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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung

Profil - Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung

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Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung -
Ausbildungsschwerpunkte und Forschungsziele

Der Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung (LH²) am Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart, wurde am 1.10.2000 gegründet. Die meisten Mitarbeiter der Gründungsphase waren zuvor am Institut für ComputerAnwendungen im Bauingenieurwesen, Technische Universität Braunschweig tätig.

Der Lehrstuhl hat sich zum Ziel gesetzt, aufbauend auf den Arbeiten des Lehrstuhls für Hydraulik und Grundwasser eine umfassende, qualitativ hochwertige und fächerübergreifende Ausbildung für Studierende vom Bauingenieurwesen, Umweltschutztechnik (Diplom, Bachelor), Geologie, Mathematik und WAREM (Internationalen Master of Science Studiengangs Water Resources Engineering and Management) durchzuführen. Die Lehrveranstaltungen behandeln die Grundlagen der Hydromechanik, Austausch- und Transportprozesse in Strömungen, die Modellierung von Hydrosystemen sowie weitere Spezialveranstaltungen zur Hydrosystemmodellierung und Hydroinformatik. Sie werden in unterschiedlichen Semestern in den jeweiligen Studiengängen in deutscher und zum großen Teil auch in englischer Sprache gehalten. Des weiteren werden Seminare in Zusammenarbeit mit der Fakultät Mathematik durchgeführt.

Neben der rein fachbezogenen Ausbildung nehmen Aspekte des fächerübergreifenden Arbeitens in Teams, der Teamorganisation sowie der Handhabung und des Managements von Informations- und Telekommunikationstechnologien in der Ingenieursausbildung einen immer größer werden den Stellenwert ein. Durch die Bereitstellung von multimedial aufbereitetem Lehrmaterial und Simulationsprogrammen sowie dem Einsatz von Tele-Teaching und Tele-Learning wird der Umgang mit den neuen Medien direkt am Rechner vermittelt. Dazu steht seit Ende 2001 ein neues Multimedia Lab (MML) zur Verfügung, das dankenswerter Weise von der Universität Stuttgart umgebaut und mit entsprechender Medientechnik und Zubehör eingerichtet wurde.

Auf den genannten Lehrveranstaltungen in den Erstausbildungen baut ein interdisziplinäres internationales Weiterbildungsprogramm auf. Zum einen nimmt LH² am Doktorandenprogramm International Graduate Program Environment Water (ENWAT) der Universität Stuttgart teil, dass zum WS 2001/2002 neu initiiert wurde und Doktoranden zielgerichteter und schneller als bisher zur Promotion führen soll. Zum anderen bietet LH² im Rahmen der European Engineering Graduate School Environment Water (EGW) Weiterbildungskurse an, die sich mit der Modellierung von Mehrphasenströmungen im Untergrund befassen und von Spitzenforschern anderer Universitäten aus dem In- und Ausland ergänzt werden.

Des weiteren verfügt der Lehrstuhl über ein neues, sehr leistungsfähiges Rechnernetz, bestehend aus PCs, Ein- und Mehrprozessor-Workstations sowie seit Anfang 2002 einem leistungsfähigen Parallelrechner.

Der Lehrstuhl befasst sich intensiv mit Grundlagenforschung, die im ausgewogenen Verhältnis mit angewandter Forschung im interdisziplinären, internationalen Umfeld betrieben wird. Die Forschung ist eng verzahnt mit Lehre und Weiterbildung auf der einen Seite sowie einem Technologietransfer in die Ingenieurpraxis auf der anderen Seite. Die klassischen Forschungsmethoden, die Theorie und das Experiment wurden in den letzten Jahren durch ein drittes Standbein erweitert; die numerische Simulation gekoppelter komplexer physikalischer Prozesse auf rasant leistungsstärker werdender Hardware abgestimmt mit stetig weiterentwickelten Softwarekonzepten. Dies hat der Forschung in vielen Bereichen zu einer ganz neuen Qualität verholfen und ungeahnte, neue Möglichkeiten eröffnet. LH² fühlt sich der Hydrosystemmodellierung und Hydroinformatik eng verbunden und erhält die notwendige experimentelle Unterstützung z.B. aus der Versuchseinrichtung für Grundwasser- und Altlastensanierung (VEGAS) am Institut sowie aus Kooperationen mit nationalen und internationalen Partnern. Aus diesem breiten Spektrum von Forschungstätigkeiten ergeben sich für den wissenschaftlichen Nachwuchs eine Vielzahl von anspruchsvollen und herausfordernden Aufgaben.

Die Forschung am Lehrstuhl befasst sich schwerpunktartig mit der Hydrosystemmodellierung, d.h. mit der Methodenentwicklung zur Kopplung von Hydrosystemkompartimenten und von komplexen Strömungs- und Transportprozessen sowie mit dem Brückenschlag zwischen Daten und Hydrosystemmodellen. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Entwicklung und ingenieurpraktischen Anwendung von Simulationsmethoden und -techniken zur Beschreibung von Einphasen- und Mehrphasen-Mehrkomponenten-Strömungs- und Transportprozessen im Untergrund bzw. in porösen und geklüftet porösen Medien. Dazu wurde das Programmsystem MUFTE (Multiphase Flow, Transport and Energy Model) entwickelt und mit der leistungsfähigen Toolbox UG des Instituts für Wissenschaftliches Rechnen der Universität Heidelberg zu MUFTE-UG zusammengeführt. MUFTE befasst sich größtenteils mit der Physik, der Umsetzung der unterschiedlichen Modellkonzepte und den entsprechenden Diskretisierungsverfahren, während UG verschiedene parallele, adaptive Mehrgitterverfahren zur effizienten Lösung großdimensionierter Probleme bereitstellt.

Es werden eine Reihe von Forschungsprojekte bearbeitet, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMFT), der Europäischen Gemeinschaft (EU) und der Industrie finanziert werden. Es werden Einphasenströmungen von Wasser oder Luft, Zweiphasenströmungen von Wasser und Gas oder Schadstoffen (NAPL) sowie isotherme und nicht-isotherme Dreiphasenströmungen von Wasser, Gas und NAPL behandelt, wobei die reinen Strömungen aber auch zusätzlich Mehrkomponententransportprozesse simuliert werden. Aktuelle Forschungsthemen befassen sich mit der Entwicklung spezieller Methoden und Diskretisierungsverfahren für Mehrphasenströmungen, Upscaling und Downscaling, Parameteridentifikation, Kluft-Matrix-Systeme, Gas-Wasser-Strömungen im Untergrund, Hydroinformatik, Hochleistungsrechnen sowie dem Einsatz neuer Medien in der Lehre. Anwendungsgebiete dieser Forschungsthemen sind z.B. die Schadstoffausbreitung im Untergrund, Unterstützung bei der Entwicklung von Sanierungstechnologien durch numerische Simulation, Endlagerproblematik, Methanmigration aus stillgelegten Bergwerken, dauerhafte Wirkung von Deponiedichtungen oder Verschlussbauwerken, Durchströmung von Deich- und Dammbauwerken oder die Verklappung von CO2 im Untergrund.

Die aufgeführten Themen lassen sich nur interdisziplinär im Team lösen. Dies spiegelt sich in der Tatsache wieder, dass neben Bauingenieuren auch Mathematiker, Physiker, Umweltschutztechniker, Geoökologen und Geologen am Lehrstuhl zusammenarbeiten.