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Found 38 results.

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.

Experimentelle Methoden zur Simulation von Schwachwindsituationen im urbanen Bereich

Um die Auswirkung baulicher Massnahmen auf die Durchlueftung von Innenstadtbereichen zu ermitteln, sind bei Verwendung hydraulischer Modelle spezielle Versuchstechniken erforderlich: Neben der Notwendigkeit, auch sehr geringe Stroemungsgeschwindigkeiten moeglichst stroemungsfrei auszumessen, ist die Simulation von Dichtestroemungen einschliesslich der Nachbildung von Kaltluftproduktion und Waermeabgabe durch die Baukoerper nachzubilden. Fuer die Messung von niedrigen Geschwindigkeiten kommen in Ergaenzung zu Laser- und Heissfilmanemometrie lediglich optische Methoden wie z.B. Wasserstoffblaeschenbeobachtungen in Frage. Fuer die Simulation der Dichtestroeme scheidet die prinzipiell moegliche Methode, auch im hydraulischen Modell mit Waerme zu arbeiten, aus, da wegen der Einhaltung der Aehnlichkeitsgesetze eine ca. zehnfache Temperaturspreizung erforderlich waere. Abhilfe schafft hier die Verwendung von chemischen Zusaetzen, welche nach Bedarf die Dichte des Wassers vergroessern oder verringern. Erste Erfahrungen mit rechnerisch erfassbaren Versuchsbedingungen, wie z. B. Schleusenfuellungsversuche oder Abfluss eines Dichtestromes ueber eine Schwelle zeigen ermutigende Ergebnisse fuer diese Art der Experimentiertechnik.

Instabile Dichteströmung im Subterranen Ästuar - Ein Multiplikator für den 'Iron curtain' und reaktive Transportprozesse?

Submarine Grundwasseraustritte sind wichtige Komponenten des hydrologischen Kreislaufs und tragen wesentlich zum Austrag von Nährstoffen, Kohlenstoff und Metallen aus den küstennahen Grundwasserleitern in die Küstenmeere bei, in Folge dessen sie küstennahe marine Ökosysteme beeinflussen. Das derzeitige Bild der hydraulischen Bedingungen im subterranen Ästuar ist, dass eine von Gezeiten und Wellenbewegung induzierte Salzwasserzirkulationszelle einen Süßwasser-'tube' überlagert. Unsere eigenen Forschungsergebnisse legten jedoch kürzlich nahe, dass diese Schichtung unter bestimmten Randbedingungen instabil wird, die Salzwasserzirkulationszelle und der Süßwasser-'tube' nicht mehr existieren und stattdessen Salzwasserfinger in das darunterliegende Süßwasser absinken. Dies würde die subterranen Grundwasseraustrittsmuster stark verändern und sich mit großer Wahrscheinlichkeit auch auf die geochemischen Prozesse im Untergrund auswirken. Das Projekt kombiniert physikalische Laborversuche und numerische Modellierung, um zu untersuchen (i) ob und wo ein Absinken von Salzwasserfingern in das darunterliegende Süßwasser in der Natur denkbar ist, (ii) welchen Einfluss Sedimenteigenschaften (z.B. Heterogenität) und Randbedingungen (z.B. saisonal variabler Süßwasserzustrom) auf die Ausbildung von Salzwasserfingern haben, (iii) wie die Strömungsmuster in 3-D aussehen, (iv) welche Möglichkeiten der Vorhersage es für die instabilen Strömungsmuster gibt und wie man diese verbessern kann sowie (v) welchen Einfluss die veränderten Strömungsmuster letztlich auf die biogeochemischen Prozesse und die Formation von stark adsorbierenden Eisen(III)hydroxidoberflächen ('Iron curtain') in sandigen Strandgrundwasserleitern und die davon abhängigen Stoffausträge in das Meer haben.

Mischungsprozesse in dicht geschichteten Seen und ihre oekologische Relevanz

Mischung in dicht geschichteten Seen umfasst die folgenden Fragestellungen: Turbulenz in der Oberflaechendeckschicht (Wind-induzierte Turbulenz und konvektive Turbulenz); turbulente Diffusion als Funktion der Aktivitaet interner Wellen; Randmischung und Bodenreibung; horizontale Diffusion im offenen Wasser; Dichtestroemungen; geochemische Stofffluesse als Funktion der Mischungsprozesse; die Rolle der Biologie fuer chemische Dichtestabilisierung; Naehrstofffluesse in Seen.

Baggergut: Simulation morphodynamischer Vorgaenge unter dem Einfluss von Dichteeffekten am Beispiel der Einbringung von Baggergut

Bei der Verklappung von Baggergut im Kuestenbereich treten dichtbedingte Stroemungen im Wasserkoerper auf. Diese ueberlagern sich mit den natuerlichen Stroemungsverhaeltnissen. An der Sohle tritt das Baggergut mit dem dort vorhandenen Sohlmaterial in Wechselwirkung, wird ueber eine gewisse Strecke transportiert und ggf. in die Sohle eingemischt. Der Verbleib des Baggergutes kann mit numerischen Modellen, die diese Effekte beruecksichtigen, simuliert werden. In diesem Projekt soll ein vorhandenes Modell, das bereits erfolgreich fuer die Simulation des Verbleibs von Baggergut eingesetzt wurde, um die Beruecksichtigung der dreidimensionalen Dichtestroemungen erweitert werden. Vorhandene Messdaten aus der Elbe werden genutzt, um die Dichtestroemungseffekte im Nahbereich einer Verklappungsstelle zu erfassen. Dann treten die salzgehaltsbedingten Dichteffekte hinzu, indem eine Probeverklappung in der Aussenweser mit den derzeit besten Messmethoden verfolgt wird. Die Messungen fliessen in die Entwicklung und Testung des numerischen Modelles ein. Der Einsatz dieses Modelles ermoeglicht ein verbessertes umweltvertraeglicheres Management von Baggergutverbringung.

Teilprojekt 5, Teilprojekt 1

Für die zentrale Wasserversorgungsinfrastruktur in der Zukunft sind Veränderungen durch den klimatischen und demographischen Wandel zu berücksichtigen. Insbesondere ein Anstieg des Meeresspiegels mit einem daraus resultierenden Vordringen von Salzwasser in die Aquifere der Küste, eine veränderte Wasserführung der Flüsse und eine veränderte Niederschlagsverteilung sind mögliche Auswirkungen. Primäre Aufgabe des Teilprojektes GRS ist es, mit Hilfe der Strömungs- und Transportprogramme d3f und r3t für die Regionen, in denen die Problematik einer drohenden Versalzung der Grundwasserleiter eine Rolle spielt, dreidimensionale Grundwassermodelle unter Berücksichtigung des Dichteeinflusses zu entwickeln und, wenn notwendig, auf dieser Basis auch Schadstofftransporte zu modellieren. Das Teilvorhaben 'Grundwasser' liefert damit eine wesentliche Grundlage für die Analyse der möglichen Auswirkungen und Konsequenzen. Arbeitsplanung: Neben der Modellierung der dichtebeeinflussten Strömungen ist das Teilvorhaben am Diskussionsprozess der lokalen Akteure zur Szenarienentwicklung beteiligt. Auf der Basis der Diskussion über die Szenarien und den Ergebnissen der Konsequenzenanalyse wird ein Planungsinstrumentarium erstellt. Aufbauend auf dessen Ergebnissen werden dann wiederum gemeinsam mit den Partnern Anpassungsstrategien für die Wasserversorger entwickelt. Die GRS vertritt in diesem Prozess die Ergebnisse aus dem dichtebeeinflussten Grundwassermodell.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Modeling the Antarctic ice sheet using a fracture-induced calving parameterization

The project encompasses: A) the expansion of the fracture density approach to account for the depth and orientation of fractures on their way down the flow towards the calving front; B) an extended calving law based on rift formation, validated against observational data and tested in regional simulations. Providing a probability density function for calving based on statistics; C) a paleoclimatic simulation of the Antarctic ice sheet (about 20.000 years) with fracture-related model improvements. Coupling to an ocean model for the transport of released icebergs, validation against sediment records. -- This research is relevant for society, because it improves the understanding of rapid sea-level changes in the past and provides therewith the necessary knowledge for the risk assessment of such events in an increasingly warming future climate.

Weiterentwicklung der Rechenprogramme d3f und r3t, E-DuR

In der Zeit von 1994 bis 2003 wurden die beiden Rechenprogramme d3f (distributed density-driven flow) und r3t (radionuclides, reaction, retardation, and transport) zur Modellierung von Dichteströmungen aufgrund von Versalzungen bzw. von Radionuklidtransporten unter der Federführung der GRS entwickelt. Jetzt sollen die Programme um die Möglichkeiten Klüfte explizit zu modellieren, den Wärmetransport bei Dichteströmungen zu berücksichtigen und freie Grundwasseroberflächen und Potentialströmungen zu betrachten, erweitert werden. Die Aufgaben werden innerhalb eines Verbundprojektes bearbeitet. Dabei hat die GRS die Verantwortung für AP 1 Leitung des Vorhabens. AP 2 Entwicklung einer Benutzeroberfläche. AP 3 Testrechnungen sowie AP 4 Abschlussbericht, mit Fortschreibung der Anwenderhandbücher und der Testfallsammlung. Das AP 7 Kluftmodellierung wird als FuE-Auftrag durch das Steinbeis-Forschungszentrum bearbeitet. Aufgrund der Erfahrungen aller Projektteilnehmer sind die Erfolgsaussichten gut.

Advanced bipolar membrane processes for remediation of highly saline waste water streams (NEW ED)

Objective: NEW ED aims at closing industrial water cycles and reducing the amount of waste water streams with highly concentrated salt loads stemming from a broad range of industrial production processes by exploiting the waste components (salts) and transforming them to valuable products. This will be achieved by developing new micro- to nano-porous bipolar membranes for bipolar electrodialysis (BPMED), a new membrane module concept and by integrating this new technology into relevant production processes. The bipolar membrane process produces acids and bases from their corresponding salts by dissociating water at the interface within the bipolar membranes. However, BPMED so far has been applied only in niche markets due to limitations of the current state of membrane and process development. Major drawbacks of the classic BPMED process are low product purity, limited current density and formation of metal hydroxides at or in the bipolar membrane. The objective of this project is to overcome these limitations by developing a new bipolar membrane and membrane module with active, i.e. convective instead of diffusive water transport to the transition layer of the bipolar membranes, where water dissociation takes place. The key feature of the innovative new bipolar membranes is a nano- to micro-porous and at the same time ion conducting intermediate transition layer, through which water is convectively transported from the side into the transition layer. The porous transition layer may have either the character of a cation or an anion exchanger. Several promising intermediate layer materials together with different monopolar ion-exchange layers will be tested and characterized. Membrane manufacturing and new module concepts will be investigated to exploit the full potential of the new bipolar membrane technique. Integration of the developed membranes and modules into relevant production processes is an essential part of the project.

Graduiertenkolleg: 'Stoffstroeme in Wasser und Boden' - Physikalische Prozesse im Nachklaerbecken - Modellbildung und Simulation

Ziel: Erstellung eines 2-dimensionalen numerischen Modells zur Ermittlung des Stroemungsfeldes und der Feststoffverteilung in runden Nachklaerbecken. In diesem Projekt wurde ein bestehendes zwei-dimensionales numerisches Modell um die fuer die Beschreibung der Vorgaenge in einem Nachklaerbecken relevanten Prozesse erweitert. Hierzu gehoeren die Implementation einer Funktion zur Erfassung der Dichtebeeinflussung der Stroemung durch unterschiedliche Feststoffkonzentrationen, die Beschreibung des Vorgangs des Absinkens von belebten Schlamm (freies Absinken, behindertes Absinken, Flokkulation) wie auch die Erfassung der Beeinflussung der Turbulenz durch die Dichteverteilung im Becken. Die Erweiterungen wurden anhand von analytischen Loesungen oder Labormessdaten verifiziert; das gesamte numerische Modell wurde anhand von Messdaten, die auf einer realen Anlage ermittelt wurden, ueberprueft. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das entwickelte Modell in der Lage ist, die wesentlichen Prozesse in einem Nachklaerbecken abzubilden und so ein geeignetes Werkzeug fuer eine optimale Planung von Nachklaerbecken ist wie auch ein hilfreiches Instrument darstellt, wenn es darum geht, nachtraegliche Einbauten zur Steigerung der Effizienz eines Nachklaerbeckens in ihrer Wirkungsweise zu ueberpruefen und unterschiedliche Varianten miteinander zu vergleichen.

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