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Stofftransport in geklueftetem Fels und Gebirgscharakterisierung im Stollennahbereich - Mehrphasenstroemungen

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.

Einsatz induzierter Luftdruckfelder bei Massnahmen zur Bodensanierung, Auswirkungen von induzierten Luftdruckfeldern auf die Wasserbewegung im Boden

Schadstoffe aus Industrie und Landwirtschaft werden ueber das infiltrierte Wasser in den Boden eingetragen. Das Sickerwasser verbleibt unterschiedlich lange in der ungesaettigten Bodenzone. Ein Teil erreicht das Grundwasser und wird vorerst in Kapillarsaum und oberer GW-Schicht horizontal weiter transportiert. Durch Einblasen oder Absaugen von Bodenluft, zB ueber Draenrohre, kann man im Boden ein oertlich begrenztes Luftdruckfeld erzeugen. Je nach Richtung der induzierten Luftdruckgradienten wird die Sickerbewegung beschleunigt, verzoegert oder deren Richtung umgekehrt. Liegt der GW-Spiegel im Einflussbereich des Luftdruckfeldes, koennen die Strom- und Potentiallinien des GW-Stromes gezielt beeinflusst werden. Das Forschungsvorhaben soll fuer die beschriebenen Phaenomene theoretische Grundlagen schaffen. Die gewonnenen Erkenntnisse koennen in einer spaeteren Phase in praxisorientierte Verfahren zur Boden- und Grundwassersanierung umgesetzt werden.

Verhalten von Schadstoffen im Untergrund - Numerische Simulation von isothermen/nicht-isothermen Mehrphasenprozessen unter Beruecksichtigung der Veraenderung der Fluideigenschaften (modulr aufgebautes Modellsystem)

Ziel ist die numerische Modellierung von nichtisothermen und isothermen Mehrphasenprozessen in poroesen und stark heterogenen Medien. Auf der Grundlage eines modular konzipierten Programmsystems zur Berechnung von isothermen Mehrphasenprozessen soll ein mathematisch-numerisches Verfahren mit Hilfe der Finite-Elemente Formulierung weiterentwickelt werden. Die Weiterentwicklung betrifft die Beruecksichtigung von Phasenuebergaengen und Phasenwechseln, die durch Vorgaenge der Waermeuebertragung hervorgerufen werden. Das Programmsystem soll ermoeglichen, die wesentlichen Vorgaenge bei der thermischen in-situ Sanierung kontaminierter Boeden und Grundwasserleiter rechnerisch nachzubilden. Aus kleinskaligen Laboruntersuchungen sollen Parameter fuer relevante Einzelprozesse gewonnen und rechnerisch miteinander verknuepft werden. Die Ergebnisse aus den gekoppelten Modellrechnungen sollen mit den Ergebnissen grossskaliger VEGAS-Experimente verglichen werden. Statusbericht (1995): Fuer das neu zu erstellende Modul des Programmsystems MUFTE zur numerischen Simulation von nichtisothermen Mehrphasenstroemungen in heterogenen poroesen Medien wurden die Grundlagen erarbeitet. Die mathematisch-numerische Modellbildung und die Programmierarbeiten konnten abgeschlossen werden. Einzelprozesse des Modells wurden anhand von analytischen Loesungen fuer einfache Problemstellungen verififziert. Fuer komplexere Vorgaenge wurden in einigen ein- und zweidimensionalen Vergleichsrechnungen mit TOUGH2 (Autor: Prof. Pruess, LBNL, Univ. of Berkeley) Prozesse wie Advektion, Konvektion, Gravitation, Binaerdiffusion in der Gasphase und Konduktion sowie der. Einfluss kapiIlarer Kraefte auf ihre korrekte Implementierung ueberprueft. Im naechsten Schritt muss getestet werden, ob Massen- und Energiebilanzen bei den komplexen Prozessen bei Phasenuebergang (Kondensation, Verdampfung) erfuellt sind. Parallel dazu wurde mit der Fully Upwinding Control Volume Finite Elemente Formulierung ein wichtiges Werkzeug zur korrekten Erfassung der Prozesse an Schichtgrenzen bei heterogenem Aquiferaufbau bereitgestellt.

Schwarmverhalten von Gasblasen in Newtonschen und Nichtnewtonschen Fluiden

Erarbeitung eines Modells zur Beschreibung der Aufstiegsgeschwindigkeit von Gasblasen im Schwarm. Bisher konnte bereits gezeigt werden, dass derzeit gueltige Berechnungsansaetze eine um bis zu 40 Prozent zu geringe Schwarmgeschwindigkeit ausweisen. Durch eine verbesserte Modellierung soll die Berechnung von Stoffaustauschprozessen und die Auslegung von Stoffaustauschapparaten wesentlich verbessert werden.

Einmischen eines Reaktionsstoppers in hochviskose Fluessigkeiten

Exotherme Reaktionen koennen sich bei einem Ausfall der externen Kuehlung aufgrund der Erwaermung des Reaktorinhalts selbst beschleunigen, so dass die Gefahr eines unzulaessig hohen Druckes bzw einer unzulaessig hohen Temperatur besteht. Dies kann zum Verlust des Reaktorinhalts fuehren oder zur Gefaehrdung des Behaelters und seiner Umgebung. Uebliche Sicherheitsmassnahmen zur Beseitigung der Gefaehrdung sind: Oeffnen des Sicherheitsventils oder der Berstscheibe zur Druckentspannung und zum Austrag des Reaktorinhalts, direkte oder indirekte Notkuehlung mit verdampfenden und nicht verdampfenden Fluessigkeiten und Zugabe von Reaktionsstoppern. Bei der Zugabe des Reaktionsstoppers ist es dabei notwendig, den zugegebenen Stopper gleichmaessig zu verteilen, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit ausreichend gesenkt wird. Neben Kenntnissen ueber die Reaktionskinetik ist es also auch erforderlich, die Gleichmaessigkeit der Verteilung, die auch als Mischguete bezeichnet wird, zu bestimmen. Geht man in einer Stoerfallsituation davon aus, dass der elektrische Strom und damit der Ruehrer im Reaktor ausgefallen sind, so bietet es sich an, den Stopper mit Hilfe der 'Ruehrwirkung' von Gasblasen zu vermischen. Hierbei dient das Gas ausserdem zum Eindruecken des fluessigen Stoppers in den Reaktor. Ziel des Vorhabens ist es, die Mischguete in Abhaengigkeit von den Einflussgroessen zu messen. Diese Einflussgroessen sind die Viskositaet der Fluessigkeit, der Gasdruchsatz, die Anordnung und die Form der Ventile und die Behaelterabmessungen. Mit Hilfe von Regressionsrechnungen wird dann unter Verwendung der Messwerte ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Ziel- und den...

Einsatz induzierter Luftdruckfelder bei Massnahmen zur Bodensanierung

Hydraulische Sanierungsverfahren basieren auf dem Aufbringen von Gradienten, um das Stroemungs- und Transportverhalten im Boden gezielt zu beeinflussen. Nicht mischbare, aufschwimmende Schadstoffe (z.B. Mineraloel) koennen mit den ueblichen Sanierungsverfahren nur sehr ineffizient entfernt werden. Im vorliegenden Vorhaben sollen neben hydraulischen auch pneumatische Gradienten durch das Absaugen von Bodenluft in horizontal verlegten Drainrohren aufgebracht werden. Hierbei wird das (kontaminierte) Bodenwasser im Untergrund zur Drainageleitung hin befoerdert. Insbesondere erlaubt die vorgesehene Konfiguration eine - auch bei schwankendem Grundwasserstand - tiefenangepasste Wasserentnahme im besonders stark belasteten Kapillarsaum. Das quantitative Verstaendnis der massgeblichen Wechselwirkungsprozesse soll in diesem Forschungsvorhaben experimentell (grossskaliger Versuchsbehaelter 7,5 mal 2 mal 1 m) und numerisch untersucht werden.

Numerische Modellierung von Mehrphasenvorgaengen bei der Ausbreitung eines Dieselkraftstoffs im Untergrund

Ergebnisse: Das Vorhaben ist Bestandteil des Gesamtprojekts der Arbeitsgruppe Nr. 2 (ZAFA2) des Deutsch-Franzoesischen Instituts fuer Umweltforschung und Umweltstudien: 'Schutz des Grundwassers gegen die Verunreinigung durch Kohlenwasserstoffe und deren Derivate'. Ziel des Projekts ist die Prozessidentifizierung von Mehrphasenstroemungsvorgaengen anhand von numerischen Modellen und ihre Ueberpruefung in unterschiedlichen Massstaeben und bei unterschiedlichen Mehrphasenstroemungssituationen in poroesen Medien. Die physikalischen Experimente, die in Strasbourg (Institut Franco-Allemand de Recherche sur l'Environnement) in labor- und feldaehnlichem Massstab durchgefuehrt werden, sind hierzu die notwendige Basis. Die Untersuchungen bilden die Grundlage fuer den praktischen Einsatz von Mehrphasenstroemungsmodellen zur Beurteilung des Gefaehrdungspotentials bei realen Dieselkraftstoffschadensfaellen. Die Infiltration von hydrophoben Fluessigphasen (NAPL) in gesaettigten und teilgesaettigten homogenen und heterogenen Untergruenden wurde mittels numerischer Berechnungen untersucht. Hierfuer wurde das Zweiphasen-Stroemungsmodell MUFTE sowohl um die Berechnug von Zweiphasenstroemungen von NAPL in heterogenen Medien (ZIHM) als auch um die Berechnung von Dreiphasen-Infiltrationsvorgaengen in teilges. Medien (DITM) erweitert. Untersuchungen zu ZIHM wurden mit Hilfe von ein- und zweidimensionalen Prinzipfaellen und von Experimenten aus der Literatur durchgefuehrt. Sie zeigten, dass das Eindringen der NAPL-Phase in schwerer durchlaessige Schichten bereits bei Permeabilitaetsverhaeltnissen der Schichten zueinander von weniger als 1/10 durch die Kapillaritaet verhindert wird. Die zweidimensionalen Untersuchungen zu DITM zeigten den entscheidenden Einfluss der Parametrisierung der relativen Permeabilitaeten-Saettigungs- und der Kapillardruck-Saettigungsbeziehungen auf den Infiltrationsvorgang.

Methoden zur Berechnung von Trennprozessen zweiphasiger Stoffgemische in Separatoren

Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Abscheideverhalten von Tellerseparatoren. Durch numerische Simulation soll der Trenngrad bestimmt und optimiert werden. Damit wird der Einsatz von Separatoren bei der Mineraloelaufbereitung, der Abwasserreinigung usw. effizienter.

Simulation der Stroemung in Dreiphasensystemen unter Beruecksichtigung veraenderlicher Durchlaessigkeiten

Entwicklung eines mathematisch-numerischen Verfahrens zur Simulation von Stroemungs- und Stofftransportvorgaengen von Dreiphasensystemen (Wasser - Luft - Oel) in der ungesaettigten und gesaettigten Bodenzone. Beruecksichtigung von veraenderlichen Durchlaessigkeiten. Wirksamkeit von In-Situ-Grundwassersanierungen mit og Verfahren simulieren.

Zur numerischen Simulation der Umstroemung von Koerpern, die sich frei in Fluiden bewegen

Mehrphasenstroemungen koennen dann, wenn die disperse Phase niedrig konzentriert ist, dadurch modelliert werden, dass die Bahn eines Elementes der dispersen Phase unabhaengig von den Bahnen anderer Elemente verfolgt wird. Dies geschieht durch Auswertung der Partikelbewegungsgleichung. Die Kopplung zwischen der Bewegung des Traegermediums und der Bewegung der darin suspendierten Partikel erfolgt in der Partikelbewegungsgleichung ueber die Terme, welche die Stroemungswechselwirkung beschreiben. Hier liegt der Zielpunkt fuer den vorliegenden Antrag. Fuer praktische Anwendungen ist der Gueltigkeitsbereich des Stokesschen Widerstandsgesetzes sehr begrenzt. Deshalb soll versucht werden, die Umstroemung einer Partikel, die sich frei in einem Newtonschen Fluid bewegt, durch numerische Loesung der instationaeren Navier-Stokesschen Gleichung zu berechnen. Dabei besteht ein besonderes Problem darin, die mit jedem Zeitschritt der Bewegung variable Lage der Partikelkontur zu beruecksichtigen.

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