Das Projekt "Stofftransport in geklueftetem Fels und Gebirgscharakterisierung im Stollennahbereich - Mehrphasenstroemungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hannover, Institut für Strömungsmechanik und Elektronisches Rechnen im Bauwesen durchgeführt. Die weiterhin aktuelle Thematik der Deponierung von gefaehrlichen Abfallstoffen erfordert die Moeglichkeit, das von diesen Deponien ausgehende Gefaehrdungspotential abschaetzen zu koennen. Zu diesem Zweck wird seit langem an numerischen Simulationsprogrammen gearbeitet, die helfen sollen, die Wirksamkeit der 'natuerlichen Barriere' einzuschaetzen und ausserdem eine Prognose ueber zukuenftige Zustaende abzugeben. In diesem Zusammenhang stehende Forschungsarbeiten im Felslabor 'Grimsel' durch die Bundesanstalt fuer Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) fuehrten zu dem Wunsch, neben der schon bestehenden Moeglichkeit zur Modellierung von Wasser- und Gasstroemungsprozessen auch mehrphasige Verdraengungsprozesse von Gas-Wasser-Stroemungen numerisch simulieren zu koennen. Das zu diesem Zweck von R. Helmig entwickelte numerische Modell verwendet eine Finite-Elemente-Formulierung mit frei koppelbaren 1D-Roehrenelementen (Fliesskanaele), 2D-Scheibenelementen (Kluefte) und 3D-Kontinuumselementen (Felsmatrix). Die beiden Phasen Luft und Wasser werden als nicht mischbare Fluide behandelt, zwischen denen keine Austauschprozesse stattfinden. Die verschiedenen Elementtypen erlauben es, komplexe Geometrien durch sinnvolle Abstraktion in ein diskretes Modell zu ueberfuehren. Das Fliessverhalten im Modell wird bestimmt durch die gegenseitige Behinderung der fliessenden Phasen (Permeabilitaets-Saettigungs-Beziehung) sowie die angesetzten Kapillarkraefte zwischen den Phasen (Kapillardruck-Saettigungs-Beziehung). Dadurch ist es z.B. moeglich, den Effekt einer Kapillarsperre im numerischen Modell zu erfassen. Die Simulation von Mehrphasenstroemungen und speziell Gas-Wasser-Verdraengungen fuehrt jedoch vielfach auf numerische Schwierigkeiten. Bedingt durch die enormen Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften der betrachteten Fluide und die starke nichtlineare Kopplung der zugrundeliegenden Differentialgleichungen ergibt sich ein raeumlich und zeitlich stark variierendes Systemverhalten. Durch die nichtlineare Kopplung ist es zudem noetig, die Loesung fuer jeden Zeitschritt iterativ zu bestimmen. Die speziell fuer diese Probleme neu eingefuehrte Relaxationssteuerung ermoeglicht jetzt fuer viele derartige Probleme die Loesung oder beschleunigt den Loesungsvorgang. Dadurch wurde es moeglich, Systeme zu rechnen, bei denen die Ausbildung scharfer Saettigungsfronten sonst zur Instabilitaet des numerischen Verfahrens fuehrte. Die ebenfalls entwickelte Zeitschrittsteuerung ermoeglicht das gleitende Anpassen an die veraenderten Systembedingungen waehrend des Rechenlaufs, wodurch der zugelassene Diskretisierungsfehler in Zeitrichtung und damit der Rechenaufwand gesteuert werden kann. Die Zeitschrttweitensteuerung verbessert insbesondere bei Problemen mit starker zeitlicher Variabilitaet, wie sie z.B. bei der Gas-Wasser-Verdraengung auftreten, erheblich die Rechengeschwindigkeit.
Das Projekt "Adaptive Modellierung von Stofftransportprozessen im Kluftgestein" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hannover, Institut für Strömungsmechanik und Elektronisches Rechnen im Bauwesen durchgeführt. Die numerische Simulation von Stroemungs- und Stofftransportvorgaengen im Kluftgestein erfordert eine genaue Erfassung der physikalischen Phaenomene (wie z.B. dichteinduzierte oder Mehrphasenprozesse), um die Ausbreitung von Stoffen bei Schdensfaellen im Bereich von Lagerstaetten nachbilden und ggf. vorhersagen zu dessen Verlauf geben zu koennen. Die Bearbeitung dieser z.T. hochgradig nichtlinearen Prozesse erfolgt zunaechst fuer den linearen Fall eines Transports idealer Tracer in einer instationaeren, vollstaendig dreidimensionalen Grundwasserstroemung. Die im Kluft/Matrix-Interaktionsbereich extrem variierende gemischte parabolisch/hyperbolische Defferentialgleichung stellt hohe Anforderungen an das numerische Loesungsverfahren, das eine grosse Genauigkeit aufweisen und trotzdem berechenbar (effizient) sein soll. Daher erfolgt die Erfassung der komplexen geologischen Formationen des gekluefteten poroesen Felsgesteins mittels beliebig konform gekoppelter verschieden-dimensionaler Elemente (3D - Felsmatrix, 2D - Kluefte, 1D - ausgepraegte Fliesskanaele). Die Finite-Elemente-Methode stellt dafuer eine konsistente Formulierung dar, benoetigt aber bei Advektionsproblemen eine hohe Aufloesung des Frontbereichs. Bei statischen Berechnungsgittern ergeben sich dadurch unnoetige Verfeinerungen. Es wurde ein adaptives Verfahren zur dynamische Anpassung des gekoppelten 1D/2D/3D-Gitters an die transiente Loesung der Transportgleichung entwickelt.