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Implementierung numerischer Verfahren für flussbauliche Fragestellungen in der Entwicklungsumgebung DUNE

Ziel des FuE-Vorhabens ist es, aktuelle und in der Wissenschaft etablierte hydro- und morphodynamische numerische Methoden und Ansätze für die Bearbeitung flussbaulicher Projekte verfügbar zu machen. Aufgabenstellung und Ziel Hydro- und morphodynamische numerische Modelle sind wichtige Werkzeuge bei der Bearbeitung flussbaulicher Projekte der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). In den letzten Jahren sind die Komplexität der Fragestellungen und die Anforderungen an die Genauigkeit und Belastbarkeit der Modellergebnisse stetig gestiegen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine kontinuierliche Weiterentwicklung der eingesetzten numerischen Simulationssoftware notwendig. Ziel dieses FuEVorhabens ist es deshalb, aktuelle, in der Wissenschaft etablierte hydro- und morphodynamische numerische Methoden für die Bearbeitung flussbaulicher Projekte verfügbar zu machen. Der Schwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung schneller numerischer Methoden für die Langfristsimulation von Geschiebetransport im Bereich der Binnenschifffahrtsstraßen. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Durch Weiterentwicklung und Anwendung moderner numerischer Methoden wird die fachliche Unterstützung der WSV im Bereich der flussbaulichen Projekte verbessert, um auch in Zukunft eine Beratung auf dem Stand der Wissenschaft und Technik gewährleisten zu können. Untersuchungsmethoden Dieses Forschungsvorhaben verwendet die modulare Open-Source-Entwicklungsumgebung DUNE. Diese wurde bereits im FuE-Vorhaben „Langfristsimulation in Fließgewässern“ eingesetzt, um ein eigenes BAW-Modul (DUNESWF) für die zweidimensionale hydronumerische Simulation zu entwickeln. Das Akronym SWF steht für shallow water flow. Aufgrund der vielfältigen Funktionalitäten, die in dieser Entwicklungsumgebung bereitgestellt werden (z. B. MPI-Parallelisierung und Diskretisierungsverfahren), und ihrer modernen Softwarearchitektur eignet sie sich hervorragend, um darauf aufbauend moderne und robuste numerische Verfahren zu implementieren. Das bestehende Modul wird im Rahmen dieses Forschungsvorhabens in das ebenfalls auf DUNE basierende Open-Source-Softwareprojekt DuMux (dumux.org) integriert und um den Geschiebetransport ergänzt, sodass abschließend ein Verfahren zur Verfügung steht, das gezielt auf die Belange der BAW im Bereich der Binnenschifffahrtsstraßen zugeschnitten ist. Durch den fachlichen Austausch mit der Entwicklergemeinde von DUNE und der Zusammenarbeit mit dem Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart im Rahmen von DuMux hat dieses Projekt Partner, deren Forschungsschwerpunkte und Kompetenzen (Numerik, Softwareentwicklung) die anwendungsorientierten Ziele der BAW sehr gut ergänzen. In einem ersten Schritt wird untersucht, inwieweit DUNE-SWF den Praxisanforderungen der BAW gerecht wird. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse bilden eine wichtige Grundlage für die Weiterentwicklung des Verfahrens innerhalb von DuMux . Den zweiten Schritt bildet die Implementierung des Geschiebetransports. Der Fokus liegt dabei stets auf einer stabilen und leistungsfähigen Numerik, mit der auch lange Zeiträume in akzeptabler Rechenzeit simuliert werden können. Aus diesem Grund wird eine implizite Zeitdiskretisierung verwendet, die es erlaubt, mit deutlich größeren Zeitschritten als im expliziten Fall zu rechnen. Den Abschluss des Projekts bilden eine Validierung der Geschiebetransportsimulation anhand von Testfällen aus der Wissenschaft und die Überprüfung der Eignung an typischen flussbaulichen Anwendungen.

VALERIE, Werkzeuge zur Lärmoptimierung kleiner Luftfahrzeuge

WTZ China: BIOCOMP - Klimaanpassungsstrategien zum Schutz der Biodiversität im Korallenökosystem vor zukünftigen Risiken von Compound Ereignissen in der Dongshan Bay, Fujian

Mechanisch-chemisches Verfahren zum Recyceln von Polyurethanen mit hohen Umsetzungsgeschwindigkeiten bei niedrigen Temperaturen, Teilprojekt: Entwicklung der Förder- und Zuführtechnik zum Reaktor und mathematische Prozessmodellierung

Passierbarkeit von Schlitzpässen unterschiedlicher Geometrie und Hydraulik

Veranlassung Die Schlitzpassbauweise ist potenziell an vielen der über 200 geplanten FAA an den Bundeswasserstraßen einsetzbar. Allerdings braucht es klare Bemessungsvorgaben, um die ökologische Funktionalität zu gewährleisten. Doch es gibt Unsicherheiten zur Passierbarkeit bei unterschiedlichen hydraulischen und geometrischen Bedingungen. Wie wirken sich unterschiedliche Strömungsmuster auf die Passierbarkeit aus? Wie beeinflussen Wendebecken den Fischaufstieg? Wie werden Strömungsschwankungen verursacht und beeinflussen sie die Fische? Diese Fragen werden von der BfG anhand markierter Fische (HDX-Telemetrie) und Beobachtungen (Imaging-Sonar) an Pilotanlagen sowie an der ethohydraulischen Rinne untersucht. Die BAW nutzt gegenständliche und numerische Modelle, um die Schlitzpass-Hydraulik besser zu verstehen und liefert damit zentrale Grundlagen für die Bemessung und fischökologische Bewertung. An der Pilotanlage Eddersheim wird eine ‘Doppelstranganlage’ geplant, in der mit Fischversuchen parallel verschiedene Schlitzpass-Varianten gegeneinander getestet werden (siehe ‘FuE-Rahmenkonzept: Ökologische Durchgängigkeit’, Kapitel 4.1.2). Ziele - Hydraulik verschiedener Schlitzpass-Ausprägungen analysieren (BAW) - Fischpassierbarkeit verschiedener Schlitzpass-Geometrien ermitteln - Passierbarkeit von Wendebecken analysieren - Auswirkung der FAA-Länge und wechselnder Unterwasserstände untersuchen Die Ergebnisse gehen als BfG/BAW-Fachempfehlung des WSV-Handbuchs ‘Ökologische Durchgängigkeit’ direkt in die konkrete WSV-Planung ein. Fischaufstiegsanlagen in Schlitzpass-Bauweise lassen sich planerisch gut bemessen und platzsparend bauen. Sie werden aus diesem Grund häufig errichtet, und es liegen viele wissenschaftliche Erkenntnisse zu diesem Bautyp vor. Trotzdem gibt es komplexe hydraulische Phänomene, deren Ursache und Auswirkung auf die Passierbarkeit unbekannt sind. Wie effizient passieren Fische unterschiedlicher Arten und Größen diese unterschiedlichen hydraulische Bedingungen? Welche fischökologischen Anforderungen müssen an die hydraulische Bemessung gestellt werden, um ökologisch ausreichend funktional zu sein? Schlitzpässe sind die am häufigsten gebauten Fischaufstiegsanlagen (FAA). Trotz Planungsvorgaben gibt es aber noch Fragen zur Passierbarkeit unter verschiedenen hydraulischen und geometrischen Bedingungen.

Strömungsmuster im Unterwasser von Wasserkraftanlagen - Untersuchungen am Turbinenversuchsstand zur Verbesserung der Auffindbarkeit von Fischaufstiegsanlagen

Fischaufstiegsanlagen können nur dann richtig funktionieren, wenn die Tiere den Einstieg schnell und leicht finden. Dieser befindet sich in der Regel direkt am Wanderhindernis, möglichst nah an der Hauptströmung. An Bundeswasserstraßen ist sein Standort häufig neben der Wasserkraftanlage, auf Höhe des Saugschlauchendes (Bild 1). So sollen Sackgassen für aufwärts wandernde Fische vermieden werden. Die sogenannte Leitströmung soll dem Fisch dabei den Weg zum Einstieg weisen; sie wird meist durch Zugabe eines zusätzlichen Abflusses im unteren Bereich der Fischaufstiegsanlage erzeugt. Da durch die räumliche Nähe Wechselwirkungen zwischen der Hydraulik von Kraftwerksabströmung und Leitströmung unvermeidlich sind, ist es für die Dimensionierung des Einstiegs der Fischaufstiegsanlage wichtig, die Charakteristik der Strömung im Unterwasser der Wasserkraftanlage zu kennen. Vor diesem Hintergrund entstand das BAW-Forschungsprojekt 'Strömungsuntersuchungen an Niederdruckwasserkraftanlagen'. Dessen Ziel ist es, Aufschlüsse über Strömungsmuster im Unterwasser von Wasserkraftanlagen zu erhalten - abhängig von verschiedenen Turbinenparametern und hydraulischen Randbedingungen. Die Erkenntnisse sollen zum einen helfen, die Dimensionierung des Einstiegsbereichs von Fischaufstiegsanlagen hinsichtlich geometrischer Gestalt und Leitströmung zu verbessern. Zum anderen sollen die Messdaten zur Weiterentwicklung numerischer Modelle genutzt werden. Das Projekt gliedert sich in eine Vorstudie, Messungen am Turbinenversuchsstand des Dieter-Thoma-Labors an der TU München, numerische Modellierungen sowie Naturmessungen.

Development of a modelling system for prediction and regulation of livestock waste pollution in the humid tropics

Introduction: In Malaysia, excessive nutrients from livestock waste management systems are currently released to the environment. Particularly, large amounts of manure from intensive pig production areas are being excreted daily and are not being fully utilised. Alternatively, the excess manure can be applied as an organic fertiliser source in neighbouring cropping systems on the small landholdings of the pig farms to improve soil fertility so that its nutrients will be available for crop uptake instead of being discharged into water streams. Thus, there is a need for better tools to analyse the present situation, to evaluate and monitor alternative livestock production systems and manure management scenarios, and to support farmers in the proper management of manure and fertiliser application. Such tools are essential to quantify, and assess nutrient fluxes, manure quality and content, manure storage and application rate to the land as well as its environmental effects. Several computer models of animal waste management systems to assist producers and authorities are now available. However, it is felt that more development is needed to adopt such models to the humid tropics and conditions of Malaysia and other developing countries in the region. Objectives: The aim is to develop a novel model to evaluate nutrient emission scenarios and the impact of livestock waste at the landscape or regional level in humid tropics. The study will link and improve existing models to evaluate emission of N to the atmosphere, and leaching of nutrients to groundwater and surface water. The simulation outputs of the models will be integrated with a GIS spatial analysis to model the distribution of nutrient emission, leaching and appropriate manure application on neighbouring crop lands and as an information and decision support tool for the relevant users.

Dynamik, Variabilität und bioklimatische Effekte von niedrigen Wolken im westlichen Zentralafrika

Niedrige Wolken sind Schlüsselbestandteile vieler Klimazonen, aber in numerischen Modellen oft nicht gut dargestellt und schwer zu beobachten. Kürzlich wurde gezeigt, dass sich während der Haupttrockensaison im Juni und September im westlichen Zentralafrika eine ausgedehnte niedrige Wolkenbedeckung (engl. „low cloud cover“, LCC) entwickelt. Eine derart wolkige Haupttrockenzeit ist in den feuchten Tropen einzigartig und erklärt wahrscheinlich die dichtesten immergrünen Wälder in der Region. Da paläoklimatische Studien auf eine Instabilität hinweisen, kann jede Verringerung des LCC aufgrund des Klimawandels einen Kipppunkt für die Waldbedeckung darstellen. Daher besteht ein dringender Bedarf, das Auftreten, die Variabilität und die bioklimatischen Auswirkungen des LCC in westlichen Zentralafrika besser zu verstehen.Um diese Ziele zu erreichen, wurde ein Konsortium aus französischen, deutschen und gabunischen Partnern aufgebaut, zu dem Meteorologen, Klimatologen und Experten für Fernerkundung und Waldökologie gehören. Die meteorologischen Prozesse, welche die Bildung und Auflösung der LCC im Tagesgang steuern, werden anhand von zwei Ozean-Land-Transekten auf der Grundlage einer synergistischen Analyse von historischen In-situ Beobachtungen, von Daten einer Feldkampagne und anhand von atmosphärischen Modellsimulationen untersucht. Die Ergebnisse werden mit einem kürzlich entwickelten konzeptionellen Modell für LCC im südlichen Westafrika verglichen.Die intrasaisonale bis interannuale Variabilität des LCC wird durch die Analyse von In-Situ-Langzeitdaten und Satellitenschätzungen quantifiziert. Unterschiede im Jahresgang des LCC (d.h. jahreszeitlicher Beginn und Rückzug, wolkenarme Tage) und die Ausdehnung ins Inland werden dokumentiert. Ansätze, die auf Wettertypen und äquatorialen Wellen basieren, werden verwendet, um intrasaisonale Variationen des LCC zu verstehen. Die Auswirkungen lokaler und regionaler Meeresoberflächentemperaturen auf die LCC-Entwicklung und ihre Jahr-zu-Jahr Variabilität werden bewertet, wobei statistische Analysen und spezielle Sensitivitätsversuche mit einem regionalen Klimamodell verknüpft werden.Schließlich wird der Einfluss von LCC auf die Licht- und Wasserverfügbarkeit bzw. die Waldfunktion anhand von In-Situ-Messungen untersucht. Die Ergebnisse werden mit Messungen aus der nördlichen Republik Kongo, wo die Trockenzeit sonnig ist, sowie mit einem einfachen Wasserhaushaltsmodells, das an die Region angepasst ist, verglichen. Die Wasserhaushaltsanalysen sollen die Kompensations- oder Verstärkungseffekte von Regen im Vergleich zur potenziellen Evapotranspiration, beide moduliert durch die LCC, auf das Wasserdefizit aufzeigen.Die Ergebnisse von DYVALOCCA werden zum ersten konzeptionellen Modell für Wolkenbildung und -auflösung im westlichen Zentralafrika führen und eine Hilfestellung für die Bewertung von Klimawandel-Simulationen mit Blick auf potentielle Kipppunkte für die immergrünen Regenwälder in der Region geben.

Modellierung von Innovativen Micro Modular Reactors mit Kalium Heat Pipes mit der nuklearen Rechenkette der GRS

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Küstenfernes Süßwasser: 3D numerische Simulationen von Grundwasserströmung am New Jersey Shelf

Ziel dieser Studie ist die Erforschung der Grundwasserbewegung im New Jersey Shelf (NJS). Ende der 1970er Jahre wurde Grundwasser mit deutlich geringerem Salzgehalt als Meerwasser in zahlreichen Bohrungen entlang der U.S. Ostküste nachgewiesen - teilweise mehr als 100 km vom Festland entfernt. Besonders detaillierte Daten zur Porenwassersalinität wurden im Rahmen von IODP Leg 313 am NJS gewonnen: Sie zeigen abrupte vertikale Salinitätskontraste an allen drei Bohrlokationen. Verschiedene Autoren erklären die Entstehung von küstenfernem Süßwasser im NJS durch rezenten meerwärts gerichteten Grundwasserfluss oder führen sie auf ein erhöhtes hydraulisches Potential während der letzten Eiszeit zurück. Zur Klärung welcher dieser Prozesse zur Entstehung von küstenfernem Süßwasser geführt hat, soll im Rahmen dieser Studie, auf der Basis eines detaillierten 3D hydrogeologischen Modells, die Grundwasserströmung im NJS numerisch simuliert werden. Es werden folgende Arbeitshypothesen aufgestellt: 1. Küstenfernes Süßwasser im NJS entstand während der letzten Eiszeit. 2. Ablandige Grundwasserströmung reicht gegenwärtig nicht bis zu 100 km von der Küste. 3. Küstenferne Süßwasservorkommen sind auf Sedimentschichten mit niedriger Permeabilität beschränkt. Die verfügbare Datengrundlage ist exzellent und besteht neben petrophysikalischen Messungen und Bohrlochdaten vergangener ODP/IODP Expeditionen aus zahlreichen 2D seismischen Profilen. Das gleichnamige Projekt wird seit Mitte 2015 an der TU Freiberg und seit Ende 2016 an der RWTH Aachen durch die DFG gefördert. Eine Tiefenmigration reflexionsseismischer Profile ist nahezu abgeschlossen und bildet die Grundlage zur Erstellung eines hydrogeologischen Modells. Auf Basis einer sequenz-stratigraphischen Interpretation der seismischen Daten und unter Berücksichtigung der aus Bohrlochdaten abgeleiteten Korngrößenverteilung am NJS, wurde mittels geostatistischer Verfahren ein komplexes, über 30 Millionen Gitterpunkte umfassendes und geologisch plausibles 2D Faziesmodell erstellt. Dabei ist jeder Faziestyp durch bohrloch- und literaturgestützte petrophysikalische Eigenschaften charakterisiert. Nach sorgfältiger Definition von Anfangs- und Randbedingungen, bildet dieses Modell die Grundlage für vorläufige numerischer Simulationen. Die Simulationsergebnisse sind vielversprechend und deuten auf eine Bestätigung der oben genannten Hypothesen hin. Zukünftig geplante Arbeiten umfassen eine Erweiterung des hydrogeologischen Modells in 3D unter Einbeziehung multiple-point-geostatistischer Methoden. Dabei sollen auch die durch eine AVO-Analyse der Seismik abgeleiteten petrophysikalischen Parameter berücksichtigt werden. Die Überprüfung der oben genannten Hypothesen wird durch numerische Simulationsrechnung auf Basis des finalen 3D Modells erfolgen. Die Ergebnisse dieser Studie können zu einem verbesserten Verständnis von meerwärts gerichtetem Grundwassertransport im Allgemeinen beitragen.

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