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This paper presents a framework for incorporating arbitrary implicit multistep schemes into the lattice Boltzmann method. While the temporal discretization of the lattice Boltzmann equation is usually derived using a second-order trapezoidal rule, it appears natural to augment the time discretization by using multistep methods. The effect of incorporating multistep methods into the lattice Boltzmann method is studied in terms of accuracy and stability. Numerical tests for the third-order accurate Adams-Moulton method and the second-order backward differentiation formula show that the temporal order of the method can be increased when the stability properties of multistep methods are considered in accordance with the second Dahlquist barrier.

After two-year's shutdown, the GSI accelerators plus the latest addition of storage ring CRYRING, will be back into operation in 2018 as the FAIR phase 0 with the goal to fulfill the needs of scientific community and the FAIR accelerators and detector development. Even though GSI has been well known for its operation of a variety of ion beams ranging from proton up to uranium for multi research areas such as nuclear physics, astrophysics, biophysics, material science, the upcoming beam time faces a number of challenges in re-commissioning its existing circular accelerators with brand new control system and upgrade of beam instrumentations, as well as in rising failures of dated components and systems. The cycling synchrotron SIS18 has been undergoing a set of upgrade measures for fulfilling future FAIR operation, among which many measures will also be commissioned during the upcoming beam time. This paper presents the highlights of the challenges such as re-establishing the high intensity heavy ion operation as well as parallel operation mode for serving multi users. The status of preparation including commissioning results will also be reported., Proceedings of the 9th Int. Particle Accelerator Conf., IPAC2018, Vancouver, BC, Canada

In dieser Arbeit werden neuartige methodische Erweiterungen der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) entwickelt, die effizientere Simulationen inkompressibler Wirbelströmungen ermöglichen. Diese Erweiterungen beheben zwei Hauptprobleme der Standard-LBM: ihre Instabilität in unteraufgelösten turbulenten Simulationen und ihre Beschränkung auf reguläre Rechengitter. Dazu wird zunächst eine Pseudo-Entropische Stabilisierung (PES) entwickelt. Diese kombiniert Ansätze der Multiple-Relaxation-Time (MRT)-Modelle und der Entropischen LBM zu einem expliziten, lokalen und flexiblen Stabilisierungsoperator. Diese Modifikation des Kollisionsschritts erlaubt selbst auf stark unteraufgelösten Gittern stabile und qualitativ korrekte Simulationen. Zur Erweiterung der LBM auf irreguläre Rechengitter wird zunächst eine moderne Discontinuous-Galerkin-LBM untersucht und um stabilere Zeitintegratoren ergänzt. Diese Studie demonstriert die drastischen Schwächen existierender LBMAnsätze auf irregulären Gittern. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen gelingt die Formulierung einer neuartigen Semi-Lagrangeschen LBM (SLLBM). Diese ermöglicht in einzigartigerWeise sowohl die Verwendung irregulärer Gitter und großer Zeitschritte als auch eine hohe räumliche Konvergenzordnung. Anhand von Beispielsimulationen wird demonstriert, wieso dieser Ansatz anderen aktuellen Off-Lattice-Boltzmann-Methoden (OLBMs) in Effizienz und Genauigkeit überlegen ist. Weitere neuartige Aspekte dieser Arbeit sind die Entwicklung eines modularen Off-Lattice-Boltzmann-Codes und die Erweiterung der LBM um implizite Mehrschrittverfahren, mit denen eine Erhöhung der zeitlichen Konvergenzordnung gelingt. The present work develops novel methodological extensions to the lattice Boltzmann method (LBM). These extensions enable the method to efficiently simulate incompressible vortical flows. They cure two major drawbacks of the standard LBM: its instability in under-resolved turbulence and its restriction to regular computational grids. At first, a pseudo-entropic stabilizer (PES) is developed, which combines ideas from multiple-relaxation-time (MRT) models and entropic models. The new PES is local, explicit, and flexible. It modifies the collision step in a way that enables stable simulations and produces qualitatively matching results, even on strongly underresolved grids. To extend the LBM towards simulations on irregular grids, a recent discontinuous Galerkin lattice Boltzmann method is studied and enhanced by more stable time integrators. This study illustrates the severe shortcomings of existing off-lattice Boltzmann methods (OLBMs). Based on these findings, the present work succeeds in developing a semi-Lagrangian lattice Boltzmann method (SLLBM). This novel approach allows unstructured grids, large time steps, and high-order accurate representations of the solution to be used in a unique way. Applications to exemplary flows demonstrate how and why the new method outperforms other recent OLBMs in both efficiency and accuracy. Additionally, this work describes the development of a modular off-lattice Boltzmann code and shows that the method’s convergence order can be increased by implicit multistep methods.

In dem Vortrag wird gezeigt, wie die Wahl eines Forcing Schemas (bspw. von Shan & Doolen (1995) oder He & Doolen (1998)) über die Chapman-Enskog Entwicklung zu einem vom Forcing abhängigen Diffusionskoeffizienten für Mehrphasenströmungen führt. Der kritische Wert von G wird danach bestimmt und bekannte in der Literatur ad hoc verwendete Beziehungen abgeleitet (Huan et al. (2007)), sowie für tau=1 der bisher nicht erklärbare Shift um den Faktor 2 abgeleitet. Simulationen zeigen die exzellente Übereinstimmung des Diffusionskoeffizienten bspw. mit dem Fick’schen Gesetz für unterschiedliche Werte von G. The talk presents the influence of the choice of forcing schemes in pseudopotential-based LBM methods for multi-phase flows (e.g. Shan & Doolen (1995) or He & Doolen (1998)) on the diffusion coefficient, obtained via Chapman-Enskog analysis. The critical value of G is obtained und known relations used in the literature are subsequently derived based on this theory (e.g. Huan et al. (2007)). The often observed shift at tau=1 for the critical value of G can be directly derived. Simulation show excellent agreement between the diffusion coefficient and Fick’s law for various values of G.

In der vorliegenden Arbeit wurden die drei Enzyme PA0321, PA1409 und PA3774 aus dem Humanpathogen Pseudomonas aeruginosa untersucht. Alle drei Enzyme gehören zur Histon-Deacetylase-Superfamilie (HDAC) und waren anhand von Sequenzanalysen als putative Acetylpolyamin-Aminohydrolasen (APAH) vorhergesagt. Das Hauptaugenmerk der Arbeit lag auf der strukturellen Aufklärung dieser Enzyme mithilfe der Kristallstrukturanalyse. Die daraus gewonnenen Informationen, sollten dazu dienen potente und selektive Inhibitoren zu entwickeln, da angenommen wurde, dass eine Inhibition dieser Enzyme dazu beitragen könnte, bakterielle Infektion besser zu bekämpfen. Eine enzymatische Analyse der Enzyme bestätigte die Vorhersage, dass es sich bei den Enzymen PA1409 und PA0321 um APAHs handelt. Im Gegensatz dazu zeigte das Enzym PA3774 keinen signifikanten Umsatz von acetylierten Polyaminen. Die hohen Umsatzraten von artifiziellen HDAC-Substraten lassen darauf schließen, dass acetylierte Proteine die eigentlichen Substrate dieses Enzyms sind. Im weiteren Verlauf gelang es die Struktur des Enzyms PA3774 aufzuklären. Neben der nativen Struktur konnten zusätzlich Enzym-Ligand-Komplexe in hoher Auflösung determiniert werden, die detaillierte Einblicke in das Bindungsverhalten der Liganden geben. Wie sich herausstellte, zeigt PA3774 eine hohe strukturelle Ähnlichkeit mit der Histon-Deacetylase-ähnlichen Amidohydrolase (FB188-HDAH) aus Bordetella/Alcaligenes und sollte treffender als HDAH anstatt als APAH klassifiziert werden. Zum besseren Verständnis und Vergleich dieser beiden Proteine wurde die Kristallisation der FB188-HDAH reproduziert und es konnten verschiedene neue Enzym-Ligand-Komplexe erhalten werden. Beide Enzyme zeigen eine analoge Tetramerisierung, deren spezifische Assemblierung den Bindungskanal entscheidend beeinflusst. Aufgrund dessen ist anzunehmen, dass diese Quartärstruktur eine essenzielle Funktion besitzt. Zwar gelang die Kristallisation von PA0321 und PA1409 im Rahmen dieser Arbeit nicht, jedoch ist die Struktur der eng verwandten APAH aus M. ramosa bereits bekannt. Ein Vergleich der HDAH und APAH Enzyme zeigt gravierende Unterschiede hinsichtlich ihrer Quartärstruktur, was eine plausible Erklärung für ihre unterschiedlichen Substratselektivitäten liefert. Zusätzlich wurden an zwei Nebenprojekten gearbeitet. Im Ersten wurden vielversprechende photoschaltbare Inhibitoren auf bakterielle sowie menschliche HDAC-Enzyme untersucht. Hierbei zeigten die Inhibitoren in ihrer metastabilen cis-Konfiguration eine um bis zu 10-fach erhöhte Wirkung Inhibition im Vergleich zur thermostabileren trans-Konfiguration. Solche photoschaltbaren Inhibitoren eröffnen einen Weg hin zu zielgerichteten nebenwirkungsärmeren Chemotherapien. In einem weiteren Nebenprojekt wurde ein neuartiger Fluoreszenzlebensdauer-Bindungs-Assay entwickelt, der es ermöglicht im Hochdurchsatzverfahren große Substanzbibliotheken zu testen und Inhibitoren für diese Enzymklasse zu finden. Darüber hinaus können Bindungskonstanten von Inhibitoren unabhängig von der Enzymaktivität bestimmt werden.