Unser grundlegendes Verständnis über die Entwicklung physikalischer Prozesse, die während der ein- und mehrphasigen Strömung in zerklüfteten porösen Medien ablaufen, ist für die Wissenschaft von großer Bedeutung. Im Hinblick auf die praktischen Auswirkungen bedeutet es verbesserte Anwendungen in den Bereichen unterirdischer Hydrologie, Geophysik, Reservoir Engineering und Biomechanik. Während niedrige Geschwindigkeiten im Bereich von Kriechströmungen am besten durch die Darcy-Gleichung beschrieben werden, muss man für deutlich höhere Geschwindigkeiten Terme höherer Ordnung zusätzlich berücksichtigen, wie von Forchheimer vorgeschlagen. Es gibt eine große Anzahl von Arbeiten über das reine Kriechströmungs- und das rein turbulente Strömungsregime, aber nicht für den Bereich dazwischen, d.h. für das „weak-inertia“ Regime. In Anbetracht dieses Mangels an experimentellen Beweisen wollen wir genau für diesen Bereich Fließfelder in Systemen zunehmender Komplexität von 2D bis 3D räumlich hochaufgelöst abbilden. Zunächst untersuchen wir 2D-Micromodelle mit einem einzelnen Kanal, einer sich wiederholenden Kanal-Poren-Einheit und einem 2D-Riß mit rauen Porenoberflächen. Diese Micromodelle erlauben die Kombination der 2D Mikro-Partikel-Imaging-Velocimetry (micro-PIV) mit 3D flusssensitiver Magnetresonanztomographie (MRT). Um die Auflösungen beider Methoden anzupassen, werden mit der MRT auch ortsaufgelöste Propagatoren bestimmt, die eine Auflösung der Geschwindigkeitsfelder innerhalb eines Voxels erlauben. Sie dienen dann als Proxys für Geschwindigkeitsfelder und können auf 3D- und undurchsichtige Systeme angewendet werden. In einem zweiten Schritt untersuchen wir das erste 3D-System, einen homogenen porösen Glaszylinder. Bei kleinen Geschwindigkeiten erwartet man „bulk“-Effekte durch alle Poren im Sinne der Darcy-Beziehung. Steigen die Reynoldszahlen an, bilden sich immer größere Strömungsschatten kombiniert mit gestreckten Fließpfaden aus. Die bisher gewonnenen Erkenntnisse werden nun im 2. Hauptteil des Projekts für die Untersuchung von Bohrkernen mit Rissen genutzt. Um die Strömung zu untersuchen, wird ein natürlicher Gesteinskern vertikal gefrackt, eine Technik, die an der Universität Stuttgart nun zur Verfügung steht. In Bezug auf die MRT wird die Verwendung einer multi-slice Pulssequenz mit bipolaren Gradientenpaaren notwendig. Der Unterschied zu den bisher untersuchten Modellsystemen besteht darin, dass die Strömung durch Wasseraustausch zwischen Porensystem und Riß kontrolliert wird. Es ist daher zu erwarten, daß sich beim Übergang vom Darcy- zum „weak-inertia“ Regime präferentielle Fließmuster neben stationären Bereichen entwickeln. Diese experimentell gewonnenen 3D-Fließfelder stehen dann zur Verfügung, um theoretische Ansätze wie die Forchheimer-Relation auf ihre Gültigkeit und ihre Grenzen zu prüfen und weiter zu entwickeln.
In der landwirtschaftlichen Prozesskette von der Ernte bis zum Verbraucher sind Kartoffelknollen vielen mechanischen Belastungen ausgesetzt, die häufig innere strukturelle und physiologische Schäden mit sich bringen. Diese Beschädigungen können über eine Folge von biochemischen Prozessen zur Bildung des dunklen Farbstoffs Melanin führen. Solche Melaninablagerungen sind als braune oder schwarze Flecken bekannt und gehen mit Änderungen von Gewebetextur, Geschmack und Nährwert einher. In der Vergangenheit wurden vor allem die Einflüsse von Wachstums- und Ernteparametern wie beispielsweise Düngung, Erntetemperatur, Sorte oder Reife auf die Neigung zur Schwarzfleckigkeit untersucht. Auch wenn aus diesen Untersuchungen bekannt ist, dass vor allem die mechanischen Eigenschaften des Knollengewebes die Neigung zur Schwarzfleckigkeit beeinflussen, steht noch kein physio-mechanisches Modell zur Verfügung, dass eine Verbindung zwischen dem Spannungs-Dehnungsverhalten von Knollengewebe und der Bildung von schwarzen Flecken herstellt.Aus diesem Grund wird im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts ein Mehrfeldmodellierungsansatz entwickelt, der ein inelastisches Konstitutivgesetz für Kartoffelgewebe und eine Reaktionskinetik für die zeitaufgelöste Bildung von schwarzen Flecken umfasst. Die Konstitutivparameter für das Spannungs-Dehnungsgesetz und die Verfärbungskinetik werden auf der Basis von Experimenten an Gewebeproben bestimmt, die die Entwicklungsgeschichte der Knollen abbilden. Diese Untersuchungen umfassen Kompressionsversuche, Messungen der Atmungsaktivität und Verfärbung sowie Experimente zur Bestimmung von Gasdiffusionskoeffizienten in Kartoffelgewebe. Mit Hilfe des kontinuumsmechanischen Modells kann die Deformationsantwort einer Kartoffelknolle auf verschiedene Lastkollektive nachempfunden und der zeitliche Verlauf der Verfärbung vorhergesagt werden.Darüber hinaus werden die Lastkollektive, denen Kartoffelknollen in der Ernteprozesskette ausgesetzt sind, mittels eines Diskrete Elemente Modells (DEM) identifiziert. Die ausstehenden Herausforderungen, die in diesem Zusammenhang addressiert werden, beziehen sich auf die Ableitung von Kontaktkraft-Überlappungsbeziehungen und die Bestimmung einer repräsentativen Knollenform. Auf der Oberfläche einer Knolle werden einwirkende Kräfte zu Lastkollektiven zusammengefasst.Die Kombination dieser beiden mechanischen Modelle stellt einen neuartigen, prädiktiven Ansatz zur Quantifizierung der Menge an Kartoffelknollen, die in einer Erntestufe beschädigt werden, dar. Insbesondere ist es möglich, die zeitliche Entwicklung der Schwarzfleckigkeit vorherzusagen. Sowohl das kontinuumsmechanische Modell als auch das DEM werden in einer Serie von Testfällen zunehmender Komplexität validiert.
The objective is to develop new risk prevention and/or reduction strategies to eliminate catastrophic seismic damage to petrochemical facilities located in active areas throughout Europe. There were identified a number of structures as most critical to the overall plant safety. Innovative experimental and numerical methods will allow a quantitative evaluation of the soil-structure and fluid-structure-interaction as well as an evaluation of various form of energy dissipation. Seismic strengthening and/or isolation methods including additional energy dissipation devices will be developed when the analysis does suggest an associated increase in plant safety. An accepted standard within the EU for the seismic evaluation of structures at these facilities will be the stated objective and presented at the planned international conference. Verification and validation of developed design guidelines will provide the practicing engineer with a valuable addition to Eurocode 8.