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.
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.
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.
Mit dem Forschungsvorhaben wird angestrebt, geeignete Methoden zur automatischen Kalibrierung von komplexen numerischen Grundwasserstroemungsmodellen fuer relativ geringmaechtige Aquifere mit freier Oberflaeche zu entwickeln. Die instationaere Stroemung in den grossraeumigen Untersuchungsgebieten wird horizontal-eben unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode simuliert, wobei die Abhaengigkeit der Standrohrspiegelhoehe von der gesaettigten Maechtigkeit iterativ beruecksichtigt wird. Als Eingangsgroessen fuer die Parameteridentifizierung werden punktuelle instationaere Grundwasserstandsmessungen sowie Mess- und Schaetzwerte fuer die Parameter selbst als Vorabinformation verwendet. Dabei werden die unterschiedlichen Aquiferparameter ueber Teilbereiche des gesamten Modellgebietes als konstant angesetzt. Durch Formulierung des inversen Problems als Maximum-Likelihood-Schaetzaufgabe ist es moeglich, nicht nur die Parameter zu schaetzen, sondern auch die mit diesen Schaetzern verbundene Unsicherheit zu quantifizieren. Zur Loesung des nichtlinearen Optimierungsproblems wird das Gauss-Newton-Verfahren verwendet.
The goal of this research project is to improve the understanding of of the physical processes which lead to avalanche formation and thereby improve avalanche forecasting. Leading Questions: - To understand the mechanics of avalanche formation; - Study the influence of meteorological variations on the stability of the snow pack; - Study the heat exchanges on the top surface, melting and now melt water infiltrates the snow pack and influences stability; - Plan and optimise supporting structures which prevent avalanche release; - Study the influence of stratification on the stability of the snow pack. Abstract: Avalanches occur when the snow pack becomes unstable due to changes in meteorological conditions such as intense new snowfall. The goal of this project is to improve the understanding of the mechanics of avalanche formation by using modern computer simulation methods. A two-dimensional finite element program capable of simulating the creeping deformation, temperature distribution and water transport in the alpine snow pack will be developed. The computer program will implement a novel finite element refinement technique in order to simulate thin weak layers which are believed to be responsible for avalanche formation. New numerical procedures to treat temperature dependent creep, heat transfer with phase change and unsaturated melt water transport will be developed. Model results will be validated by field observations and laboratory experiments.
Reifengeraeusche sind zu einem grossen Teil an der gesamten Geraeuschabstrahlung von Fahrzeugen beteiligt. Ziel dieses Projektes ist, durch numerische Simulation, Einflussparameter auf das Schwingungsverhaften von Reifen zu verifizieren. Im Vordergrund steht die Modellbildung zur Erfassung des Reifenaufbaus und der Reifenmaterialien. Vergleich mit Versuchsdaten wurden bereits durchgefuehrt, bzw. sind geplant.
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.
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.
Mit der rasanten Entwicklung immer leistungsfaehiger werdender Rechenanlagen sind mathematische Modelle in den letzten Jahren wesentlich flexibler, kostenguenstiger und genauer geworden. Im Bereich der Hydromechanik ist inzwischen die tiefengemittelte zweidimensionale Finite-Elemente-Methode(FE-Methode) zum Stand der Technik in der numerischen Simulation von Stroemungsvorgaengen in Fliessgewaessern geworden. Aber die FE-Methode hat mindestens zwei Nachteile. Zum einen ist die Generierung eines FE-Netzes fuer ein natuerliche Gewaesser umfassendes Untersuchungsgebiet eine zeitaufwendige, kostenintensive und muehsame Aufgabe. Zum zweiten sind die Ableitungen der FE-Naeherungsloesung zwar in den Elementen stetig, nicht jedoch an den Elementraendern. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll eine neuartige numerische Methode, die als Knoten-Approximations-Methode (KA-Methode) bezeichnet wird, entwickelt werden. Bei dieser Methode wird das Untersuchungsgebiet nur in den Knoten diskretisiert. Sie beinhaltet die Vorteile der FE-Methode unter Vermeidung deren Nachteile. Da die KA-Methode keine Elemente benoetigt, wird die erforderliche manuelle Arbeit fuer die Datenaufbereitung stark reduziert. Ausserdem koennen viele von Finiten Elementen verursachte Probleme wie z.B. Elementverzerrung vermieden werden. Ebenfalls entfaellt das Problem, dass die Ableitungen der Naeherungsloesung an den Elementraendern nicht stetig sind.
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.
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