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ROCKFLOW - Numerische Simulation von Stroemung, Stoff- und Waermetransport im Festgestein

Fuer zahlreiche Fragestellungen im Zusammenhang mit der Deponierung von Abfaellen, der Altlastensanierung, der Grundwassergewinnung und der Nutzung geothermischer Energie sind Modelluntersuchungen im Kluftgestein durchzufuehren. Dabei sind einerseits geringleitende Formationen fuer die Deponierung von Interesse, die eine wirksame geologische Barriere zur Isolierung von Schadstoffen bilden, andererseits geht es um die Bewirtschaftung von Aquiferen zur Grund- und Thermalwassergewinnung. Die Simulation von Stroemungs- und Transportprozessen in klueftig-poroesen Grundwasserleitern und Grundwassergeringleitern stellt spezifische Anforderungen an die modelltechnische Umsetzung, die aus der signifikanten Inhomogenitaet des klueftigen Untergrunds erwachsen. Zur numerischen Simulation solcher Vorgaenge ist das Finite-Elemente-Programmsystem ROCKFLOW entwickelt worden. Das Programm besteht aus einer Reihe von FE-Rechnenkernen (Kernels), welche die prozessspezifischen Differentialgleichungen mittels Galerkin-FEM approximieren. Diese Rechenkerne sind miteinander verknuepfbar (Models), so dass gekoppelte Prozesse (z.B. Tracertransport durch eine Gasstroemung) simuliert werden koennen. Physikalische Prozesse: Folgende physikalische Prozesse sind modellierbar: - Grundwasserstroemung (Sicker- und Kluftstroemung) - Gasstroemung (kompressible Fluide) - Mehrphasenstroemungen (Systeme aus in- und kompressiblen Fluiden) - nicht- (Forchheimer) und liniare Fliessgesetze (Darcy) - hydrodynamische Dispersion (Scheidegger-Ansatz) - Zerfallreaktionen - nicht- (Freundlich, Langmuir) und lineare Gleichgewichtssorption (Henry) - Dichtestroemungen. Numerik: ROCKFLOW ist ein Finite-Elemente-Simulator, wobei verschieden-dimensionale isoparametrische Elemente beliebig im Raum koppelbar sind. Auf der Basis der Methode der gewichteten Residuen wird eine zur prozessbeschreibenden Differentialgleichung aequivalente sog. 'schwache' Integralformulierung abgeleitet. Es stehen verschiedene Loeser zur Verfuegung (Gauss, BiCGSTAB, QMRCGSTAB), um die resultierenden albebraischen Gleichungssysteme zu loesen. Nichtlineare Probleme werden mit Picard- oder Newton-Verfahren behandelt. Gitteradaption: Ab der dritten Version stehen Methoden fuer eine problemangepasste Gitteradaption zur Verguegung. Der Algorithmus zur Gitteradaption basiert auf einem hierarischen Konzept zur Verfeinerung und Vergroeberung gekoppelter verschieden-dimensionaler Elemente. Diskretisierungsfehler koennen entweder mit heuristischen Indikatoren oder einem analytischem Estimator lokalisiert und quantifiziert werden.

Ueberpruefung und Quantifizierung des Formbeiwertkonzeptes zur Berechnung turbulenter Stroemungen in Gerinnen mit hydraulisch glattem und vollrauhem Wandverhalten

Der Stroemungswiderstand ausgebildeter Gerinnestroemungen wird in Analogie zur Kreisrohrstroemung berechnet. Zur Beruecksichtigung der Querschnittsform und des Einflusses des freien Wasserspiegels werden sogenannte Formbeiwertmodelle verwendet. Durch systematische Vergleiche von Kreisrohr- und Gerinnestroemungen mit hydraulisch glattem- und vollrauhem Wandverhalten werden die Formbeiwertansaetze getestet und quantifiziert. Die experimentellen Befunde werden durch Aehnlichkeitsbetrachtungen ergaenzt, um Aussagen ueber die Anwendbarkeitsgrenzen des Formbeiwertkonzeptes zu erhalten. Weiterhin werden Vergleichsrechnungen mit mathematischen Kontinuumsmodellen durchgefuehrt.

Grundlegende Untersuchungen zum Laserstrahlschweissen, -loeten und -schneiden von Titan-Werkstoffen zur Herstellung von integralen Strukturen fuer Laminar-(Absaug-)Fluegel

Am gesamten Flugzeug bilden sich durch Transition der Grenzschicht vom Laminar- zum Turbulentzustand im vorderen Bereich der Fluegel, des Seitenleitwerks, etc. turbulente Stroemungen. Das geplante Projekt soll fertigungstechnische Moeglichkeiten aufzeigen, um Leichtbaustrukturen aus Titanwerkstoffen herzustellen, womit sich ein Absaugen der Grenzschicht einer Seitenleitwerksnase realisieren laesst, was zu einer drastischen Treibstoffreduzierung fuehren wuerde. Als Fertigungsmittel soll der Laser als waerme- und verzugsarmes Verfahren zum Schweissen, Loeten und Trennen verwendet werden, wobei in Zusammenarbeit mit der DASA die Frage nach der kostenguenstigsten Loesung sowie der Vergleich zu konventionellen Verfahren zu klaeren ist. Die hierbei auftretenden stroemungstechnischen Fragen sollen durch die DASA geklaert werden. Am Ende des Projektes wird ein Demonstrator hergestellt, an die die Machbarkeit des ausgewaehlten Verfahrens zur Herstellung der Laminatfluegelnase und die Uebertragbarkeit auf andere Flugzeugsektionen nachgewiesen werden kann.

Ein Radom-Walk-Modell fuer Schwermetallpartikel in natuerlichen Gewaessern

Das Partikelmodell fuer die Simulation des Metalltransports in natuerlichen Gewaessern baut auf einem Lagrangeschen Ansatz auf. Die hydrodynamischen Groessen sowie der Schwebstofftransport werden mit einem FE-Programm fuer dreidimensionale Stroemungen ermittelt. Die advektive Partikelbewegung wird mit der Euler-Methode beschrieben. Alternativ koennen Mehrschrittverfahren oder Praediktor-Korrektor-Verfahren verwendet werden. In vertikaler Richtung muss gegebenenfalls eine Sinkgeschwindigkeit ws beruecksichtigt werden. Das Random-Walk-Modell ist in dieser Form noch nicht auf den Schwermetalltransport ausgerichtet und kann somit fuer alle Partikel verwendet werden, die konservative Eigenschaften aufweisen. Bei Schwermetallen ist dies jedoch nicht der Fall. Sie koennen in einem Gewaesser in geloester und in partikulaer gebundener Form auftreten, wobei der Wechsel zwischen den Phasen durch Sorption und Remobilisierung erfolgt. Aus Messungen ist der Anteil der partikulaer gebundenen Schwermetalle an der Gesamtmenge des betreffenden Elements bekannt, der als Wahrscheinlichkeitswert direkt in das Modell uebernommen wird. Der Unterschied der geloesten und partikulaer gebundenen Teilchen besteht im Modell in der Sinkgeschwindigkeit sowie im Depostitions- und Erosionsverhalten. Die geloesten Schwermetalle in der Wassersaeule werden nur aufgrund der w-Geschwindigkeit aus den Navier-Stokes-Gleichungen vertikal bewegt. Partikulaer gebundene Schwermetalle erhalten dagegen dieselbe Sinkgeschwindigkeit wie der Schwebstoff, an dem sie angelagert sind. Die Depositionswahrscheinlichkeit der partikulaer gebundenen Schwermetalle haengt in Anlehnung an die Formulierung von Krone von der aktuellen Geschwindigkeit des Partikels sowie von einer vorgegebenen kritischen Depositionsgeschwindigkeit ab. Geloeste Teilchen koennen nicht deponiert werden. Fuer die Modellierung der Erosion ist ebenfalls ein Wahrscheinlichkeitsgesetz implementiert. Es beruecksichtigt die Menge des in einem Zeitschritt resuspendierbaren Materials sowie ueber das Geschwindigkeitsquadrat den Einfluss der Bodenschubspannung. Beispielberechnungen wurden fuer das Gebiet der Wesermuendung durchgefuehrt. Dei Randbedingungen ergeben sich aus den Daten der Messkampagne MASEX-85. Messdaten fuer die Schwermetallablagerungen hat die Bundesanstalt fuer Gewaesserkunde (BfG), Koblenz, im Juni und im Oktober 1983 ermittelt.

Experimentelle Untersuchung und Optimierung von Brennersystemen fuer Glasschmelzwannen mit regenerativer Luftvorwaermung

An Glasschmelzwannen treten bedingt durch die hohen Prozesstemperaturen und die notwendige Vorwaermung der Verbrennungsluft sehr hohe NOx-Emissionen auf. Der Einsatz von Kali oder Natronsalpeter zur Laeuterung bei der Herstellung von Spezialglaesern fuehrt zu einer zusaetzlichen NOx-Bildung. Aufgrund der geplanten Verschaerfung der Grenzwerte werden eine Vielzahl der mit regenerativer Luftvorwaermung betriebenen Glasschmelzwannen die gesetzlichen Auflagen nicht erfuellen koennen. Eine Einhaltung der zukuenftigen Grenzwerte kann zur Zeit durch Primaermassnahmen nur in Einzelfaellen erreicht werden. Auf dem Gebiet der Primaermassnahmen wurden in der letzten Jahren erhebliche Fortschritte erzielt. Hierbei wurden insbesondere durch Massnahmen wie Duesensteinabdichtung und Absenkung der Luftzahl in Verbindung mit neuen Verbrennungskonzepten - wie beispielsweise mit der Kaskadenfeuerung und dem Einsatz neuer Brennerlanzen - eine deutliche Absenkung der NOx-Emission erreicht. Die zukuenftigen Grenzwerte koennen an Querbrennerwannen jedoch noch nicht unterschritten werden. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Optimierung der Brennersysteme fuer Glasschmelzoefen, um eine maximale NOx-Minderung - wenn moeglich eine Einhaltung der vom Gesetzgeber vorgegebenen Grenzwerte - allein durch Primaermassnahmen zu erreichen. Dazu wurde eine Forschungskooperation und eine Buendelung des in Deutschland vorhandenen Know-hows angestrebt und in Form der Teilnahme der wichtigsten Unternehmen und Verbaende der Glasbranche am projektbegleitenden Ausschuss verwirklicht. An der GWI-Versuchsanlage werden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens Brennersysteme unter den an Glasschmelzwannen ueblichen Randbedingungen, wie Ofenraumtemperatur, Luftvorwaermtemperatur und Brennerleistung untersucht. In der ersten Projektphase werden auf dem Markt befindliche Brennersysteme getestet. In der zweiten Phase werden dann Optimierungsarbeiten hinsichtlich minimaler NOx-Emission und optimalen Waermeuebertragungseigenschaften durchgefuehrt. Dabei wird versucht, die in den letzten Jahren erzielten Fortschritte im Hinblick auf eine Minimierung der NOx-Emission bei Hochtemperaturprozessen auch an den Brennern fuer Glasschmelzoefen umzusetzen.

Technologische Grundlagen Schadstoffarmer Verbrennung - Einfluss hoher Turbulenz auf den Waermeuebergang an Hitzeschilden von Triebwerksbrennkammern

Die gefoerderte Forschungsarbeit im Vorhaben der Technologieentwicklung von schadstoffarmen Triebwerken bringt einen Beitrag fuer die treffsichere Auswahl und Auslegung von Hitzeschilden unter den komplizierten thermofluiden Bedingungen einer gestuften Brennkammer. Gegenstand der Untersuchungen waren die Waermeuebergangs- und Kuehlverhaeltnisse im Stirnwandbereich der Brenner. In Originalgroesse ausgefuehrte Stirnwandkuehlkonfigurationen wurden nach Wandtemperaturverteilungen und Hot Spot's beurteilt. An einem Heissluftmodell konnten die Auswirkungen der Reduzierung von Kuehlluft und veraenderten Rezirkulationsbedingungen in der Primaerzone auf das Wandtemperaturfeld untersucht werden. Darueber hinaus wird ein messtechnischer Beitrag zur Infrarotthermografie an Hitzeschilden und zur holografischen Interferometrie fuer die Totraumdetektion unzureichend durchstroemter Kuehlspaltbereiche erbracht.

Modellierung der Hoernum Odde von Sylt mit Hilfe eines Mehrschichtenmodells

Allgemeines: Der im Fachplan Kuestenschutz Sylt dargestellte Kenntnisstand ueber die hydrologischen, morphologischen und sedimentologischen Vorgaenge im Umfeld von Sylt ist durch ein zusaetzliches Untersuchungsprogramm erweitert worden. Aufbauend auf der ersten Projektphase (1986-1990) stehen in der 1991 begonnenden zweiten Phase die Optimierung der Sandvorspuelungen und gegebenenfalls sonstiger baulicher Kuestenschutzmassnahmen im Vordergrund. Die Durchfuehrung des hydrodynamischen Teils des Untersuchungsprogramms wurde dem Institut fuer Stroemungsmechanik und Elektronisches Rechnen im Bauwesen der Universitaet Hannover uebertragen. Die Arbeiten unterteilen sich in die Berechnung von Sedimentations-, Wellen- und Stroemungsprozessen. Insbesondere werden mit einem Mehrschichtenmodell die Gebiete an den Inselenden untersucht, die aufgrund ihrer Topographie komplexe Stroemungssituationen vermuten lassen. Neben diesen Bereichen ist eine dreidimensionale Modellierung auch fuer die sedimentologischen und morphologischen Untersuchungen erforderlich, da eine Beruecksichtigung der vertikalen Geschwindigkeitskomponente unerlaesslich ist, die einen nicht zu vernachlaessigenden Einfluss auf Transportvorgaenge von Bodenerosionspartikeln ausueben kann. Es wurde die Funktionsfaehigkeit des Modells auf der Basis des diskretisierten Untersuchungsgebietes festgestellt. Die wesentlichen Stroemungsmuster konnten qualitativ reproduziert werden. Gegenwaertig wird an dem Abgleich der Modellergebnisse auf die Messdaten gearbeitet. Eine ausfuehrliche Diskussion der Ergebnisse ist daher erst nach der Kalibrierung der Modellparameter moeglich.

Festgesteins-Aquiferanalog-Studie, Teilprojekt 1: In situ Untersuchungen

In dem Projekt sollen Kluftgeometrie und Durchstroemung eines geklueftet-poroesen Festgesteins durch Labor- und Feldexperimente im Detail untersucht werden. Ziel ist es, auf der Basis detaillierte Kenntnisse der Geometrie und der hydraulischen Eigenschaften der Fliesswege eine Quantifizierung der Stroemungs- und Stofftransportprozesse in geklueftet-poroesem Festgestein vorzunehmen und eine fundierte Prognose des Stofftransports mit numerischen Grundwassermodellen zu ermoeglichen. Hierzu wird in einem geeigneten Sandsteinbruch ein Festgesteinnaturmessfeld im gewachsenen Fels herauspraepariert und mit Untersuchungsbohrungen und Messeinrichtungen versehen. Dieses Festgesteinnaturmessfeld stellt einen Aquiferanalogausschnitt dar, d.h. einen Aufschlussbereich, dessen lithologisch-sedimentologischen Eigenschaften analog uebertragbar sind auf einen fuer Messungen nur eingeschraenkt zugaenglichen Aquiferbereich. An dem Festgesteinnaturmessfeld sollen durch verschiedene geologische, geophysikalische und hydraulische Untersuchungsmethoden die fuer den Stofftransport wesentlichen Parameter (z.B. Matrixporositaet, Kluftgeometrie, Stroemungs- und Transportparameter) im wasserungesaettigten sowie, nach Wassersaettigung des Versuchsblocks, im gesaettigten Festgestein untersucht werden.

Sicherer Einsatz von Faserdaemmstoffen in thermischen Anlagen mit partikelbeladener Stroemung

Keramische Fasern werden wegen ihrer hervorragenden waermetechnischen Eigenschaften in starkem Masse fuer die Auskleidung von Thermoprozessanlagen eingesetzt. Durch Partikeln (Asche, Staub) kann es bei hohen Stroemungsgeschwindigkeiten zur Erosion der Fasern kommen. Durch theoretische und praktische Untersuchungen werden die Grenzen der Einsetzbarkeit der Fasermaterialien bestimmt. Fuer die Versuche wird eine vorhandene Anlage an der University of Cambridge benutzt. Es ist das Ziel des Vorhabens, das Einsatzgebiet der Fasermaterialien so auszudehnen, dass die bestehenden Energiesparmoeglichkeiten ausgeschoepft werden, ohne die Anlagensicherheit zu gefaehrden und die Umwelt mit Faseremissionen zu belasten.

Erneuerung der Wassermassen in der Ostsee (im Rahmen der deutsch-finnischen Zusammenarbeit)

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Inst. fuer Meereskunde, Helsinki, soll die Erneuerung des Wassers in den Ostseebecken untersucht werden. Diese Erneuerung ist von fundamenteller Bedeutung fuer die Verschmutzung sowie die Schwefelwasserstoffbildung in den Ostseebecken. Das Programm konzentriert sich in den Jahren 1985/87 auf den Austausch zwischen Bornholmbecken und Gotlandbecken. Es besteht aus a) einem Messprogramm der Forschungsschiffe 'Aranda' (Helsinki) und 'Alkor' (Kiel) unter Einsatz von Satelliten-georteten Driftbojen; b) numerischen Modellrechnungen am Rechenzentrum Kiel sowie auf der Cray-1 in Berlin ueber die Stroemungsverhaeltnisse bei wechselnden meteorologischen Verhaeltnissen, wobei die Winddaten vom finnischen Wetterdienst bereitgestellt werden.

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