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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Forschung:

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Mechanik teilgesättigter Böden
Teilprojekt III: Modellierung von nichtisothermen Gas-Wasser Strömungs- und Transportprozessen in bindigen Böden
Projektleiter:Prof. Dr.-Ing. Rainer Helmig
Stellvertreter:Dr.-Ing. Holger Class
Wissenschaftliche Mitarbeiter:Dipl.-Geoökol. Sandra Freiboth
Projektdauer:1.12.2001 - 30.11.2007
Finanzierung:externer Link Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektpartner:siehe DFG-Forschergruppe Mechanik teilgesättigter Böden
Publikationen: Link

Zusammenfassung:

Im Rahmen dieses Teilprojektes sollen Methoden zur numerischen Modellierung von nichtisothermen Zweiphasen-Zweikomponenten Strömungs- und Transportprozessen in bindigen Böden unter Berücksichtigung von Schrumpf- und Schwellvorgängen entwickelt werden, wobei ein starres Korngerüst zugrunde gelegt wird, dessen hydraulisch relevante Eigenschaften (z.B. Porosität, Permeabilität) sich aber durch Schrumpfen und Schwellen verändern können. Das Zweiphasen-Zweikomponenten-Modell umfasst hier die beiden Fluidphasen Wasser und Gas sowie die darin enthaltenen Komponenten Wasser (flüssig und gasförmig) und Luft (als Gas bzw. gelöst im Wasser). Solche Modelle spielen beispielsweise für die Beschreibung der Prozesse bei der Austrocknung von Deponieabdichtungen eine Rolle und sind für Fragestellungen hinsichtlich einer dauerhaften Wirkung der Dichtung von besonderer Bedeutung. Diese Arbeiten erfordern eine besonders enge Abstimmung mit Experimenten und Laborversuchen, aus denen konstitutive Beziehungen sowie bodenmechanische und strömungsmechanische Parameter hervorgehen.

Es werden zunächst Methoden weiterentwickelt, die es erlauben, numerische Simulationen bis zum Erreichen einer kritischen Sättigung, die dann z.B. zu Schrumpfrissen führt, durchzuführen. Dazu soll eine Methodik konzipiert werden, mit der wesentliche Parameter und Modelleingangsgrößen durch einen Vergleich mit Laborexperimenten (siehe Teilprojekt IV) zuverlässig bestimmt werden können. Die Anwendung inverser Modellierung steht hierbei im Vordergrund. Weiterhin sollen die Einflüsse von kleinskaligen Heterogenitäten, von Auflasten und von Schrumpfprozessen auf die Simulationsergebnisse untersucht werden. Weiter wird die Gültigkeit des Darcy'schen Gesetzes bei sehr geringen Durchlässigkeiten überprüft. Für eine effiziente Simulation der gekoppelten nichtlinearen Prozesse sollen u.a. die Parallelisierung des zugrundeliegenden Programmsystems MUFTE_UG sowie ein darin implementiertes Mehrgitterverfahren weiterentwickelt werden. Für die zweite Antragsphase ist eine Kopplung des hier entwickelten Modells mit einem Stoffmodell geplant (siehe Teilprojekt Meißner/Hügel), so dass dann auch Strukturveränderungen wie Schrumpfrisse erfasst werden können.