Fuer zukuenftige Druckwasserreaktoren werden derzeit Kernfaengerkonzepte als Massnahme zur Beherrschung auslegungsueberschreitender Stoerfaelle mit Niederschmelzen des Kerns entwickelt. Zu ihrer Ueberpruefung wird der Prozess der Schmelzeausbreitung in einer Vielzahl von Experimenten untersucht. Fuer eine Uebertragung dieser Experimente auf Anlagenbedingungen ist die Entwicklung von Computerprogrammen sinnvoll und notwendig. Der Code MECO beschreibt das Ausbreitungs- und Abkuehlverhalten heisser Schmelzen ueber horizontal, geneigt und vertikal orientierte Ausbreitungszonen. Basierend auf den Navier-Stokes'schen Bewegungsgleichungen sowie der Energiegleichung fuer ein zZt 2-dimensionales Berechnungsgebiet erfolgt die numerische Simulation durch Kopplung des SOLA-Algorithmus (Finite-Differenzen-Verfahren) mit der 'Marker-And-Cell'-Methode. Waehrend der Ausbreitung der Schmelze werden Erstarrungsprozesse infolge verschiedener Waermeabfuhrmechanismen beruecksichtigt. Eine erste Validierung des Codes erfolgte anhand der Nachrechnung von Experimenten der KATS-Versuchsreihe des Forschungszentrums Karlsruhe sowie der COMAS-Versuche der Giesserei Siempelkamp, Krefeld.
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.
Granulat- und Schuttströme führen in vielen Gebirgsregionen weltweit regelmäßig zu Zerstörungen. Schneelawinen, Fels- oder Fels-Eis-Lawinen, Muren, Lahare oder pyroklastische Ströme sind nur einige Beispiele für derartige Prozesse. Ein angemessener Umgang mit den damit verbundenen Risiken erfordert eine detaillierte und zuverlässige Analyse der diesen Phänomenen zu Grunde liegenden Mechanismen. Zwar wurde dieses Thema in der Vergangenheit schon ausführlich bearbeitet und existiert eine Reihe einschlägiger physikalisch basierter Modelle, jedoch bleiben bis dato einige Probleme ungelöst: (1) das Fließen über natürliches (beliebig geformtes) Gelände und der Einfluss des viskosen Porenfluids bzw. die Modellierung der Bewegung als Zweiphasenströmung, sowie die Aufnahme von festem und/oder flüssigem Material wurden bisher nicht angemessen behandelt; (2) es existiert zum gegenwärtigen Zeitpunkt keine benutzerfreundliche, frei verfügbare Software, die zur Simulation solcher Phänomene in ihrer vollen Komplexität geeignet ist. Eine derartige Software könnte jedoch entscheidend dazu beitragen, die Modelle für einen breiteren Anwenderkreis an Universitäten und im öffentlichen Dienst zugänglich zu machen. Das vorliegende Projekt zeigt einen effektiven, innovativen und vereinheitlichten Weg für die Lösung dieser beiden Probleme auf. Er beschäftigt sich deshalb mit schnellen geophysikalischen Massenbewegungen wie Lawinen und echten zweiphasigen Schuttströmen von einem genau definierten Anrissgebiet entlang des Fließweges über natürliches Gebirgsgelände bis zum Ablagerungsgebiet. Für eine in ihrem Volumen und in ihrer Verteilung definierte Masse im Anrissgebiet sollen die Bewegung und die geometrische Deformation entlang des beliebig geformten Fließweges simuliert werden. Diese Simulation soll die Aufnahme und Ablagerung von festem Material einerseits und Fluiden andererseits entlang des Fließweges sowie die endgültige Verteilung der abgelagerten Masse einschließen. Die Modellierung wird ebenfalls die Effekte des sich dynamisch entwickelnden Porenfluiddrucks und/oder der zeitlichen Entwicklung der Mischungsverhältnisse der Feststoffe und Fluide inkludieren. Ein ebenso wichtiger Schwerpunkt soll auf die Entwicklung einer benutzerfreundlichen und frei verfügbaren Anwendungssoftware des entwickelten Modells gelegt werden. Dafür soll die GIS Software GRASS genutzt werden, die als Open Source Produkt unter der GNU General Public License verfügbar ist. Die neue Software soll mit physikalischen Modellen (Laborversuchen) sowie mit gut dokumentierten Massenbewegungen evaluiert werden. Hierbei sollen verschiedenste durch das Modell abbildbare Prozesse und Prozessketten wie Muren bzw. Schuttströme, Schuttlawinen und Schnee- oder Felslawinen betrachtet werden.
Die Troposphaere ueber Europa wird in hohem Masse durch Emissionen anthropogener Spurenstoffe und deren Folgeprodukte belastet. Dabei spielen Photo-Oxidantien (Leitsubstanz Ozon) eine zunehmende Rolle in der wissenschaftlichen und umweltpolitischen Diskussion. Ein wichtiges Ziel der atmosphaerischen Umweltforschung ist deshalb die Weiterentwicklung und Anwendung numerischer Simulationsmodelle fuer phototechnische Ausbreitungsrechnungen. Hierfuer wird das in EUROTRAC und SANA bereits vielfach angewendete Modellsystem EURAD (Europaeisches Ausbreitungs- und Depositionsmodell) eingesetzt. Im Rahmen des Troposphaerenforschungsschwerpunkts (TFS) dient das EURAD Modell einerseits der Unterstuetzung anderer Vorhaben und wird als Grundlage zum Aufbau eines TFS-Community Modells genutzt. Andererseits sollen in Zusammenarbeit mit den im TFS aktiven Gruppen die wissenschaftlichen Grundlagen der numerischen Simulation der Schadstoffausbreitung verbessert werden. Speziell sollen im Rahmen dieses Vorhabens folgende Probleme behandelt werden: Rueckgekoppeltes Nesting fuer Chemie-Transport Simulation, Datenassimilation und Initialisierung, Modellverbesserungen fuer ausgewaehlte Prozesse, Sensitivitaetsverhalten des Systems und Modellevaluierung. Ziel ist es, ein effizientes, hochentwickeltes Instrument zu schaffen, das fuer wissenschaftliche und umweltpolitische Anwendungen eingesetzt werden kann.
Auf Grund ihrer modularen Bauweise weisen Industriedampfturbinen zwischen ihren Leitgitterträgern und dem Außengehäuse dampfgefüllte Seitenräume auf. Das Fluid in diesen Umfangskavitäten mit T- oder L-förmigen Querschnitt wird durch die äußere Hauptströmung (Ringspaltströmung) angetrieben. Die sich ausbildenden mehrdimensionalen Wirbelstrukturen, die durch mögliche Dampfanzapfungen, -entnahmen oder -einkopplungen noch zusätzlich beeinflusst werden können, bestimmen das Wärmeübergangsverhalten zwischen Fluid und Außenwand. Mischkonvektion führt in diesen Bereichen zur ungleichmäßigen Aufheizung des Außengehäuses. Vor allem im instationären sowie im Teillastbetrieb haben die damit verbunden thermischen Gehäuseverformungen starken Einfluss auf die Teilfugendichtheit sowie auf die Radialspiele zwischen Rotor und Stator. Um das thermomechanische Verhalten des Gehäuses bereits im Auslegungsprozess für verschiedene Lastfälle zuverlässig und effektiv mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) vorherzusagen und entsprechend zu optimieren, reicht der Wissensstand zum Wärmeübergang in den Seitenräumen nicht aus. Aus diesem Grund wird in Zusammenarbeit mit der Siemens AG ein druckluftbetriebener, skalierter Versuchsstand entwickelt und am Zentrum für Energietechnik der TU Dresden errichtet. Mit der modularen, größenverstellbaren Versuchsanordnung sind systematische Untersuchungen zum Wärmeübergang in repräsentativen Seitenräumen in Abhängigkeit von deren Geometrie und von den Strömungsverhältnissen (Reynolds-Zahl, Drall) in der Hauptströmung möglich. Für die Messung der lokalen Wärmeübergangskoeffizienten entlang der Innenoberfläche der Seitenraumaußenwand kommen gleichzeitig zwei verschiedene, rückwirkungsarme Messverfahren mit nur sehr geringem Wärmeeintrag in das System zur Anwendung: die stationäre inverse Methode sowie die lokale Übertemperaturmethode. Parallel erfolgt die Nachrechnung ausgewählter Fälle mittels numerischer Strömungssimulation (CFD), mit der die experimentellen Ergebnisse verglichen werden. Neben der weiteren Qualifikation der verwendeten Messmethoden zur Bestimmung von Wärmeübergangkoeffizienten für ähnliche Aufgabenstellungen sowie für industrierelevante Anwendungen besteht das Ziel der Untersuchungen in der Entwicklung allgemein gültiger Ansätze (Aufstellen von NUSSELT-Korrelationen) und damit in der Erweiterung des Wissensstandes für den Wärmeübergang in Seitenräumen von Dampfturbinengehäusen sowie in Kavitäten allgemein. Durch Einpflegen der Ergebnisse als thermische Randbedingungen in die FEM-Berechnung werden die Vorhersagequalität des thermomechanischen Verhaltens im instationären Betrieb und damit die Lastflexibilität von Industriedampfturbinen verbessert und Optimierungspotentiale bei der Gehäusegestaltung aufgezeigt.
Fuer zukuenftige Druckwasserreaktoren werden derzeit Kernfaengerkonzepte als eine Massnahme zur Beherrschung auslegungsueberschreitender Stoerfaelle mit Niederschmelzen des Kerns entwickelt. So ist fuer den EPR ('European Pressurized Water Reactor') ein Konzept ('EPR-Core Catcher') vorgesehen, in dem die Schmelze sich auf einer grossen Flaeche ausbreiten kann, um dann geflutet zu werden. Ziel ist es, mit einem grossen Verhaeltnis von Oberflaeche zu Volumen der Schmelze eine ausreichende Kuehlung sicherzustellen. Aus Kosten- und Sicherheitsgruenden ist es zur weitgehenden Abdeckung moeglicher Stoerfallszenarien sinnvoll, umfassende experimentelle Versuchsreihen durch Simulationsprogramme zu ergaenzen, die ein sehr wichtiges Instrumentarium zur detaillierten Analyse von Stoerfallszenarien unter spezifischen Bedingungen darstellen. Im Rahmen dieses Projektes wird in Anlehnung an das EPR-Konzept ein Modell zur Beschreibung des Ausbreitungs- und Abkuehlungsverhaltens von Schmelze entwickelt. Insbesondere beinhaltet dies eine Modellierung des dynamischen wie auch thermischen Verhaltens auslaufender Schmelze unter Beruecksichtigung der fuer den Spaltprodukttransport wesentlichen Prozesse.
EURAD (Europaeisches Ausbreitungs- und Depositionsmodell) ist ein Modellsystem, das fuer die Behandlung der Ausbreitung anthropogener Schadstoffe in Europa und Teilgebieten davon entwickelt wurde. Es wird auf Regionen unterschiedlicher Groesse (Kontinent, Staaten, Bundeslaender, Stadtgebiete) angewendet. Das Modellsystem wurde vor allem fuer die Behandlung von Smogepisoden, aber auch fuer die Untersuchung der Ausbreitung radioaktiver Wolken und der Wirkung von Flugzeugemissionen eingesetzt. Dabei wurde es umfangreich evaluiert. Mit ihm ist die chemische Wirkung von Aerosolen sowie der Einfluss von Wolken und Nebel behandelt worden. Seine Anwendungsbreite und Flexibilitaet ermoeglicht den Einsatz unter vielfaeltigen Bedingungen. Es wird auch in Zukunft in anwendungsorientierten und wissenschaftlichen Projekten eingesetzt werden.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Weiterentwicklung von Methoden und Modellen, mit denen anthropogene Emissionsdaten der Schadstoffe NOx, CO und VOC differenziert nach Stoffklassengruppen ermittelt werden koennen, die als Eingabedaten fuer die im Rahmen des Foerderschwerpunktes Troposphaerenforschung (TFS) geplante numerische Simulation atmosphaerischer Prozesse verwendet werden koennen. Die entwickelten Modelle zur Ermittlung anthropogener Emissionen sowie die aus dem Vorhaben von Steinbrecher et al., FhG-IFU, uebernommenen Verfahren zur Ermittlung biogener Emissionen werden verwendet, um Emissionsdaten fuer ausgewaehlte Episoden zu berechnen und fuer die atmosphaerischen Modelle im TFS bereitzustellen. Fuer die berechneten Emissionsdaten werden Streuungsmasse abgeschaetzt.
Die wirtschaftliche Auslegung und ein energetisch optimaler Betrieb von TGA-Anlagen fuer solaroptimierte Gebaeude, NEH sowie Atrien erfordern voellig neue Herangehensweisen. Ein wichtiges Instrument stellt die gekoppelte Simulation der Bausteine Gebaeude, Anlage, Raumluft- und Gebaeudedurchstroemung dar. Die Kopplung erfolgt derzeit ueber die Oberflaechen der einzelnen Tools. Als Folge ist insbesondere die beschraenkte Aussagekraft der Ergebnisse zu nennen. Das Ziel des Vorhabens besteht folgerichtig in einer mathematischen Kopplung der og Tools (einschliesslich Quelltexteingriffe), um zeitlich stark veraenderliche Randbedingungen (Aussenlufttemperatur, Sonnenstrahlung, Wind, Anlagenparameter, Nutzerverhalten) beruecksichtigen zu koennen. Das Vorhaben soll neben den angestrebten Ergebnissen auch eine wichtige Grundlage fuer die integrale Planung darstellen.
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