s/physikalisches model/Physikalisches Modell/gi
Zur nachhaltigen Sicherung der Energie- und Stromversorgung wird zukünftig neben Kernenergie und regenerativer Energiebereitstellung weiterhin der Rückgriff auf fossile Brennstoffe, wie Kohle, Öl und Erdgas, unverzichtbar bleiben. Bei konventionellen Kraftwerkstechnologien werden jedoch Treibhausgase freigesetzt, während gleichzeitig deren Reduzierung weltweit hohe Priorität hat. Zur Lösung dieses Zielkonflikts werden 'Carbon Capture and Storage' (CCS)-Methoden diskutiert, wobei die Oxyfuel-Verbrennung eine der vielversprechendsten Technologien zur CO2-Abscheidung darstellt. Bei diesem Verfahren wird der Brennstoff anstelle von Luft mit einem Gemisch aus Sauerstoff und rezirkuliertem Rauchgas verbrannt, um so ein hoch CO2-haltiges Abgas zu erzeugen, das nach weiteren sekundären Reinigungsschritten abgetrennt werden kann. Der Ersatz des Stickstoffanteils der Luft durch CO2 und H2O führt zu einem völlig neuen Verbrennungsverhalten, das auch zu Instabilitäten sowie zum örtlichen Verlöschen der Flamme führen kann. Die korrekte Beschreibung dieses Verbrennungsverhaltens erfordert entsprechende physikalisch und chemisch motivierte Modelle für diese spezielle Gasatmosphäre. Deshalb sollen bis zum Projektende des Sonderforschungsbereichs/Transregio die folgenden Erkenntnisse, Daten und Modelle zur Verfügung stehen: (1) Belastbare Modelle durch grundlegendes Verständnis der beteiligten Prozesse und deren Abhängigkeit von den jeweiligen Einflussparametern, von der Mikroskala bis hin zur skalenübergreifenden Interaktion, (2) Basisdaten zur Vorhersage der Wärmeübertragung von der Flamme an die Wände und Einbauten in Kraftwerkskesseln mit Oxyfuel-Atmosphäre, (3) Verlässliche Berechnungsgrundlagen für die Entwicklung und Auslegung von Brennern und Feuerräumen für Oxyfuel-Kraftwerke mit Feststoffverbrennung. Im Sonderforschungsbereich/Transregio arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der RWTH Aachen, Ruhr-Universität Bochum und TU Darmstadt zusammen.
Die Ausdehnung des antarktischen Meereises nahm im Laufe der letzten Jahre zu und steht damit im Gegensatz zur Abnahme in der Arktis. Die Gründe hierfür sind Gegenstand aktueller Forschungsprojekte. Wechselwirkungen mit der Atmosphäre und dem Ozean spielen sicherlich eine wesentliche Rolle, aber auch die dicke und heterogene Schneeauflage des Meereises hat einen große Einfluss auf das Meereis und seine Rolle im globalen Klima und Wettergeschehen. Zugleich erschwert die Schneeauflage flugzeug- und satellitenbasierte Messungen über Meereis, da sie die Oberflächeneigenschaften bestimmt und zu großen Unsicherheiten beiträgt. Entsprechend ist eine bessere Kenntnis der Schneeverteilung auf Meereis dringend erforderlich, um Veränderungen besser verstehen und simulieren zu können. Ziel des Projektes ist es die Menge und Verteilung von Schnee auf antarktischem Meereis sowie dessen physikalische Eigenschaften und deren zeitliche Variabilität zu quantifizieren. Die Entwicklung eines neuen und konsistenten Datenprodukts für Schnee auf antarktischem Meereis steht im Vordergrund des Projektes. Dieses soll die hohe Variabilität über unterschiedliche Größenskalen und Jahreszeiten abbilden. Mithilfe dieses Produktes sind wir dann in der Lage Fernerkundungsalgorithmen und Modellsimulationen zu verbessern und zu validieren. Schließlich wird unser Projekt das Gesamtverständnis der Massenbilanz und Dynamik antarktischen Meereises verbessern, und leistet so einen wichtigen Beitrag für die biologische und geochemische Erforschung des eisbedeckten Südozeans. Um diese Ziele zu erreichen, werden hochaufgelöste Modelle betrieben, die durch Feld- und Fernerkundungsdaten von antarktischem Schnee auf Meereis gestützt und geleitet werden. Im Rahmen einer neuen deutsch-schweizer Zusammenarbeit (D-A-CH Programm) werden die Meereisexpertisen aus Feldmessungen und Fernerkundung der deutschen Partner mit der Schneeexpertise aus Feldmessungen und Modellierung der Schweizer Partner kombiniert. Die Projektpartner verfügen über detaillierte Schneemessungen mehrerer erfolgreicher Feldkampagnen auf antarktischem Meereis, die durch autonome Messungen ergänzt werden. Daten der Satelliten AMSR-2, SMOS und CryoSat-2 sind verfügbar und werden genutzt, um neue Algorithmen für die Bestimmung von Schneeeigenschaften auf Meereis zu entwickeln. Diese Algorithmen und daraus resultierende Datensätze werden durch Beobachtungen validiert und verbessert. Durch die Kopplung der numerischen Schneemodelle SNOWPACK und MEMLS werden Schneedicke, -temperatur, -dichte und Mikrowellenemissivität simuliert. Das Projekt ist darauf ausgelegt drei junge Wissenschaftler für Ihre Arbeit in der Meereisforschung zu finanzieren. Zwei erfahrene Post-Doktoranden sind vorgesehen. Beide haben bereits ähnliche Methoden und Datensätze im Rahmen ihren Doktorarbeiten bearbeitet. Ein Doktorand wird dieses Projekt zur Promotion nutzen.
Kohäsive Feinpartikel sind potentielle Träger von anorganischen und organischen Schadstoffen und spielen eine entscheidende Rolle beim Stoffaustausch zwischen Wasserkörper, Schwebstoff und Sediment. Daher ist die Kenntnis der Depositionsdynamik dieser Feinpartikel ein wichtiger Baustein für ein effizientes Sedimentmanagement und eine physikalisch basierte Modellierung des Schadstofftransfers in Fließgewässern. Es überrascht jedoch, dass sich Untersuchungen zum Transport- und Sedimentationsverhalten kohäsiver Partikel bisher häufig auf definierte stationäre Randbedingungen im Labormaßstab und Trockenwetterbedingungen im Gelände konzentrieren. Weitgehend ungeklärt ist hingegen das Verhalten von Feinpartikeln und deren Speicherung im Gerinnebett während der dynamischen Phase von Hochwasserereignissen. Um die im Gerinne ablaufenden Prozesse weitgehend unabhängig von den Einzugsgebietsprozessen zu untersuchen hat sich in unserer Arbeitsgruppe seit nunmehr über 10 Jahren ein Ansatz mit künstlich generierten Hochwasserwellen bewährt. Es ist ein genereller Vorteil von solchen Geländeexperimenten, dass einzelne steuernde Größen ausgeschlossen oder gezielt kontrolliert werden können. Außerdem ist ein solcher Ansatz eine Voraussetzung, um die Aussagekraft experimentell gewonnener Laborergebnisse zur potentiell hohen Feinpartikel-Retention in Sand- und Kiessedimenten in einem natürlichen System zu validieren. Das übergeordnete Ziel des hier beantragten Projekts ist es, die Gerinnespeicherung kohäsiver Feinpartikel in einem natürlichen System bei variierenden hydrologisch-hydraulischen Randbedingungen zu quantifizieren. Zu diesem Zweck werden standardisierte Feinpartikeltracer (Kaolinit, d50 = 2ìm, ñ = 2,6 g/cm3) sowohl im Verlauf von künstlich generierten Hochwasserwellen als auch während stationärer Trockenwetterbedingungen in einen Mittelgebirgsbach induziert. Die Retention und Sedimentation der eingegebenen Feinpartikel wird gezielt in kleinräumig variierenden Flussbettstrukturen (Hyporheische Zone, Stillwasserzonen, Gerinnerandbereiche, Riffle-Pool-Sequenzen) und für einzelne Gerinneabschnitte erfasst. Die Quantifizierung der Speicherung erfolgt mit bereits erprobten Resuspensionstechniken und Sedimentfallen sowie einer in Pilotprojekten erfolgreich getesteten Tracerfrachtberechnung mittels FTIR-DRIFT Spektroskopie an mehreren Basismessstationen im Längsprofil. In einem interdisziplinären Forscherverbund mit Kollegen des 'Hydraulics Laboratory' und des 'Dept. of Civil Engineering' der Universität Gent, der 'Ecosystem Management Research Group, Dept. of Biology' der Universität Antwerpen und des 'Dept. of Hydrology and Hydraulic Engineering' der Freien Universität Brüssel in Belgien wird darüber hinaus die Transport- und Speicherdynamik der Feinpartikel mit der neuen, FORTRAN basierten Modellierungssoftware 'FEMME' ('Flexible Environment for Mathematically Modelling the Environment') abgebildet.
Um zukünftige Emissionsziele hinsichtlich der Reduzierung von CO2- und Schadstoffemissionen zu erreichen, sind Niedertemperatur-Brennverfahren für den dieselmotorischen Betrieb äußerst vielversprechend, da sie thermodynamische Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades besitzen und Emissionsvorteile bei Stickoxiden und Ruß realisieren können. Gleichzeitig sind diese Brennverfahren aber deutlich schwieriger zu kontrollieren, da kein unmittelbarer Einfluss auf den Beginn der Verbrennung möglich ist. Zur Nutzung des hohen Potentials bedingen daher die fehlende direkte Kontrolle, eine höhere Neigung zu Instabilität und eine bisher noch nicht erfolgreiche Ausweitung zu höheren Lasten eine intensive Forschung in diesem Bereich. Im Fokus dieses Teilprojekts steht die konsequente Weiterentwicklung des Premixed Charge Compression Ignition (PCCI)-Dieselbrennverfahrens unter Verwendung optimierungsbasierter Regelung. Herkömmliche zyklusintegrale Regelgrößen, wie Mitteldruck und Verbrennungsschwerpunkt, erscheinen für die hier verfolgten Ziele nicht ausreichend und es wird die Hypothese verfolgt, dass die Regelung des vollständigen Brennverlaufs einen stabilen, effizienten und emissionsarmen Betrieb gewährleisten kann. Hierzu werden die Einspritzung und der Brennverlauf als (quasi-)kontinuierliche Stell- und Regelgrößen eingeführt. Ein gewünschter Brennverlauf wird dann mittels optimierungsbasierter Regelung der vollvariablen Einspritzung gestaltet. Die Regelung erfolgt dabei zunächst von Zyklus zu Zyklus, längerfristig wird aber auch eine Multiskalenregelung durch eine zusätzliche innerzyklische Regelkomponente betrachtet. Hieraus ergeben sich zunächst drei Herausforderungen: Eine quantitative Beschreibung der Wirkkette Einspritzung - Brennverlauf - Performance, eine geeignete Parametrisierung der Brennfunktion sowie die Identifikation konkreter zeitvariabler Stellgrößen und darauf basierend die Entwicklung einer variablen Einspritzstrategie. Letztere wird notwendig, um eine dynamische und effektive Aktuierung auch mit einem für die Regelung verkleinerten Parameterraum zu erreichen. Zunächst werden die Einflüsse der Einspritzparameter auf charakteristische Punkte des Brennverlaufs mittels Design of Experiments systematisch quantifiziert. Gleichzeitig werden der Zusammenhang zwischen Brennfunktion und den wichtigen Parametern der Performance, wie zum Beispiel Wirkungsgrad und Emissionen, quantitativ charakterisiert. Zur Erstellung reduzierter physikalisch basierter Modelle werden CFD-Simulationen und Mehrzonenmodelle eingesetzt, mit deren Hilfe Zusammenhänge identifiziert und erklärt sowie Korrelationen oder physikalische Beziehungen abgeleitet werden können. Arbeiten zur detaillierten Kinetik und der Rußbildung werden in Zusammenarbeit mit TP5 durchgeführt. Die Validierung der Regelkonzepte erfolgt einerseits in Kooperation mit TP3 und TP1 durch Model-in-the-Loop-Simulationen und schließlich am Motorprüfstand in Zusammenarbeit mit TP1.
Verschiedene Modell-MP-Partikel sowie Modellpartikel für natürlich vorkommendes partikulares Material werden in Süßwasser und Boden inkubiert und daraus resultierende Oberflächenveränderungen werden biomolekular und physikalisch-chemisch charakterisiert. Daraufhin werden unterschiedliche Polyelektrolyt-Multilagen-beschichtete Modellpartikel hergestellt, welche in jeweils einer Eigenschaft (z.B. identische Mechanik oder Ladungsdichte) den inkubierten Partikeln gleichen. Durch einen Vergleich der verschiedenen Partikel wird daraufhin die Relevanz dieser Eigenschaft für die Adhäsion der Partikel an Zellen und die Internalisierung in Zellen quantitativ untersucht.
Neben der thermischen Schichtung bestimmt wesentlich der Turbulenzzustand eine Vielzahl der in der bodennahen Windgrenzschicht ablaufenden Strömungs- und Transportprozesse. Das vom Menschen wahrnehmbare Mikroklima, Windlasten oder z.B. die Windenergiegewinnung werden substanziell von Turbulenzphänomenen im bodennahen Wind beeinflusst. In der durch Orographie, Bebauung und Bewuchs unmittelbar beeinflussten bodennahen Windgrenzschicht ist die Dynamik des Windes hochkomplex und deshalb auch heute noch Gegenstand der Forschung. Turbulenzphänomene im bodennahen Wind können prinzipiell mit Hilfe von Naturmessungen oder mit Hilfe numerischer oder physikalischer Modelle untersucht werden. Die Repräsentativität und Verallgemeinerbarkeit von Naturversuchen zur Turbulenzcharakterisierung wird allerdings durch die begrenzte 'räumliche Auflösung' bzw. Datendichte und die ständig wechselnden, in der Regel nicht vollständig dokumentierbaren Strömungsrandbedingungen limitiert. Die an einem Standort erhobenen Naturdaten können nicht ohne vereinfachende Annahmen verallgemeinert und nur bedingt auf andere orographische Verhältnisse übertragen werden. Auch bei der mathematisch numerischen Modellierung kleinskaliger turbulenter Strömungs- und Transportprozesse wird auf eine Reihe vereinfachender Annahmen zurückgegriffen. Dennoch kann mit Hilfe partiell wirbelauflösender LES-Modelle ein deutlich besserer Einblick in die Dynamik des bodennahen Windes sowie die Wirkung der Turbulenz auf den bodennahen Stoff- und Impulstransport gewonnen werden. Voraussetzung ist, dass die für die entsprechende Modellanwendung ausreichende Güte der Simulationsergebnisse durch eine anwendungsbezogene, systematische und vollständige Modellvalidierung nachgewiesen wird. Im Projekt wird der Einfluss orographischer Strukturen auf die Turbulenzcharakteristik und Dynamik des bodennahen Windes erstmals systematisch mit Hilfe von Laborversuchen im Grenzschichtwindkanal untersucht und analysiert. Die bodennahe Windturbulenz in Raum und Zeit hinreichend auflösende Simulationen werden mit zeitgemäßer Messtechnik untersucht, um systematische Informationen zu turbulenten Impulsflüssen, Druck-Strömungs-Korrelationen und zum turbulenten Stofftransport in Abhängigkeit von der überströmten Orographie zu gewinnen und entsprechende Kausalzusammenhänge abzuleiten. Gleichzeitig werden für die systematische Validierung wirbelauflösender numerischer Modelle geeignete Referenzdatensätze mit bekannter und dokumentierter Datenqualität erzeugt. Das Projekt legt den Grundstein für einen systematischen Datenfundus, der bisher nicht existiert. Die experimentellen Daten werden noch während der Projektumsetzung in aufbereiteter, qualitätsgesicherter und dokumentierter Form potenziellen Nutzern in einer Referenzdatenbank im Internet zur Verfügung gestellt.
Salzmarschen spielen eine wichtige Rolle im Küstenschutz: Sie können sich im Allgemeinen dem Meeresspiegelanstieg anpassen, da häufigere Überflutungen zu erhöhten Sedimentdepositions- und Aufwuchsraten führen. Im Laufe der nächsten Jahrzehnte könnte es jedoch auf Grund des Klimawandels zu komplexen morphologischen Reaktionen der Salzmarschen kommen. Sedimentdepositionsraten und Muster in Salzmarschen werden von externen Umweltfaktoren wie etwa dem Tidenhub und der Sedimentzufuhr beeinflusst, die wiederum vom Klimawandel beeinflusst werden. Lokal werden Sedimentdepositionsraten und Muster wiederum von internen Faktoren wie z.B. der Geländehöhe beeinflusst. Zusätzlich hat die Vegetation einen positiven Einfluss auf die Sedimentdeposition, da sie die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers reduziert. Eine erhöhte Sedimentdeposition und die daraus resultierende Höhenveränderung wiederum führen zur Änderung der Vegetation und Erhöhung der Biomasse. Dies wiederum führt zu erhöhtem Sedimenteintrag und somit zu eine positiven Rückkopplungsschleife von Sediment- und Vegetationsdynamik. Es gibt derzeit verschiedene morphodynamische Modelle, die diese Faktoren einbeziehen und damit Höhenänderungen von Tidemarschen vorausberechnen. Es existieren dabei sowohl Modelle, die auf empirischen Messungen und statistischer Auswertung beruhen als auch physikalische Modelle, die auf hydrodynamischen Gleichungen fußen. Bei einigen Modellen wurde zudem der Einfluss der Vegetation auf die Sedimentdeposition berücksichtigt. Viele biophysikalische Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Hydromorphologie sowie der Einfluss von heterogener Vegetation auf Sedimentbewegungen sind bisher jedoch nur unzureichend dargestellt. So geht man in Modellen etwa häufig von homogenen unteren Marschen aus, obwohl sich die Vegetationsstruktur stark je nach Marschzone unterscheidet und innerhalb der Zonen heterogene Muster bildet. Noch gravierender ist außerdem die bisherige Annahme der Modelle, dass die Vegetation statisch sei, wobei der Aufwuchs der Marsch tatsächlich ein wesentlicher Antrieb der Vegetationssukzession ist: Diese führt zu einer Veränderung der Vegetationsstruktur und sollte so wiederum auch die Sedimentdynamik wie oben dargestellt beeinflussen. Wir möchten nun die morphodynamischen Marschmodelle verbessern, indem wir die Rückkopplungen von Sedimentdynamik und Vegetationsentwicklung für die Salzmarschen im Wattenmeerraum integrieren. Solche integrierten Modelle sollen bessere Vorhersagen der Marschentwicklung unter verschiedenen Klimamodellen (WP A/B) ermöglichen. Weiterhin lassen sie sich einsetzen, um Entscheidungen im Zusammenhang mit Küstenschutzmaßnahmen zu treffen (WP C).
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 520 |
| Land | 3 |
| Wissenschaft | 21 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 518 |
| unbekannt | 26 |
| License | Count |
|---|---|
| geschlossen | 3 |
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| unbekannt | 17 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 431 |
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| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 2 |
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| Webseite | 199 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 348 |
| Lebewesen und Lebensräume | 356 |
| Luft | 317 |
| Mensch und Umwelt | 544 |
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| Weitere | 539 |