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.
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.
Die Grundwasservorkommen in der Hamburger Region zaehlen zu den ergiebigsten Grundwasserresourcen in ganz Europa und werden heutzutage vor allen Dingen zur Versorgung der Bevoelkerung in der Metropolregion Hamburg mit Trinkwasser genutzt. Im Hamburger Stadtgebiet werden sechs fuer die Wasserversorgung wichtige, Suesswasser fuehrende quartaere und tertiaere Grundwasserleiter unterschieden, die weitgehend durch gering durchlaessige Schichten voneinander getrennt sind und bis Tiefen von rund 500 m unter NN erprobt wurden. Von grosser Bedeutung fuer die vertikalen hydraulischen Kontakte zwischen den Schichten sind die elstereiszeitlichen Rinnensysteme, die in die tertiaeren Schichten einschneiden. Eine annaehernd quantitative Beschreibung der Grundwasserstroemung fuer das im Laufe der Eiszeiten im Hamburger Raum entstandene komplizierte hydraulische System kann nur mit Hilfe von Grundwassermodellen erfolgen. Es wurde daher ein dreidimensionales numerisches Grundwasserstroemungsmodell fuer die tiefen tertiaeren Grundwasserleiter entwickelt. Dabei wird das Programm Processing Modflow (Chiang, 1993) benutzt. Die vorhandenen Kenntnisse zur Geometrie des Hamburger Untergrundes wurden zusammen mit Daten ueber Grundwasserfoerderraten, aus Pumpversuchen ermittelten Durchlaessigkeitswerten und der Auswertung von Wasserstandbeobachtungen an den tiefen Grundwassermessstellen in dem Stroemungsmodell zusammengefasst. Auch die im Zusammenhang mit den Untersuchungen zur Salinitaet, zu Temperaturveraenderungen oder Aenderungen der Isotopenverhaeltnisse und des sonstigen Wasserchemismus gewonnenen Erkenntnisse ueber Fliesswege und Stroemungsgeschwindigkeiten der tiefen Grundwaesser finden Eingang in das Stroemungsmodell und dienen der Validierung und fortlaufenden Verfeinerung. Das Grundwasserstroemungsmodell soll allgemein fuer Fragestellungen der Wasserwirtschaft und Wasserversorgungsplanung zur Verfuegung stehen. So sollen beispielsweise Auswirkungen von regionalen Veraenderungen der Grundwasserfoerderung auf das Gesamtsystem ebenso beschrieben werden koennen wie daraus resultierende Konsequenzen fuer das nutzbare Grundwasserdargebot.
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.
In einem Festbett-Biofilm-Reaktor bildet sich der aktive Biofilm auf der Oberflaeche der Schuettungskoerper. Die Eigenschaften des Biofilms (und damit die Qualitaet des gereinigten Abwassers) sind lokal von Groessen wie Geschwindigkeiten, Konzentrationen oder Temperaturen abhaengig. Mittels numerischer Simulationen soll das Geschwindigkeitsfeld untersucht werden, um die stroemungsmechanischen Belastungen des Biofilms zu ermitteln. Es ist bereits bekannt, dass innerhalb der Kugelschuettung erhebliche lokale Geschwindigkeitserhoehungen auftreten, die es nicht erlauben, Auslegungen nur auf der Basis von globalen, gemittelten Groessen durchzufuehren.
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.
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.
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.
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.
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.
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| Bund | 31 |
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