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Description: Asymptotic analyses of the three dimensional compressible flow equations coupled with transport equations for the mixing ratios of water vapour, cloud water and rain water are described. We obtain reduced systems of equations for two particular regimes of length and time scales: Models for the long time evolution of deep convective columns and for the short time evolution of shallow convective layers. The asymptotic deep convective column model is anelastic, yet the vertical motion is pressure free, i.e., it evolves freely in interaction with buoyancy while the horizontal divergence adjusts to fullfil the anelastic constraint. The perturbation pressure guaranteeing compliance with the horizontal divergence constraint obeys a Poisson-type equation. Surprisingly, the vertical velocity plays an important role in the horizontal dynamics through the Coriolis term. The vertical acceleration in a saturated column is directly determined by the buoyancy induced by potential temperature differences relative to the background stratification. This potential temperature deviation is a conserved quantity. Evaporation is the only important microphysical process in the undersaturated regime. The evaporation rate depends on the saturation deficit and the amount of rain water present and determines the (downward) vertical velocity and the distribution of water vapour. To connect the deep convective column solutions to top and bottom boundary conditions, a different flow regime needs to be accounted for. Within shallow layers whose depth is comparable to the column diameters, adjustment to physical boundary conditions can take place. This is the second regime considered in this report. The shallow convective layer regime is shown to be asymptotically described by Boussinesq-type equations. These equations are closed by evolution equations which show that, in the saturated regime, the distributions of potential temperature and cloud water are determined by a condensation rate that is directly proportional to the vertical velocity. In the undersaturated regime, the potential temperature distribution is determined by the amount of rain present, since the water vapour in this case is shown to be a conserved quantity. In both regimes the distribution of rain water depends on the rain water flux.

Description: By use of asymptotic analysis Carqué et al. [ZIB-Report 08-03] derived an asymptotic column model for deep convective clouds based on the three dimensional compressible flow equations and a bulk microphysics parameterization. In the present study we check the plausibility of the reduced model equations by comparing implications of the model for the scaling of various terms in the governing equations with those extracted from large eddy simulation data based on the computational model UCLA-LES1.1. This code solves an anelastic system of equations with complete droplet based microphysics and LES closures. We observe that the simulation data corroborate the basic assumptions of the asymptotic analysis and the main conclusions implied by the asymptotically reduced model. The code output reflects the scales of space and time: The deep convective clouds show an anisotropic structure where the horizontal scale is considerably narrower than the vertical scale; with a period of about 20 min, from emergence to breakup, the life cycle of one particular deep convective cloud corresponds exactly to the reference time of the reduced model. The characteristic properties of dynamics as predicted by the reduced model are also reflected in the simulation data: The horizontal flow is controlled by the pressure field; the vertical velocity develops freely independent of pressure over the depth of the convective column; the vertical velocity is directly determined by the buoyancy induced by the potential temperature deviation relative to the background stratification. With respect to grid resolution we observe that refining the spatial step size of the equidistant computational grid from 125 m to 62.5 m does not influence the results: Even with the coarser grid the relevant physical phenomena are sufficiently resolved. Somewhat surprisingly, the Coriolis term involving vertical velocity and acting on the horizontal (east-west) velocity component appears at leading order in the asymptotics. Accordingly, we expected to find a nontrivial impact of this Coriolis effect on the horizontal flow velocity components within columns of updrafts. However, switching the term on and off in subsequent simulations did not sizeably affect the results.

Description: A theoretical and numerical small-scale study of the evaporative cooling phenomenon that might appear in the stratocumulus-topped boundary layers is presented. An ideal configuration of a cloud-top mixing layer is considered as defined by two nonturbulent horizontal layers, stably stratified and with buoyancy reversal within a certain range of mixture fractions due to the evaporative cooling. Linear stability analysis of the shear-free configuration is employed to provide a new interpretation of the buoyancy reversal parameter, namely, in terms of a time-scale ratio between the unstable and the stable modes of the system. An incompressible high-order numerical algorithm to perform direct numerical simulation of the configuration is described and two-dimensional simulations of single-mode perturbations are discussed. These simulations confirm the role of the different parameters identified in the linear stability analysis and show that convoluted flow patterns can be generated by the evaporative cooling even for the low levels of buoyancy reversal found in stratocumulus clouds. They also show that there is no enhancement of entrainment of upper layer fluid in the shear-free configuration, and mixing enhancement by the evaporative cooling is restricted to the lower layer.

Description: Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein individuell anpassungsfähiges Modell entwickelt und implementiert, das die Perfusion in menschlichen soliden Tumoren beschreibt und für verschiedene Zeitpunkte w¨ahrend regionaler Hyperthermie ein lokal abhängiges Temperaturprofil berechnet. Da vor jeder Simulation alle wichtigen Parameter anhand von Ultraschall-, MRT- oder Angiogrammbildern individuell bestimmt werden können, wird eine patientenspezifische Aussage ¨uber das intratumorale Antwortverhalten bereits vor der eigentlichen Behandlung möglich. In Abh¨angigkeit von der Qualität der zur Verfügung stehenden anatomischen Daten über das zu simulierende Gebiet kann das Modell beliebig verfeinert oder bei Mangel an detaillierten Informationen auch mit Minimaldaten und reduzierter räumlicher Genauigkeit benutzt werden. Die für eine Simulation benötigten 2- oder 3- dimensionalen Geometrien können leicht mit der am ZIB entwickelten Software Amira erstellt und zur Berechnung in KARDOS, einem ebenfalls am ZIB implementierten Löser für nichtlineare partielle Differentialgleichungen, eingelesen werden. Mit Hilfe dieses Modells wird eine einfache, aber realistische und aussagekräftige Simulation für die Therapieplanung einer klinischen Hyperthermieanwendung ermöglicht, die innerhalb kurzer Zeit vorbereitet und durchgeführt werden kann.

Description: In dieser Arbeit werden effiziente Co-Reservierungs-Algorithmen vorgestellt, mit denen Rechenressourcen mehrerer Cluster im Grid reserviert werden können. Es werden fünf Algorithmen vorgestellt, die flexible Co-Reservierungsanfragen ermöglichen. In einer Co-Reservierungsanfrage müssen die angeforderten CPUs der Teilreservierungen exakt festgelegt werden. Die Cluster und die Startzeiten, bei denen die Teilreservierungen durchgeführt werden, ermittelt ein Co-Reservierungs-Algorithmus erst bei der Anfragebearbeitung. Die Benutzer können die Startzeit in der Anfrage eingrenzen, in dem sie eine früheste Startzeit und eine Deadline angeben. In den bisher entwickelten Reservierungsverfahren können Benutzer nur starre Co-Reservierungsanfragen stellen, in denen sie für alle Attribute der Teilreservierungen exakte Werte angeben müssen. Eine flexible Co-Reservierungsanfrage erlaubt einem Grid-Reservierungsdienst optimierte Reservierungsvarianten durchzuführen, da er aus vielen Reservierungsvarianten auswählen kann. Die Anwendungen von lokalen Benutzern können durch die Grid-Reservierungen verzögert werden. Bei der Auswahl der Reservierungsvarianten kann ein Grid-Reservierungsdienst dies berücksichtigen und den negativen Einfluß der Grid-Reservierungen verringern. Bei zwei Co-Reservierungs-Algorithmen werden auch zusätzliche Sortiervorgaben des Klienten bei der Auswahl der Reservierungsvarianten beachtet. Die Algorithmen wurden durch Simulationen mit dem Workload eines realen großen Supercomputers ausgewertet. Die Untersuchungen zeigen, daß sowohl die lokalen als auch die Grid-Benutzer von den flexiblen Anfragen profitieren können. Den lokalen Benutzern wurden die Ressourcen weniger oft durch zu früh gestellte Reservierungsanfragen entzogen. Die Grid- Benutzer können ihrerseits komfortabel eine optimierte Reservierungsvariante durchführen lassen.

Description: In dieser Diplomarbeit werden grundlegende Probleme der kostenoptimalen Dimensionierung von Telekommunikationsnetzwerken untersucht. Diese werden als lineare gemischt ganzzahlige Programme formuliert, wobei sich in der Modellierung auf die Konzepte Routing und Kapazitätszuweisung beschränkt wird. Es werden parallel drei übliche, aus der Praxis motivierte Möglichkeiten behandelt, die auf gerichteten oder ungerichteten Kanten eines Netzwerkes installierte Kapazität zu nutzen. Diese unterscheiden wir als DIrected, BIdirected und UNdirected. Die studierten Probleme treten als Relaxierungen vieler realistischer Fragestellungen der Netzwerkoptimierung auf. Sie enthalten elementare Strukturen, deren Studium ausschlaggebend ist für das Verständnis komplexerer Modelle. Letztere können zusätzliche Erfordernisse berücksichtigen, wie zum Beispiel die Ausfallsicherheit von Netzwerken. Zur Lösung solcher NP-schweren Optimierungsprobleme werden erfolgreich Branch & Bound und Schnittebenenverfahren kombiniert (Branch & Cut). Für die Wirksamkeit dieser Algorithmen ist es sehr nützlich, möglichst genaue Kenntnisse der Struktur der Seitenflächen der zugrundeliegenden Polyeder zu haben, welche die konvexe Hülle der Lösungsmenge beschreiben. Es sind starke gültige Ungleichungen zu finden, welche hochdimensionale Seitenflächen oder sogar Facetten definieren. Diese sollten zudem schnell separiert werden können und die numerische Stabilität der Algorithmen möglichst nicht beeinflussen. Diese Arbeit beschäftigt sich im Wesentlichen mit der sehr allgemeinen Rundungstechnik Mixed- Integer Rounding (MIR) zur Verstärkung gültiger Ungleichungen unter Verwendung der Ganzzahligkeitsnebenbedingungen. Es wird eine MIR-Prozedur motiviert, bestehend aus den Schritten Aggregieren, Substituieren, Komplementieren und Skalieren, welche durch Ausnutzung der Struktur der gegebenen Parameter zu einer gültigen Basisungleichung führt, die dann durch MIR eine starke und oft facetten-induzierende Ungleichung gibt. Es werden verschieden Klassen solcher Ungleichungen untersucht und auf ihre Praxistauglichkeit beim Einsatz in Branch & Cut-Verfahren getestet. Nach einer kurzen Einführung werden in Kapitel 2 die für uns in dieser Diplomarbeit relevanten Probleme definiert. Kapitel 3 gibt eine ausführliche Übersicht über die Technik MIR.Wir beschäftigen uns vor allen Dingen mit den Begriffen Superadditivität und Lifting und behandeln Aspekte wie Numerik und beschränkte Variablen. Kapitel 4 und Kapitel 5 umfassen Untersuchungen zu so genannten cut sets. Diese Polyeder werden durch Schnitte in Netzwerken definiert und relaxieren die von uns behandelten Probleme. Hauptsächlich durch MIR entwickeln wir sowohl neue als auch bekannte Klassen von facetten-definierenden Ungleichungen für cut sets, wobei strukturelle Unterschiede herausgearbeitet werden, die durch die drei verschiedenen Typen der Kapzitätsbereitstellung und durch beschränkte Variablen entstehen. Als ein zentrales Resultat wird bewiesen unter welchen Bedingungen facetten-induzierende Ungleichungen für cut sets auch Facetten der zugehörigen relaxierten Polyeder sind. Im Kapitel 6 geben wir weitere Typen von MIR-Ungleichungen an, die auf anderen Netzwerkstrukturen basieren und weisen ferner auf offene Fragen sowie interessante Ideen hin. Das Kapitel 7 widmet sich schließlich der Entwicklung und Implementation von Separationsalgorithmen. Wir testen einige der entwickelten Ungleichungsklassen mit Hinblick auf Ihre Wirksamkeit zur Lösung von realistischen Problemen der Netzwerkdimensionierung aus der Telekommunikation und diskutieren die Ergebnisse.

Description: Diese Arbeit dokumentiert den Entwurf und die Implementierung einer NFS-Schnittstelle zum ZIBDMS. Das ZIBDMS, welches derzeit am Zuse-Institut Berlin entwickelt wird, ist ein Managementsystem für verteilte Daten in heterogenen Umgebungen [10]. Es soll die einfache Benutzung von Mechanismen zur Replikation sowie neue Möglichkeiten des Zugriffs und der Verwaltung von Metadaten und Datenobjekten ermöglichen. Dem Nutzer bietet das System verschiedene Sichten: Neben der klassischen, hierarchischen Sicht mit Verzeichnissen und Dateien wird auch eine attributbasierte Zugriffsmethode angeboten, in der Datenobjekte ausschließlich über Attribut/Wert-Paare referenziert werden. Für den Benutzer transparent, soll sich das System im Hinblick auf die Verfügbarkeit von Daten und Metadaten selbsttätig optimieren. Um Skalierbarkeit gew¨ahrleisten zu können, werden intern Peer-to-Peer- Techniken entwickelt und benutzt. Die NFS-Schnittstelle erhöht die Nutzbarkeit des Systems, da Client- Implementierungen für nahezu alle Betriebssysteme zur Verfügung stehen. Der Benutzer kann so über das gewohnte Dateisystem Daten und Metadaten pflegen, ohne spezifisches Vorwissen zu benötigen. In dieser Arbeit wird untersucht, inwiefern sich die Semantik des ZIBDMS auf jene des NFS-Protokolls übertragen läßt. Weiterhin wird das Konzept von Pseudodateien beschrieben und diskutiert, inwiefern es eine brauchbare Lösung darstellt, den im Vergleich zur NFS-Semantik wesentlich größeren Funktionsumfang des ZIBDMS für den Anwender nutzbar zu machen. Pseudodateien sind nicht-persistente Objekte, welche für den Benutzer als reguläre Datei sichtbar werden und die erweiterte Funktionalitäten wie die Bearbeitung von Metadaten oder die Platzierung von Replikaten über die Dateisystem-Sicht des NFS zur Verfügung stellen sollen. Schließlich werden Leistungsmessungen an den benutzten Komponenten des ZIBDMS vorgenommen und vergleichbaren Systemen gegen übergestellt. Die Aufmerksamkeit liegt hier auf der zugrundeliegenden Katalog-Technologie sowie dem durch das NFS-Protokoll verursachten Overhead.