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Analyse langfristiger Änderungen in der Tidedynamik der Nordsee

Langjährige Pegelaufzeichnungen aus dem Gebiet der südöstlichen Nordsee zeigen seit Mitte des 20. Jahrhunderts signifikante Veränderungen im lokalen Tideregime. Während der mittlere Meeresspiegel (englisch: Mean Sea Level, MSL) über die vergangenen 150 Jahre generell dem globalen Mittel gefolgt ist, deuten Auswertungen der mittleren Tidehoch- und Tideniedrigwasser auf signifikant abweichende Trends hin. So sind die Tidehochwasser signifikant schneller als der MSL angestiegen, während die Tideniedrigwasser deutlich geringere oder teils negative Trends aufzeigen. Daraus resultierte eine gleichzeitige Zunahme des Tidehubs (die Differenz aus Tidehoch- und Tideniedrigwasser) von ca. 10 % seit 1955. Derartige Veränderungen haben direkte Auswirkungen auf den Küstenschutz. So ergeben sich bei einem Anstieg der mittleren Tidehochwasser größere Wassertiefen, wodurch das Wellenklima insbesondere im Bereich der Wattflächen und Außensände in der Deutschen Bucht beeinflusst wird. Größere Wellenhöhen und damit höhere Orbitalgeschwindigkeiten und Brandungsenergien sind die unmittelbare Folge, die zu großflächigen Erosionen führen kann. Gleichzeitig beeinflussen geringere Tideniedrigwasser die Schiffbarkeit der flachen Küstengewässer. Durch den vergrößerten Tidehub treten größere Tidestromgeschwindigkeiten auf, die z.B. Ausräumungen der Tiderinnen, verstärkte Erosionen an Inselsockeln, Strandräumungen und im Zusammenhang mit Sturmfluten Dünen- und Kliffabbrüchen verursachen können. Dies verdeutlicht, dass neben den global wirkenden übergeordneten Veränderungen im MSL (Massenänderungen, thermale Expansion) auch regionale Phänomene und Prozesse eine wichtige Rolle für die Ausprägung der Wasserstände spielen. Eine Berücksichtigung solcher Faktoren in den Projektionen zukünftiger Wasserstände setzt voraus, dass vergangene Entwicklungen und zugrunde liegende Prozesse ausreichend verstanden sind. Das übergeordnete Ziel von TIDEDYN besteht daher in der Analyse der in der Vergangenheit bereits aufgetreten Veränderungen im lokalen Tideregime der Nordsee. Die beobachtete Zunahme des Tidehubs ist in ihrer starken Ausprägung ein weltweit einzigartiges Phänomen, welches bis heute nicht erklärt werden kann. Als mögliche (aber bisher unerforschte) Ursachen kommen z.B. langfristige Änderungen im MSL, morphologische Änderungen im Küstenvorfeld (natürlich oder anthropogen, z.B. Ausbaggerungen oder Baumaßnahmen wie Eindeichungen) oder saisonale Änderungen in der thermohalinen Schichtung des Ozeans in Frage. Durch die integrierte Analyse von hochauflösenden numerischen Modellen (barotrop und baroklin) und Beobachtungsdaten mit robusten Methoden der Zeitreihenanalyse, sollen die Änderungen im Tideregime der Nordsee über die vergangen 60-70 Jahre beschrieben, modelliert und systematisch erforscht werden sowie einzelne Prozesse mittels Sensitivitätsstudien voneinander abgegrenzt werden.

Teilprojekt BODEN: Wasser und Stofftransport heterogener urbaner Standorte

Ziel ist die Erfassung des Wasserhaushalts und der Stoffdynamik heterogener urbaner Standorte. Kernpunkt ist dabei die Kombination mit den geophysikalischen Messungen zur räumlichen Flächenvariabilität und Wasserhaushalt in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt GEO. Feldversuche mit Tracern und Infiltrationsexperimente sind zur inversen Bestimmung von Transportparametern sowie zur Dektierung von hydrophilen und -phoben Bodenbereichen geplant. Laborexperimente dienen zur Bestimmung der räumlichen Verteilung der hydraulischen Funktionen, der Desorptionscharakteristiken sowie der wassergehalts- und temperaturabhängigen CO2-Freisetzung. Die Experimente werden vertieft mit bodenchemischen und biologischen Detailuntersuchungen der anderen Teilprojekte. In der ersten Projektphase steht die bodenphysikalische und -chemische Standortcharakterisierung, der Aufbau und die Betreuung von Meßfeldern. Die Versuche werden auf drei Standorten durchgeführt: Einem Transekt von einer stark befahrenen Straße in eine Parkfläche, einer teilversiegelten Fläche sowie einer ehemaligen Rieselfeldfläche. Zusammen mit den Laboruntersuchungen stehen Grundlagenprozesse zum bodenphysikalischen Verhalten (ungesättigte Wasserleitfähigkeit, Hydrophobizität) und zu den -chemischen Eigenschaften (Sorption-Desorption, CO2-Freisetzung) im Mittelpunkt. Darauf aufbauend sollen in der nächsten Projektphase numerische Modelle weiterentwickelt werden, um in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung das langfristige Verhalten des Wasser- und der Stoffhaushalts für unterschiedliche urbane Standortbedingungen zu berechnen.

Hochaufgelöste numerische Untersuchungen des Turbulenzeffektes auf die Struktur von nächtlichen Strahlungsnebeln

Nebel als meteorologisches Phänomen kann große Auswirkungen für die Wirtschaft, aber auch auf die persönliche Sicherheit haben, indem er die Sichtweite in der atmosphärischen Grenzschicht reduziert. Wirtschaftliche Verluste für den Luft-, See-, und Landvekehr als Folge von Nebel sind dabei vergleichbar zu Verlusten durch Winterstürme. Trotz der Fülle an Literatur über Nebel bleibt unser Verständnis der physikalischen Prozesse die zu Nebelbildung und seiner Mikrophysik beitragen unvollständig. Dies ist dadurch begründet, dass mehrere komplexe Prozesse, wie z.B. Strahlungsabkühlung, turbulentes Durchmischen und die mikrophysikalischen Prozesse nichtlinear miteinander interagieren. Zusätzlich verkomplizieren Bodenheterogenitäten bezüglich Vegetation und Bodeneigenschaften die Vorhersagbarkeit von Nebel. Die Fähigkeit von numerischen Wettervorhersagemodellen Nebel vorherzusagen ist in Folge dessen noch dürftig. In diesem Projekt werden hochaufgelöste Grobstruktursimulationen (Large-Eddy Simulationen, LES) verwendet um den Effekt von Turbulenz auf nächtliche Strahlungsnebel zu untersuchen. Das LES Modell PALM wird dazu mit einer sehr hohen Auflösung von etwa 1 m verwendet. Dabei werden in den LES sowohl ein Euler'sches Bulk Wolkenphysikschema, als auch ein Lagrange'sches Partikelmodell, welches die explizite Behandlung von Aerosolen und Nebeltropfen erlaubt, verwendet. Dieser innovative Ansatz erlaubt die Nebeltropfen-Turbulenz-Interaktion zum ersten Mal mit LES zu untersuchen. Das Ziel dieser Studie ist es, einen umfassenden Überblick über die Schlüsselparameter zu erhalten, welche den Lebenszyklus sowie die dreidimensionale Makro- und Mikrostruktur von Strahlungsnebel bestimmen. Weiterhin wird der Effekt von nächtlichem Strahlungsnebel auf die morgendliche Übergangszeit und die Grenzschicht am Tag untersucht. Der Effekt von Bodenheterogenitäten auf nächtlichen Strahlungsnebel wird mit Hilfe von aufgeprägten regelmäßigen idealisierten und unregelmäßigen beobachteten Bodenheterogenitäten in den LES untersucht. Die LES Daten werden anhand von Messdaten der meteorologischen Messstandorte in Cabauw (Niederlande) und Lindenberg (Deutschland) validiert und mit Simulationsdaten des eindimensionalen Grenzschicht- und Nebelvorhersagemodells PAFOG (Universität Bonn) verglichen.

Messung und Modellierung der aeroakustischen Schallmechanismen bei Ventilatoren

Der von den Ventilatoren abgestrahlte Schall setzt sich im allgemeinen aus diskreten und breitbandigen Anteilen zusammen. Gegenwaertig erfolgt meist eine Abschaetzung des Breitbandschalls auf der Grundlage empirischer oder halbempirischer Beziehungen aus typischen Kenngroessen des Ventilators (u.a. geometrischen, kinematischen, aerodynamischen) und einer maschinenspezifischen Konstante. Die maschinenspezifische Konstante muss experimentell ermittelt werden. Eine durchgaengige Berechnung des Laerms von Ventilatoren, d.h. eine Berechnung der tatsaechlichen Quellen aus den Stromfeldgroessen, ist bislang nicht moeglich. Sie waere deshalb von Vorteil, weil die Kenntnis empirischer Maschinenkonstanten entfiele und eine Optimierung der zu erwartenden Schallabstrahlung bereits in der aerodynamischen Entwurfsphase eines Ventilators moeglich wuerde. Ziel des Projekts ist, die akustischen Quellen mit elementaren Groessen der Stroemung im Laufrad eines Ventilators zu korrelieren. Hierzu werden experimentelle und numerische Methoden wie instationaere Druck- und Geschwindigkeitsmessungen, numerische Stroemungssimulation, Korrelationstechnik usw. eingesetzt.

Bestimmung optimaler Fischfangstrategien

Zielsetzung: Das Wachstum von Fischpopulationen und oekonomische Zielfunktionen sind zu modellieren, um moeglichst effiziente Fangstrategien zu entwickeln. Die Effekte von Variationen bei Umgebungsparametern sind in Computersimulationen zu untersuchen. Arbeitsprogramm: 1) Modellbildung im biologisch-oekonomischen Bereich; 2) Entwicklung numerischer Verfahren zur Bestimmung optimaler Loesungen; 3) Implementierung einer geeigneten Simulationsumgebung am Computer; 4) Parametervariationen und -analysen.

Sonderforschungsbereich Transregio 181 (SFB TRR): Energietransfer in der Atmosphäre und im Ozean, Teilprojekt (05) M05: Reduzierung von unphysikalischer diapyknischer Vermischung in Ozeanmodellen

Dieses Projekt arbeitet an der Weiterentwicklung, Bewertung und Analyse von numerischen Algorithmen die unphysikalische diapyknische Vermischung in Ozeanzirkulationsmodellen reduzieren sollen. Dieses Ziel soll erreicht werden durch: (i) die Gestaltung und Implementierung von Gitterbewegungsalgorithmen die unphysikalische Vermischung reduzieren; (ii) die Nutzung von Advektionsschemata mit isopyknischer Diffusion und spezieller Gestaltung von numerischen Begrenzern; (iii) Entwicklung und Analyse von Advektionsschemata höherer Ordnung.

EcoForge - Leittechnologie für Morgen: Ressourceneffiziente Prozessketten für Hochleistungsbauteile, Teilprojekt 2: Experimentelle und numerische Untersuchungen zur kontrollierten Wärmebehandlung hochbeanspruchter Stahlschmiedebauteile aus der Schmiedewärme

Motivation: Die konventionelle Herstellung hochbelasteter Bauteile ist durch eine relativ lange Prozesskette gekennzeichnet. Mittels einer prozessintegrierten Wärmebehandlung aus der Schmiedewärme können sowohl die Wirtschaftlichkeit produzierender Unternehmen als auch die Energieeffizienz erhöht werden. Das Zwischenstufengefüge Bainit kombiniert hohe Festigkeit mit verbesserter Zähigkeit. - Verbesserung der mechanischen Bauteileigenschaften - Verkürzung der Prozesskette - Berücksichtigung der umformbedingten Korngrößenänderung und abkühlungsbedingten Gefügeentwicklung im Schmiedebauteil bereits während der Prozessauslegung - FE-basierte Vorhersage des durch die Wärmebehandlung hervorgerufenen Verzugs im Bauteil. Zielsetzung und Vorgehensweise: - Programmtechnische Erweiterung kommerzieller FE-Systeme durch Einbindung von Unterroutinen - Die Unterprogramme basieren auf physikalischen empirischen Modellen zur Berechnung des Umformverhaltens, der zeitlich und lokal ausbildenden Gefüge- und Kornstruktur sowie des Aufkohlungsverhaltens - Numerische und experimentelle Untersuchungen an den zwei Modellgeometrien 'Abgesetzte Welle' und 'Railbauteil' - Untersuchung von Stählen mit unterschiedlichem Ausgangs- und Zielgefüge - Einsatzstahl - AFP-Stahl - HDB-Stahl. Experimentelle Untersuchungen: FE-gestützte Prozessentwicklung und Werkzeugauslegung - Reproduzierbare Versuchsergebnisse durch automatisierten Schmiedeprozess - Gezielte Prozessführung mit thermischer Überwachung zur Einstellung der Zielgefüge - Beurteilung der Bauteilqualität hinsichtlich Maßhaltigkeit mittels einer 3D-Koordinatenmessmaschine - Metallographische Untersuchungen der Fertigteile zur Beurteilung der umformtechnisch eingebrachten Kornfeinung - Untersuchung des Verzugverhaltens. Numerische Untersuchungen. Berechnung der diffusionsgesteuerten und diffusionslosen Gefügeumwandlung während des Abkühlvorgangs - Berechnung des abkühlvorgangsbedingten Bauteilverzugs durch Berücksichtigung umwandlungsplastischer und umwandlungsbedingter Dehnungsanteile - Bestimmung der Korngrößenverteilung infolge statischer und dynamischer Rekristallisation - Lückenlose numerische Abbildung von Schmiedeprozessketten (Erwärmen, Schmieden, Abkühlen) unter Berücksichtigung gefügeevolutionsbedingter Veränderungen der Bauteileigenschaften.

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.

Zweiphasenströmung in offenen geologischen Klüften: Experimentelle und numerische Untersuchungen

Strömungsprozesse in geklüfteten Medien sind wichtig für viele geotechnische Anwendungen und Anwendungen im Umweltingenieurwesen, wie etwa geothermische Energiegewinnung oder Speicherung von Fluiden in tiefen Formationen. Wenn zwei nicht mischbare Fluide vorhanden sind, involviert die Strömung die Bewegung der Grenzflächen zwischen ihnen. Diese sogenannte Zweiphasenströmung kann komplexe räumliche Fluidverteilungen generieren. Die Komplexität hängt von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit, den Viskositäten und Dichten der Fluide und der Geometrie des Mediums ab. Für poröse Medien wurden diese Phänomene in den letzten 20 Jahren intensiv untersucht. Im Gegensatz dazu steckt die Untersuchung dieser Phänomene in geologischen Klüften noch in den Kinderschuhen. Das erste Ziel dieses Projekts ist es daher, diese systematisch als Funktion der Fluideigenschaften, Strömungsregime und Kluftgeometrie zu untersuchen und zu quantifizieren.Die methodische Herangehensweise ist eine Kombination von (i) Laborexperimenten in transparenten künstlichen Klüften mit realistischen Geometrien, die die Beobachtung von Fluidverteilungen und Geschwindigkeiten zulassen, und (ii) numerischer Simulation der Zweiphasenströmung in der Kluftgeometrie, die auf den Grundprinzipien der Strömungsmechanik basiert. Die Laborexperimente werden an der Universität Rennes aufgebaut und durchgeführt, während die numerischen Modelle hauptsächlich an der Universität Hannover implementiert werden. Beide Gruppen bringen so ihre Expertise ein. Die Gruppen werden außerdem gemeinsam ein neuartiges, zweidimensionales numerisches Modell entwickeln und implementieren, das die tiefengemittelten Geschwindigkeiten berechnet. Wir erwarten davon einen sehr guten Kompromiss zwischen Modellgenauigkeit und Recheneffizienz. Die Gruppen werden die numerischen und experimentellen Ergebnisse von Zweiphasenströmung in offenen Klüften mit rauen Oberflächen gemeinsam systematisch auswerten und klassifizieren. Für praktische Anwendungen, die meist Längenskalen im Bereich bis tausend Meter liegt, können die Fluid-Fluid Grenzflächen nicht im Detail abgebildet werden. Um Strömung in solchen Fällen vorherzusagen, werden sogenannte Kontinuumsmodelle verwendet, die nicht auf first principle Strömungsmechanik aufbauen. Diese Modelle bilden Fluidverteilungen oft schlecht ab. So werden beispielsweise die Menge des ursprünglichen Fluids, das nach einem Verdrängungsprozess im Gestein verbleibt, oder die Transportzeiten von Fluiden über bestimmte Distanzen, schlecht vorhergesagt. Das zweite Ziel des Projekts ist es, solche Vorhersagen zu verbessern, indem die Ergebnisse der Klassifizierungen der Fluidverteilungen für ein verbesserte Parameterisierungen für Modelle für die großen Längenskalen verwendet werden, um somit großskalige Beobachtungsfößen, wie beispielsweise im Untergrund verbleibende Mengen von Fluid besser quantifizieren zu können.

Entwicklung einer aero-elastischen Simulationssoftware zur numerischen Untersuchung des Einflusses von aktiver Strömungskontrolle an Rotoren von Wind Energie Anlagen

Die maximale Rotorgröße moderner Wind Energie Anlagen (WEA) wird vor allem durch die Festigkeit der verwendeten Materialien begrenzt. Mit Anwachsen der Rotorgröße und der von Wind überstrichenen Fläche steigen auch die Schwankungen der Windgeschwindigkeit und die resultierenden aerodynamischen Lasten am Rotor, was eine stärkere Materialermüdung verursacht. Eine vielversprechende Möglichkeit zur Verminderung dieser Lasten besteht in der Implementierung von Elementen zur aktiven Strömungskontrolle am Rotor. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer vielseitigen und robusten aero-elastischen Simulationssoftware zur realistischen Bewertung der Leistungsfähigkeit verschiedener Methoden zur Strömungskontrolle. Die Software wird im Rahmen der Partnerprojekte PP2 und PP3 validiert und anschließend angewendet um das Konzept zur Strömungskontrolle aus PP5 zu untersuchen. Die in der Simulation verwendeten instationären Anströmbedingungen werden in PP6 charakterisiert. Der Strömungslöser basiert auf dem Panel Verfahren, welches mit einem Programm zur Strukturberechnung gekoppelt wird. Schließlich wird das Potential von verschiedenen Elementen zur Strömungskontrolle im rotierenden Rotorsystem bei transienter dreidimensionaler Anströmung untersucht. Zusätzlich werden verschiedene Kontrollalgorithmen verglichen. Die im Rahmen dieses Projekts entstehende Software wird anschließend der Öffentlichkeit zugänglich gemacht um den Wissenstransfer aus der Forschung in die Industrie zu unterstützen.

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