Die weiterhin aktuelle Thematik der Deponierung von gefaehrlichen Abfallstoffen erfordert die Moeglichkeit, das von diesen Deponien ausgehende Gefaehrdungspotential abschaetzen zu koennen. Zu diesem Zweck wird seit langem an numerischen Simulationsprogrammen gearbeitet, die helfen sollen, die Wirksamkeit der 'natuerlichen Barriere' einzuschaetzen und ausserdem eine Prognose ueber zukuenftige Zustaende abzugeben. In diesem Zusammenhang stehende Forschungsarbeiten im Felslabor 'Grimsel' durch die Bundesanstalt fuer Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) fuehrten zu dem Wunsch, neben der schon bestehenden Moeglichkeit zur Modellierung von Wasser- und Gasstroemungsprozessen auch mehrphasige Verdraengungsprozesse von Gas-Wasser-Stroemungen numerisch simulieren zu koennen. Das zu diesem Zweck von R. Helmig entwickelte numerische Modell verwendet eine Finite-Elemente-Formulierung mit frei koppelbaren 1D-Roehrenelementen (Fliesskanaele), 2D-Scheibenelementen (Kluefte) und 3D-Kontinuumselementen (Felsmatrix). Die beiden Phasen Luft und Wasser werden als nicht mischbare Fluide behandelt, zwischen denen keine Austauschprozesse stattfinden. Die verschiedenen Elementtypen erlauben es, komplexe Geometrien durch sinnvolle Abstraktion in ein diskretes Modell zu ueberfuehren. Das Fliessverhalten im Modell wird bestimmt durch die gegenseitige Behinderung der fliessenden Phasen (Permeabilitaets-Saettigungs-Beziehung) sowie die angesetzten Kapillarkraefte zwischen den Phasen (Kapillardruck-Saettigungs-Beziehung). Dadurch ist es z.B. moeglich, den Effekt einer Kapillarsperre im numerischen Modell zu erfassen. Die Simulation von Mehrphasenstroemungen und speziell Gas-Wasser-Verdraengungen fuehrt jedoch vielfach auf numerische Schwierigkeiten. Bedingt durch die enormen Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften der betrachteten Fluide und die starke nichtlineare Kopplung der zugrundeliegenden Differentialgleichungen ergibt sich ein raeumlich und zeitlich stark variierendes Systemverhalten. Durch die nichtlineare Kopplung ist es zudem noetig, die Loesung fuer jeden Zeitschritt iterativ zu bestimmen. Die speziell fuer diese Probleme neu eingefuehrte Relaxationssteuerung ermoeglicht jetzt fuer viele derartige Probleme die Loesung oder beschleunigt den Loesungsvorgang. Dadurch wurde es moeglich, Systeme zu rechnen, bei denen die Ausbildung scharfer Saettigungsfronten sonst zur Instabilitaet des numerischen Verfahrens fuehrte. Die ebenfalls entwickelte Zeitschrittsteuerung ermoeglicht das gleitende Anpassen an die veraenderten Systembedingungen waehrend des Rechenlaufs, wodurch der zugelassene Diskretisierungsfehler in Zeitrichtung und damit der Rechenaufwand gesteuert werden kann. Die Zeitschrttweitensteuerung verbessert insbesondere bei Problemen mit starker zeitlicher Variabilitaet, wie sie z.B. bei der Gas-Wasser-Verdraengung auftreten, erheblich die Rechengeschwindigkeit.
Fuer den Einsatz faserverstaerkter Kunststoffe spricht neben der hohen Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht die niedrige und in weiten Grenzen einstellbare thermische Ausdehnung. Besonders hochpraezise Komponenten aus dem Maschinenbau, die nur unter thermisch stabilen Bedingungen eine hohe Arbeitsgenauigkeit gewaehrleisten, koennen durch den Einsatz dieser Werkstoffe vom Einfluss innerer und aeusserer Waermequellen unabhaengig gemacht werden. Kompensatorische Massnahmen oder auch der Einsatz in klimatisierten Raeumen werden ueberfluessig. Genauso wie das mechanische Verhalten von Faserverbundkunststoffen durch den Laminataufbau 'konstruiert' werden kann, lassen sich die fuer Kohlenstoff und Aramidfasern charakteristischen negativen Waermeausdehnungskoeffizienten nutzen, um einen Verbundwerkstoff mit dem gewuenschten thermischen Ausdehnungsverhalten zu entwickeln. Im beantragten Zeitraum sollen Strukturoptimierungsverfahren zur Minimierung thermoelastischer Verformungen, Spannungen und Dehnungen unter Beruecksichtigung der Versagensmechanismen in komplexen Bauteilen aus faserverstaerkten Kunststoffen entwickelt und programmtechnisch umgesetzt werden. Variablen der Optimierung sind sowohl die Faserorientierungswinkel der einzelnen Laminatschichten als auch deren Schichtdicken. Das Verformungsverhalten unter statischer Last wird als weiteres wichtiges Kriterium beruecksichtigt.
Im Bereich des Rheinischen Braunkohlereviers werden die Grundwasservorraete durch die Suempfungsmassnahmen des Bergbaus erheblich ueberbeansprucht. Weiterreichende Absenkungen mit Gefahren fuer die Umwelt und fuer die Wasserwirtschaft sind die Folge. Im Rahmen der Planung zukuenftiger Braunkohlentagebaue sowie der damit verbundenen Grundwasserbewirtschaftungsmassnahmen wurde ein mathematisch-numerisches Grundwassermodell fuer die Rurscholle erstellt. Neben dem Grundfall, der die Bewirtschaftung gemaess heutiger Planung beschreibt, wurden alternative Massnahmen zur Grundwasserschonung untersucht: Verzicht auf einen Teil des Tagebaus zur zeitlichen Begrenzung der Eingriffe, Ersatz von Wasserrechten durch Suempfungswasser, Bau von Schmalwaenden zum Schutz der Flussauen, Wiederanreicherung der Sickergalerien. Die Simulationsergebnisse zeigen anschaulich die Wirkungsweise und die Auswirkungen der untersuchten Massnahmen. Darueber hinaus bilden sie eine Grundlage fuer deren Weiterentwicklung und sinnvolle Kombination im Hinblick auf eine optimale Bewirtschaftung des intensiv genutzten Grundwasserreservoirs der Rurscholle. Im Rahmen einer zweiten Aktualisierungsrechnung wurde das Modell neu kalibriert. Weiterhin wurden 6 verschiedene Bewirtschaftungsmassnahmen simuliert. Ua wurde der Einfluss der Wasserwerke, Leakage-Randbedingungen, Tagebaukippe und Restsee untersucht.
Als Grundlage einer DIBt-Bauartzulassung wurden Spannungs- und Verformungsanalysen sowie Strukturoptimierungen doppelwandiger PE-HD-Lagerbehaelter mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode durchgefuehrt. Besonderes Augenmerk galt dabei dem Verformungsverhalten der doppelwandigen Struktur sowie dem Anschlussbereich Boden-Zyklidermantel. Darueber hinaus wurde die Rissschaedigung der inneren Mantelstruktur simuliert. In begleitenden experimentellen Untersuchungen wurde das Zwischenmaterial werkstoffmechanisch charakterisiert.
Die steigende Installation von Windkraftanlagen fördert den Bedarf von Großverzahnungen. Die Herstellung dieser wird heutzutage unter den Bedingungen des Wälzfräsens mit Kühlschmierstoff (Emulsion bzw. Öl) realisiert. Durch die Kooperation zweier Institute, des IFQ und des IWF, soll ein Simulationsmodell entworfen werden, welches die thermisch bedingten geometrischen Abweichungen auf Basis der Werkstückgeometrie berechnet. Die dadurch bekannte geometrische Abweichung (Verzug) zur Sollgeometrie kann im Bearbeitungsprozess berücksichtigt und somit kompensiert werden. Hierdurch ließ sich einerseits die Umwelt schonen sowie die Arbeitsumgebung des Werkers deutlich verbessern. Andererseits ergeben sich daraus aber ebenfalls ökonomische Vorteile durch Einsparung von Kühlschmierstoff, Schmierstoffaufbereitung und periphere Aggregate.
Umweltbelastungen durch NH3 werden zu einem hohen Prozentsatz Emissionen aus der Tierhaltung zugeschrieben. Waehrend zur NH3-Emission in Fluessigmiststaellen vielfaeltige Erkenntnisse vorliegen, ist das Emissionsgeschehen bei Festmist weitgehend ungeklaert. Es ist jedoch dringend notwendig, Massnahmen der Emissionsminderung zu entwickeln, weil es bereits viele eingestreute Staelle gibt und diese zukuenftig in bestimmten Regionen an Bedeutung gewinnen. Ziel des beabsichtigten Forschungsvorhabens ist es, die NH3-Freisetzung aus Festmist durch Bildung eines Systemmodells mit Hilfe der Finite-Element-Methode zu untersuchen. Zur Entwicklung des Modells kann von bereits vorliegenden Rechenmodellen fuer die NH3-Freisetzung aus Fluessigmist ausgegangen werden. Diese sind fuer die strukturellen Gegebenheiten in einem Festmisthaufen weiterzuentwickeln. Die Bestimmung von Rechenwerten und die Ueberpruefung des Systemmodells erfolgen mit Ergebnissen aus Waermestrom- und Emissionsmessungen, die aus anderen Forschungsvorhaben vorliegen. Die durch Modellsimulation ermittelten wesentlichen Systemgroessen (Einflussgroessen, Prozessparameter) fuehren zu Ueberlegungen, wie durch verfahrenstechnische Massnahmen eine Verringerung der NH3-Emission zu erreichen ist.
Fuer die Bewertung der Sicherheit und Verfuegbarkeit von Kernkraftwerken sind moderne numerische Berechnungverfahren (FEM) erforderlich, um die Beanspruchungen und das Versagensverhalten komplizierter Bauteilgeometrien unter komplexen thermomechanischen Belastungen mit realistischen Werkstoffmodellen analysieren zu koennen. Kommerzielle FEM-Systeme werden gerade den besonderen Anforderungen der Bruchmechanik und Schaedigungsmechanik nach neuestem wissenschaftlichen Stand nicht gerecht, so dass weiterhin Eigenentwicklungen der Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Eigenentwicklungen notwendig bleiben. Im Rahmen zweier eng verknuepfter Vorhaben des ISD Stuttgart und des IWM-Freiburg soll das FEM-System PSU erweitert und ertuechtigt werden, um ein leistungsfaehiges Analysewerkzeug fuer die speziellen sicherheitstechnischen Belange in der Kraftwerkstechnik durch Einbeziehung moderner werkstoffmechanischer Konzepte zu schaffen. Das IWM Freiburg uebernimmt dabei die Implementierung bruch- und schaedigungsmechanischer Optionen. Als Ergebnis soll dieses in Quellcode verfuegbare, sehr gut fuer Weiterentwicklungen geeignete und kommerziell unabhaengige FEM-System den Forschungseinrichtungen, Kraftwerksbetreibern und Aufsichtsbehoerden in Deutschland zur Verfuegung gestellt werden.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines permanentmagnetischen Lautsprechers. Das Magnetsystem besteht aus einem radial magnetisierten Neodymring als Polplatte. Dadurch wird ein geringes Streufeld realisiert, wobei auf die ueblichen Abschirmmassnahmen verzichtet werden kann. Ebenso laesst sich ein hoeherer Wirkungsgrad erzielen. FEM kommt hierfuer ebenso zum Einsatz, wie fuer eine optimale Auslegung des Schwingsystems sowie der Abstimmung des Lautsprechers im Gehaeuse. Die Magnetisierung am Band muss fuer Radialmagnete neu entwickelt werden. Beim Schwingsystem sollen chlor-und loesungsmittelfreie Klebstoffe, phenolharzfreie Zentriermembranen, sowie evtl. biologisch abbaubare Membranen zum Einsatz kommen. Neben den Klebeverbindungen ist die Verbindungstechnik so zu gestalten, dass ein leichtes Trennen der einzelnen Komponenten ermoeglicht wird. Das Magnetsystem soll wiederverwendet, der Korb wiederverwendet und das Schwingsystem entsorgt werden.
Im Rahmen dieses Vorhabens werden Methoden und Verfahren zur belastungsgerechten Auslegung von Bauteilen entwickelt und softwaretechnisch realisiert. Diese Verfahren bauen auf die Methode der finiten Elemente sowie leistungsfaehigen Optimierungsalgorithmen auf. Ziel der Berechungen ist die Minimierung des Bauteilgewichtes unter Einhaltung von Nebenbedingungen bezueglich der maximal zulaessigen Bauteilverformungen und -spannungen. Dieses Ziel wird durch eine Aenderung der Bauteilgestalt angestrebt. Durch die Optimierung werden bei der Herstellung Ressourcen und - bei bewegten Bauteilen - im spaeteren Betrieb Energien eingespart. Die Einsparungspotentiale werden in einem anderen Teilprojekt dieses SFB quantifiziert.
In hydraulischen Berechnungen von Flusslaeufen oder im Kanalnetz wird meist auf eine eindimensionale Betrachtungsweise zurueckgegriffen. Oft stellen sich aber Probleme, bei denen der mehrdimensionale Charakter einer Stroemung von entscheidender Bedeutung ist. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, unter Ausnutzung der Besonderheiten von Stroemungen mit freier Oberflaeche eine Berechnungsmethode aufzuzeigen, mit der praxisrelevante Probleme mit vernuenftigem Rechenaufwand zu loesen sind. So koennen beispielsweise mit Hilfe mehrdimensionaler Berechnungen die Genauigkeit erhoeht, der Wirkungsgrad von Wasserkraftanlagen durch eine Optimierung der Zu- und Ablaufbedingungen verbessert, Wechselwirkungen zwischen Bauwerken und Stroemung bestimmt oder das Gefaehrdungspotential von Hochwasserereignissen in Fluss-Vorlandsystemen besser beurteilt werden. Das betrachtete Stroemungsgebiet wird mit raeumlichen finiten Elementen diskretisiert. Zur Beschreibung des Fliessvorganges kommen die Navier-Stokes-Gleichungen ergaenzt durch ein Turbulenzmodell zur Anwendung. Im Gegensatz zur Beschreibung von Stroemungen mit den Flachwassergleichungen kann so auf die Annahme einer hydrostatischen Druckverteilung verzichtet werden.
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