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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.

Bodensee-Ufererosion - Bestandsaufnahme und Bewertung

Transport und Sedimentation organischer Stoffe in Abwasserteichen

Das Ziel des Vorhabens ist es, Stroemungsvorgaenge, die den Transport und damit auch den Abbau organischer Stoffe bestimmen, zu beschreiben. Diese Beschreibung der Stroemungsvorgaenge als Funktion von Bau-, Betriebs- und klimatischen Parametern (z.B. Wind, Temperatur, etc.) soll in Verbindung mit den reaktionskinetischen Ansaetzen die Grundlage fuer eine genauere Bemessung von Teichen und fuer eine Leistungsverbesserung sein.

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.

Direkte numerische Simulation turbulenter Vormischflammen auf der Basis einer skalaren Feldgleichung

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.

Einfluss mechanischer Schwingungen auf die Stroemung im Boden

Mechanische Schwingungen beeinflussen die Stroemung im Boden, da der Stroemungswiderstand des Bodens infolge der Veraenderung der Durchtrittsquerschnitte im Rhythmus der Schwingungen veraendert wird (Atmung). Auch der Stofftransport durch den Boden sowie der damit verbundene Stoffaustrag aus Boden, Grundwasser und Bodenluft wird durch mechanische Schwingungen beeinflusst. Diese Tatsache ist bei der Verbesserung der Durchspuelung und/oder Sanierung des Bodens von besonderem Interesse. Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die theoretische Untersuchung der Stroemung im Boden unter dem Einfluss von mechanischen Schwingungen sowie die Entwicklung eines physikalischen Modells zur Verifikation der theoretischen Untersuchungsergebnisse mit Hilfe von Labormessungen. Anwendungsfelder sind neben der Bodensanierung die Injektionstechnik oder die Mineraloelgewinnung.

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.

Ausbreitung von Luftschadstoffen ueber nicht ebenem Gelaende

TRACT ist ein Subprojekt von EUROTRAC, EUROTRAC ein koordiniertes Programm zur Untersuchung des Transportes und der chemischen Umwandlung von Spurenstoffen und Schadgasen in der Atmosphaere ueber Europa. Forschungsschwerpunkte von TRACT sind: - experimentelle Studien zur Untersuchung von horizontalem und vertikalem Transport von Spurenstoffen in der Atmosphaere sowie -Analyse der atmosphaerischen Gegebenheiten mittels numerischer Simulation von solchen Situationen, die waehrend der TRACT-Messkampagne erfasst wurden. TRACT konzentriert sich dabei auf solche atmosphaerischen Prozesse des Transportes und der Vermischung, die in der atmosphaerischen Grenzschicht stattfinden und durch dynamische und thermische Einfluesse des inhomogenen Gelaendes beeinflusst sind. Die Prozesse, durch welche die taegliche Variation und die raeumliche Verteilung der Spurenstoffe in der Mesoskala bestimmt sind, bilden Schluesselelemente der Untersuchungen. Prozesse, die in groesserem Detail untersucht werden, sind: - Einfluss von orographischen Effekten auf die Entwicklung der atmosphaerischen Grenzschicht., - Einfluss von orographischen Effekten auf den atmosphaerischen Transport und die Austauschprozesse innerhalb der atmosphaerischen Grenzschicht, - der Uebergang (handover) von Luftverschmutzungen aus der atmosphaerischen Grenzschicht in die freie Troposphaere.

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.

Modellierung der Zuendung in inhomogenen Mischungen

Da die in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzten Kraftstoffe ein Gemisch aus vielen aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen bilden, beschraenkt man sich bei der Simulation von Verbrennungsvorgaengen zunaechst nur auf den Einsatz von Modellkraftstoffen. Als Modellkraftstoffe fuer motorische Verbrennung bieten sich iso-Oktan fuer Otto- und n-Heptan fuer Dieselkraftstoffe an. Die Reaktionsmechanismen dieser Kohlenwasserstoffe sind aeusserst umfangreich (mehrere hundert Elementarreaktionen), und die Berechnung mehrdimensionaler Stroemungs- und Verbrennungsvorgaenge ist aufgrund begrenzter Rechnerkapazitaeten nahezu unmoeglich. Aus diesem Grund werden die detaillierten Reaktionsmechanismen systematisch auf eine handhabbare Zahl von Elementarreaktionen reduziert, wobei darauf geachtet wird, dass die Allgemeingueltigkeit der verbleibenden Reaktionsgleichungen weitgehendst erhalten bleibt. Die Modellierung einer nicht vorgemischten Verbrennung in einer turbulenten Stroemung erfolgt mit Hilfe des Flamelet-Modells. Grundlage dieses Modells ist die Annahme, dass die Zeitskala der chemischen Reaktionen wesentlich kleiner ist als die der charakteristischen Zeit der turbulenten Stroemung. Die Folge ist, dass die Reaktionszone als sehr duenn angenommen werden kann. Im Falle einer turbulenten Verbrennung fuehrt dies dazu, dass die turbulente Flamme als Ensemble vieler kleiner laminarer Flaemmchen, den sogenannten Flamelets, beschrieben werden kann.

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