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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.

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.

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.

Experimentelle Untersuchungen ueber die Abhaengigkeit aerodynamischer Geraeusche von grundlegenden stroemungsmechanischen und geometrischen Parametern

Es werden experimentelle Untersuchungen der Geraeuscherzeugung von umstroemten Koerpern in einem weiten Reynolds- und Machzahlbereich durchgefuehrt. Durch die spezielle Konstruktion der Versuchsanlage ist die unabhaengige Variation von Reynolds- und Machzahl moeglich. Ziel ist, die theoretische Beschreibung der Geraeuscherzeugung bei aerodynamischen Schallquellen zu verifizieren und zu einer fuer die technischen Anwendungen praktikablen Formulierung zu erweitern. Hierzu werden anhand umfangreicher Parametervariationen u.a. die Abhaengigkeiten von der Geometrie des umstroemten Koerpers und vom Anstroemzustand ermittelt.

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.

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.

Untersuchung der Vertikalkonvektion und oberflaechennahen Zirkulation mit verankerten Doppelprofilstrommessern im Rahmen des 'Greenland Sea Experiments' waehrend des Winters 1988/89

Es wird vorgeschlagen, in der zentralen Groenlandsee ueber den Winter 1988/89 hinweg mit Hilfe von vier verankerten Dopplerprofilstrommessern die Haeufigkeit und raeumliche Verteilung von Vertikalkonvektion zu untersuchen. Dopplerprofilstrommesser erlauben erstmalig die Messung der Vertikalkomponente der ozeanischen Stroemungen mit hinreichender Genauigkeit und Aufloesung, um sinnvolle Zeitserien von Konvektionsvorgaengen erstellen zu koennen. In einer Vorstudie im westlichen Mittelmeer konnte im Winter 1986/87 in einem intensiven Konvektionsgebiet die Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Verfahrens bewiesen werden. Das Vorhaben soll im Zusammenhang mit dem internationalen 'Greenland Sea Experiment' unternommen werden, in dem verschiedene Forschungsgruppen hydrographisch-chemische Messungen von Schiffen, konventionelle Stroemungsmessungen und akustische Tomographieuntersuchungen durchfuehren. Weitere Ziele sind Messungen der grossraeumigen Vorticity...

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.

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.

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.

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