic environment. Such a self-sufficient self-oscillating microsystem offers new opportunities for artificial life at low Reynolds numbers by, for instance, mimicking and replacing nature’s propulsion and pumping units.