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.
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.
Gegenstand ist die Analyse vertraglicher Elemente, die zwischenstaatliche Kooperationen zur Bewaeltigung des anthropogenen Treibhauseffektes ermoeglichen und stabilisieren. Unter Anwendung der Kosten-Nutzen-Analyse, der nicht-kooperativen Spieltheorie sowie mit Hilfe numerischer Simulationen werden Vertragsinhalte und -instrumente analysiert, die auch bei Nichtexistenz einer uebergeordneten Hoheitsgewalt globale Wohlfahrtsgewinne sowohl durch Steigerung der Bereitstellungs als auch der Kosteneffizienz realisierbar machen. Im Vordergrund stehen dabei Aspekte der Heterogenitaet der beteiligten Staaten und der Umsetzung internationaler Transferzahlungen, Informationsunvollkommenheiten sowie der dynamische Charakter von Verhandlungen ueber internationale Umweltprobleme. Pigou-Steuern zur effizienten Internalisierung sind auf internationaler Ebene nur eingeschraenkt einsetzbar, da die nationale Steuerautonomie an den Staatsgrenzen endet. Die Untersuchung widmet sich indirekten Internalisierungsmoeglichkeiten, wenn die Kooperationsbereitschaft von Verursacherlaendern verweigert wird. Neben den realen Effekten von unilateralen Internalisierungsstrategien, die simultativ quantifiziert werden, gilt das Interesse den effektiven sozialen Kosten von Umweltsteuern, die als Finanzierungsquelle des Staatshaushaltes dienen (doppelte Dividende). Optimale intertemporale Umweltpolitik in offenen Volkswirtschaften In endogenen Wachstumsmodellen wird untersucht, wie sich eine striktere Umweltpolitik auf das wirtschaftliche Wachstum auswirkt und unter welchen Voraussetzungen ein nachhaltiger Entwicklungspfad erreicht werden kann. Betrachtet werden sowohl langfristige Gleichgewichtseffekte als auch Anpassungsprozesse zum neuen gleichgewichtigen Wachstumspfad, die numerisch mit dem kalibrierten theoretischen Modell simuliert werden. Teilprojekt A8 des Sonderforschungsbereichs 178 'Internationalisierung der Wirtschaft'. Arbeitsbereich b): 'Optimale Finanzpolitik zur Internalisierung grenzueberschreitender Externalitaeten'. In dem Arbeitsbereich wurden drei konkrete Fragestellungen untersucht, um aus nornativer Sicht die Wechselwirkung zwischen oekonomischer und oekologischer Variablen in einer offenen Volkswirtschaft zu studieren. 1. Lassen sich Umweltprobleme in offenen Volkswirtschaften durch einzelstaatliche Massnahmen bekaempfen und werfen diese unter Umstaenden eine doppelte Dividente ab? (Killinger). 2. Verliert die Umweltpolitik an Attraktivitaet, wenn Lenkungssteuern nicht um die Umwelt sondern gleichzeitig das Wirtschaftswachstum beeinflussen? (Hettich). 3. Lassen sich internationale Umweltabkommen durch zusaetzliche Instrumente derart gestalten, dass Kosteneffizienz und Anreizkompatibilitaet erreicht wird? (Schmidt).
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.
In hydraulischen Berechnungen von Flusslaeufen oder im Kanalnetz wird meist auf eine eindimensionale Betrachtungsweise zurueckgegriffen. Oft stellen sich aber Probleme, bei denen der mehrdimensionale Charakter einer Stroemung von entscheidender Bedeutung ist. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, unter Ausnutzung der Besonderheiten von Stroemungen mit freier Oberflaeche eine Berechnungsmethode aufzuzeigen, mit der praxisrelevante Probleme mit vernuenftigem Rechenaufwand zu loesen sind. So koennen beispielsweise mit Hilfe mehrdimensionaler Berechnungen die Genauigkeit erhoeht, der Wirkungsgrad von Wasserkraftanlagen durch eine Optimierung der Zu- und Ablaufbedingungen verbessert, Wechselwirkungen zwischen Bauwerken und Stroemung bestimmt oder das Gefaehrdungspotential von Hochwasserereignissen in Fluss-Vorlandsystemen besser beurteilt werden. Das betrachtete Stroemungsgebiet wird mit raeumlichen finiten Elementen diskretisiert. Zur Beschreibung des Fliessvorganges kommen die Navier-Stokes-Gleichungen ergaenzt durch ein Turbulenzmodell zur Anwendung. Im Gegensatz zur Beschreibung von Stroemungen mit den Flachwassergleichungen kann so auf die Annahme einer hydrostatischen Druckverteilung verzichtet werden.
Das Konzept der Kapillarsperre ist eine vielversprechende Alternative zu herkoemmlichen Oberflaechenabdichtungen von Deponien und Altlasten. Versuche am Institut fuer Wasserbau und Wasserwirtschaft haben die grundsaetzliche Eignung der Kapillarsperre unter Laborbedingungen nachgewiesen. Mit dem Bau grossmassstaeblicher Probefelder mit Kapillarsperrensystemen auf den o.g. Deponien wurde die bautechnische Herstellbarkeit belegt. Die Versuchseinrichtungen gestalten eine vollstaendige Bilanzierung des Wasserhaushaltes der Dichtungssysteme und ermoeglichen, das Langzeitverhalten unter natuerlichen klimatischen Bedingungen naeher zu untersuchen.
Das Forschungsvorhaben dient zur Analyse der Interaktion einer Vormischflamme mit einem turbulenten Stroemungsfeld. Um die Vielzahl der dabei auftretenden Einflussparameter zu begrenzen, wird die Annahme einer duennen Flammenfront getroffen, deren Aufenthaltsort durch eine skalare Feldgleichung beschrieben wird. Durch dieses Flameletkonzept fuer die vorgemischte Verbrennung gelingt es, die chemischen von den stroemungsmechanischen Vorgaengen zu trennen. Es existieren dann vier massgebliche Parameter, die in ihrer direkten numerischen Simulation einer Variation unterzogen werden: die laminare Brenngeschwindigkeit, d.h. die Geschwindigkeit, mit der sich die Flamme durch ein ruhendes Gas bewegt, die Marksteinlaenge, die die Sensitivitaet der Flamme gegenueber Kruemmung und Streckung angibt, das Dichteverhaeltnis der verbrannten und unverbrannten Gase sowie die Reynoldszahl der Stroemung. Die ermittelten Ergebnisse sollen zu einem tieferen Verstaendnis der turbulenten, vorgemischten Verbrennung fuehren, um eine fundierte Modellierung, insbesondere der turbulenten Brenngeschwindigkeit, zu ermoeglichen. In einem ersten Schritt wurde die Dichteaenderung durch die Verbrennung vernachlaessigt, so dass die Flamme keine Rueckwirkung auf das Stroemungsfeld hat, und die laminare Brenngeschwindigkeit sowie die Marksteinlaenge wurden variiert. Dabei gelang es, zwei unterschiedliche Regimes der Flammenausbreitung zu identifizieren. Bei hohen Brenngeschwindigkeiten und kleinen Marksteinlaengen erfolgt die Propagation der Flamme nach dem Huyghen'schen Prinzip, waehrend sie sich bei kleinen Brenngeschwindigkeiten und grossen Marksteinlaengen wie ein diffuser Skalar verhaelt.
Entwicklung von Modellansaetzen zur Berechnung partiell vorgemischter turbulenter Verbrennung in nichtvorgemischten Systemen. Direkte numerische Simulation mit aufgeloesten numerischen Skalen - Loesung der Navier-Stokesschen Gleichungen - Verwendung von Ein-Schritt- oder Mehr-Schritt-Modellen fuer die chemische Kinetik. Verbrennungsmodellierung mit dem Flameletkonzept fuer Diffusionsvormischflammen in Verbindung mit direkter numerischer Simulation der Turbulenz und bei Verwendung von Turbulenzmodellen.
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.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 22 |
| Wissenschaft | 18 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 22 |
| License | Count |
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| Offen | 22 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 22 |
| Englisch | 6 |
| Resource type | Count |
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| Keine | 19 |
| Webseite | 3 |
| Topic | Count |
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| Boden | 16 |
| Lebewesen und Lebensräume | 16 |
| Luft | 14 |
| Mensch und Umwelt | 22 |
| Wasser | 14 |
| Weitere | 22 |