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Found 36 results.

ROCKFLOW - Numerische Simulation von Stroemung, Stoff- und Waermetransport im Festgestein

Fuer zahlreiche Fragestellungen im Zusammenhang mit der Deponierung von Abfaellen, der Altlastensanierung, der Grundwassergewinnung und der Nutzung geothermischer Energie sind Modelluntersuchungen im Kluftgestein durchzufuehren. Dabei sind einerseits geringleitende Formationen fuer die Deponierung von Interesse, die eine wirksame geologische Barriere zur Isolierung von Schadstoffen bilden, andererseits geht es um die Bewirtschaftung von Aquiferen zur Grund- und Thermalwassergewinnung. Die Simulation von Stroemungs- und Transportprozessen in klueftig-poroesen Grundwasserleitern und Grundwassergeringleitern stellt spezifische Anforderungen an die modelltechnische Umsetzung, die aus der signifikanten Inhomogenitaet des klueftigen Untergrunds erwachsen. Zur numerischen Simulation solcher Vorgaenge ist das Finite-Elemente-Programmsystem ROCKFLOW entwickelt worden. Das Programm besteht aus einer Reihe von FE-Rechnenkernen (Kernels), welche die prozessspezifischen Differentialgleichungen mittels Galerkin-FEM approximieren. Diese Rechenkerne sind miteinander verknuepfbar (Models), so dass gekoppelte Prozesse (z.B. Tracertransport durch eine Gasstroemung) simuliert werden koennen. Physikalische Prozesse: Folgende physikalische Prozesse sind modellierbar: - Grundwasserstroemung (Sicker- und Kluftstroemung) - Gasstroemung (kompressible Fluide) - Mehrphasenstroemungen (Systeme aus in- und kompressiblen Fluiden) - nicht- (Forchheimer) und liniare Fliessgesetze (Darcy) - hydrodynamische Dispersion (Scheidegger-Ansatz) - Zerfallreaktionen - nicht- (Freundlich, Langmuir) und lineare Gleichgewichtssorption (Henry) - Dichtestroemungen. Numerik: ROCKFLOW ist ein Finite-Elemente-Simulator, wobei verschieden-dimensionale isoparametrische Elemente beliebig im Raum koppelbar sind. Auf der Basis der Methode der gewichteten Residuen wird eine zur prozessbeschreibenden Differentialgleichung aequivalente sog. 'schwache' Integralformulierung abgeleitet. Es stehen verschiedene Loeser zur Verfuegung (Gauss, BiCGSTAB, QMRCGSTAB), um die resultierenden albebraischen Gleichungssysteme zu loesen. Nichtlineare Probleme werden mit Picard- oder Newton-Verfahren behandelt. Gitteradaption: Ab der dritten Version stehen Methoden fuer eine problemangepasste Gitteradaption zur Verguegung. Der Algorithmus zur Gitteradaption basiert auf einem hierarischen Konzept zur Verfeinerung und Vergroeberung gekoppelter verschieden-dimensionaler Elemente. Diskretisierungsfehler koennen entweder mit heuristischen Indikatoren oder einem analytischem Estimator lokalisiert und quantifiziert werden.

Experimentelle Methoden zur Simulation von Schwachwindsituationen im urbanen Bereich

Um die Auswirkung baulicher Massnahmen auf die Durchlueftung von Innenstadtbereichen zu ermitteln, sind bei Verwendung hydraulischer Modelle spezielle Versuchstechniken erforderlich: Neben der Notwendigkeit, auch sehr geringe Stroemungsgeschwindigkeiten moeglichst stroemungsfrei auszumessen, ist die Simulation von Dichtestroemungen einschliesslich der Nachbildung von Kaltluftproduktion und Waermeabgabe durch die Baukoerper nachzubilden. Fuer die Messung von niedrigen Geschwindigkeiten kommen in Ergaenzung zu Laser- und Heissfilmanemometrie lediglich optische Methoden wie z.B. Wasserstoffblaeschenbeobachtungen in Frage. Fuer die Simulation der Dichtestroeme scheidet die prinzipiell moegliche Methode, auch im hydraulischen Modell mit Waerme zu arbeiten, aus, da wegen der Einhaltung der Aehnlichkeitsgesetze eine ca. zehnfache Temperaturspreizung erforderlich waere. Abhilfe schafft hier die Verwendung von chemischen Zusaetzen, welche nach Bedarf die Dichte des Wassers vergroessern oder verringern. Erste Erfahrungen mit rechnerisch erfassbaren Versuchsbedingungen, wie z. B. Schleusenfuellungsversuche oder Abfluss eines Dichtestromes ueber eine Schwelle zeigen ermutigende Ergebnisse fuer diese Art der Experimentiertechnik.

Instabile Dichteströmung im Subterranen Ästuar - Ein Multiplikator für den 'Iron curtain' und reaktive Transportprozesse?

Submarine Grundwasseraustritte sind wichtige Komponenten des hydrologischen Kreislaufs und tragen wesentlich zum Austrag von Nährstoffen, Kohlenstoff und Metallen aus den küstennahen Grundwasserleitern in die Küstenmeere bei, in Folge dessen sie küstennahe marine Ökosysteme beeinflussen. Das derzeitige Bild der hydraulischen Bedingungen im subterranen Ästuar ist, dass eine von Gezeiten und Wellenbewegung induzierte Salzwasserzirkulationszelle einen Süßwasser-'tube' überlagert. Unsere eigenen Forschungsergebnisse legten jedoch kürzlich nahe, dass diese Schichtung unter bestimmten Randbedingungen instabil wird, die Salzwasserzirkulationszelle und der Süßwasser-'tube' nicht mehr existieren und stattdessen Salzwasserfinger in das darunterliegende Süßwasser absinken. Dies würde die subterranen Grundwasseraustrittsmuster stark verändern und sich mit großer Wahrscheinlichkeit auch auf die geochemischen Prozesse im Untergrund auswirken. Das Projekt kombiniert physikalische Laborversuche und numerische Modellierung, um zu untersuchen (i) ob und wo ein Absinken von Salzwasserfingern in das darunterliegende Süßwasser in der Natur denkbar ist, (ii) welchen Einfluss Sedimenteigenschaften (z.B. Heterogenität) und Randbedingungen (z.B. saisonal variabler Süßwasserzustrom) auf die Ausbildung von Salzwasserfingern haben, (iii) wie die Strömungsmuster in 3-D aussehen, (iv) welche Möglichkeiten der Vorhersage es für die instabilen Strömungsmuster gibt und wie man diese verbessern kann sowie (v) welchen Einfluss die veränderten Strömungsmuster letztlich auf die biogeochemischen Prozesse und die Formation von stark adsorbierenden Eisen(III)hydroxidoberflächen ('Iron curtain') in sandigen Strandgrundwasserleitern und die davon abhängigen Stoffausträge in das Meer haben.

Mischungsprozesse in dicht geschichteten Seen und ihre oekologische Relevanz

Mischung in dicht geschichteten Seen umfasst die folgenden Fragestellungen: Turbulenz in der Oberflaechendeckschicht (Wind-induzierte Turbulenz und konvektive Turbulenz); turbulente Diffusion als Funktion der Aktivitaet interner Wellen; Randmischung und Bodenreibung; horizontale Diffusion im offenen Wasser; Dichtestroemungen; geochemische Stofffluesse als Funktion der Mischungsprozesse; die Rolle der Biologie fuer chemische Dichtestabilisierung; Naehrstofffluesse in Seen.

Teilprojekt 5, Teilprojekt 1

Für die zentrale Wasserversorgungsinfrastruktur in der Zukunft sind Veränderungen durch den klimatischen und demographischen Wandel zu berücksichtigen. Insbesondere ein Anstieg des Meeresspiegels mit einem daraus resultierenden Vordringen von Salzwasser in die Aquifere der Küste, eine veränderte Wasserführung der Flüsse und eine veränderte Niederschlagsverteilung sind mögliche Auswirkungen. Primäre Aufgabe des Teilprojektes GRS ist es, mit Hilfe der Strömungs- und Transportprogramme d3f und r3t für die Regionen, in denen die Problematik einer drohenden Versalzung der Grundwasserleiter eine Rolle spielt, dreidimensionale Grundwassermodelle unter Berücksichtigung des Dichteeinflusses zu entwickeln und, wenn notwendig, auf dieser Basis auch Schadstofftransporte zu modellieren. Das Teilvorhaben 'Grundwasser' liefert damit eine wesentliche Grundlage für die Analyse der möglichen Auswirkungen und Konsequenzen. Arbeitsplanung: Neben der Modellierung der dichtebeeinflussten Strömungen ist das Teilvorhaben am Diskussionsprozess der lokalen Akteure zur Szenarienentwicklung beteiligt. Auf der Basis der Diskussion über die Szenarien und den Ergebnissen der Konsequenzenanalyse wird ein Planungsinstrumentarium erstellt. Aufbauend auf dessen Ergebnissen werden dann wiederum gemeinsam mit den Partnern Anpassungsstrategien für die Wasserversorger entwickelt. Die GRS vertritt in diesem Prozess die Ergebnisse aus dem dichtebeeinflussten Grundwassermodell.

Baggergut: Simulation morphodynamischer Vorgaenge unter dem Einfluss von Dichteeffekten am Beispiel der Einbringung von Baggergut

Bei der Verklappung von Baggergut im Kuestenbereich treten dichtbedingte Stroemungen im Wasserkoerper auf. Diese ueberlagern sich mit den natuerlichen Stroemungsverhaeltnissen. An der Sohle tritt das Baggergut mit dem dort vorhandenen Sohlmaterial in Wechselwirkung, wird ueber eine gewisse Strecke transportiert und ggf. in die Sohle eingemischt. Der Verbleib des Baggergutes kann mit numerischen Modellen, die diese Effekte beruecksichtigen, simuliert werden. In diesem Projekt soll ein vorhandenes Modell, das bereits erfolgreich fuer die Simulation des Verbleibs von Baggergut eingesetzt wurde, um die Beruecksichtigung der dreidimensionalen Dichtestroemungen erweitert werden. Vorhandene Messdaten aus der Elbe werden genutzt, um die Dichtestroemungseffekte im Nahbereich einer Verklappungsstelle zu erfassen. Dann treten die salzgehaltsbedingten Dichteffekte hinzu, indem eine Probeverklappung in der Aussenweser mit den derzeit besten Messmethoden verfolgt wird. Die Messungen fliessen in die Entwicklung und Testung des numerischen Modelles ein. Der Einsatz dieses Modelles ermoeglicht ein verbessertes umweltvertraeglicheres Management von Baggergutverbringung.

Emmy Noether-Nachwuchsgruppen, Three-dimensional analysis of coupled thermohaline flow and reactive transport in fractured geothermal reservoirs

Studying coupled 3D thermohaline flow and reactive transport in fractured materials is important in the context of estimating lifetime and efficiency of geothermal reservoirs. Thermal energy extraction with the common Hot Dry Rock method will lead to steep gradients of water temperature, water density and presumably solute concentration. As a result, chemical reactions (precipitation/dissolution) and a modification of the flow regime due to coupled thermal-solutal ('thermohaline') flow is expected to occur in the 3D fractured reservoir. To date, a number of coupled geoprocesses in the 3D subsurface have not yet been investigated. These include, amongst others, thermohaline flow in fractured rock, 3D variable-density flow in fractured rock, and the effect of reactive transport on geothermal reservoir efficiency. In particular, this project will focus on (i) the study of viscosity-effects on variable-density flow in porous and fractured-porous reservoirs, (ii) the impact of chemical reactions on geothermal reservoir efficiency, (iii) the study of variable-density flow in 3D fractured reservoirs, (iv) thermohaline ('double-diffusive') convection in fractured geothermal reservoirs, (v) the transient analysis of thermohaline flow in porous media, and (vi) the efficient representation of complex 3D fracture networks in a finite-element mesh of variable topography and inclined hydrogeological units. The goal of this project is to provide adapted and efficient modelling tools to theoretically examine coupled processes. Numerical models are useful tools because systems of high complexity can be studied, which is difficult and sometimes impossible in field or laboratory experiments. The results of this project will (i) yield fundamental knowledge on the above mentioned coupled geoprocesses in 3D fractured rock as well as their interaction, (ii) assist in the identification of important processes relevant for the long-term operation of georeservoirs, (iii) help to identify the relevant parameters, (iv) provide adapted tools for the long-term prediction of reservoir productivity and efficiency, and (v) help to estimate the relative importance of individual coupled processes.

Weiterentwicklung der Rechenprogramme d3f und r3t, E-DuR

In der Zeit von 1994 bis 2003 wurden die beiden Rechenprogramme d3f (distributed density-driven flow) und r3t (radionuclides, reaction, retardation, and transport) zur Modellierung von Dichteströmungen aufgrund von Versalzungen bzw. von Radionuklidtransporten unter der Federführung der GRS entwickelt. Jetzt sollen die Programme um die Möglichkeiten Klüfte explizit zu modellieren, den Wärmetransport bei Dichteströmungen zu berücksichtigen und freie Grundwasseroberflächen und Potentialströmungen zu betrachten, erweitert werden. Die Aufgaben werden innerhalb eines Verbundprojektes bearbeitet. Dabei hat die GRS die Verantwortung für AP 1 Leitung des Vorhabens. AP 2 Entwicklung einer Benutzeroberfläche. AP 3 Testrechnungen sowie AP 4 Abschlussbericht, mit Fortschreibung der Anwenderhandbücher und der Testfallsammlung. Das AP 7 Kluftmodellierung wird als FuE-Auftrag durch das Steinbeis-Forschungszentrum bearbeitet. Aufgrund der Erfahrungen aller Projektteilnehmer sind die Erfolgsaussichten gut.

Modellierung der Salz-Süßwasser-Grenzfläche im Grundwasser und des Transportes wassergelöster Inhaltsstoffe am Beispiel des Wasserwerks Hamburg-Curslack

Zielsetzung des Projektes ist es, die langfristige Verlagerung der Salz-Süßwasser-Grenzfläche im Einflußbereich von Grundwasserentnahmen zu prognostizieren. Erforderlich hierfür sind insbesondere die Evaluierung bestehender numerischer Salz-Süßwassermodelle Beispielhafte Anwendung auf das Untersuchungsgebiet Hamburg-Curslack Weiterentwicklung der Rechnerprogramme (Datenaufbereitung und Visualisierung) Untersuchungen zum Strömungsverhalten von Grundwasser, welches von Salzstöcken im Untergrund beeinflußt wird, erfordern die Berücksichtigung der vom Salzgehalt abhängigen Wasserdichte. Schon bei Dichteunterschieden von wenigen Promille wird die Strömung durch dichteinduzierte Bewegungen beeinflußt. Die Dichteströmung zeigt neue Phänomene, wie z.B. Instabilität bei Überschichtung von Süßwasser mit Salzwasser, was zu Finger- und Walzenbildung führt, sowie Upconing, dem Salzwasseraufstieg aus der Tiefe bei Entnahme in darüber gelegenen Süßwasserschichten. Bei der mathematischen Beschreibung der Salz-Süßwasser-Grenzfläche kann die übliche Piezometerhöhe nicht mehr angewendet werden, sondern es wird mit einem dichteabhängigen Potential gerechnet. Der antreibende Druck-gradiententerm im DARCY-Gesetz wird durch einen weiteren Term ergänzt, der vom Dichtegradienten abhängt. Deshalb ist die numerische Modellierung der Salz-Süßwasser-Grenzfläche nur mit Transportgleichungen möglich, die dichteabhängige Terme enthalten. In diesem Fall kann nicht erst die Strömungsgleichung und dann unabhängig davon die Transportgleichung gelöst werden, sondern es ist ein iteratives Vorgehen notwendig. Die nichtlinearen Terme in den Transportgleichungen bedingen einen extrem hohen Rechenaufwand, der für praktische Aufgabenstellungen in der Regel nur 2D-Modelle ermöglicht. Ein Ansatz besteht darin, zunächst im Untersuchungsgebiet ein 3D-Strömungsmodell zu entwickeln, und dann an geeigneten Positionen vertikale Schnittebenen anzulegen, in denen Rechenläufe mit einem dichteabhängigem 2D-Modell durchgeführt werden. Als 3D-Strömungsmodell hat sich das Programm MODFLOW (MCDONALD, M.G. und HARBAUGH, A.W., 1988) vielfach bewährt. Für MODFLOW existieren mehrere graphische Benutzer-oberflächen, u.a. der Pre- und Postprozessor Argus ONE. Dieses Programm ist als GIS konzipiert und erlaubt die Anwendung unterschiedlicher Rechenmodelle als Plug-in. Der Aufbau eines dichteabhängigen Modells erfolgt zunächst in Vertikalschnitten. Hierfür wird das Programm SUTRA (VOSS, C.I., 1984) eingesetzt. Für SUTRA existiert eine grafische Benutzeroberfläche, die als Plug-in innerhalb des Systems Argus ONE eingesetzt werden kann. Im nächsten Schritt soll der Aufbau eines komplexen dichteabhängigen 3D-Strömungsmodells erfolgen. Hierfür sind Programme wie FE-Flow (WASY, 1998) oder das neu entwickelte numerische Modell d3f (GRS, 1998) anwendbar. Als Untersuchungsgebiet wurde der Bereich Hamburg-Curslack ausgewählt. Für dieses Gebiet liegen umfangreiche geologische und hydrochemische Daten vor. ...

Physikalische und numerische Simulation der variablen Dichtestroemung im poroesen Medium

In dieser Arbeit sollen Dichte - Effekte auf den Stofftransport durch physikalische Modelle und numerische Simulation im Detail untersucht werden. Ziel der Arbeit ist die Pruefung, inwieweit die Dispersionsgleichung geeignet ist, zur Beschreibung der Verdraengung mischbarer Fluessigkeiten mit unterschiedlicher Dichte im poroesen Medium. Auf der Basis detaillierter Kenntnisse der hydraulischen Eigenschaften des poroesen Mediums werden Messeinrichtungen in einer Saeule (1,5 m Lang, f 19 cm) und einer Rinne (6 m, 2 m, 1,5 m) installiert. Durch hydraulische und geophysikalische Untersuchungsmethode werden die fuer den Stofftransport wesentlichen Parameter (Porositaet, Dichte bzw. Konzentration, Druck, Durchlaessigkeit, Dispersionskoeffizient) bestimmt.

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