RTG-Project: Interaction of structures and fluids - Simulation of multi-phase flow processes in porous media with the aid of adaptive methods

Küstenschutzbauwerke werden im Allgemeinen während ihrer Lebensdauer nur in unregelmäsigen Abständen von Extremereignissen wie Strumfluten und Hochwasser belastet. Aufgrund von Klimaveränderungen und säkularem Meeresspiegelanstieg werden diese Belastungen jedoch in den kommenden Jahren zunehmen, wie z.B. an der Häufung von Hochwasserkatastrophen in der letzten Zeit abzulesen ist Nicht nur die Anzahl der Belastungsfälle erhöht sich, auch ihre Intensität nimmt zu. Dies stellt, insbesondere durch die hochdynamische Art der Belastung infolge Druckschläge durch Wellenbrechen in Kombination mit einem Durchweichen der Struktur, eine Gefährdung der Standsicherheit und damit der Funktionsfähigkeit der Küstenschutzbauwerke dar. Aus diesen Gründen ist es wichtig, Konzepte zu entwickeln, um neue Strukturen an die zu erwartenden Belastungen anzupassen und für vorhandene Strukturen eine Abschätzung der Sicherheitsreserven zu ermöglichen.

Ein wesentlicher Bestandteil, um Aussagen über den Belastungsgrad des Bauwerkes treffen zu können, sind Informationen über das Fortschreiten der Wasserfront.

Im Rahmen von Vorarbeiten wurde eine Parameterstudie zur Beschreibung der Fließvorgänge in einem Deich angefertigt. Hierbei wurde die Mikroskala (Ebene der einzelnen Körner und Poren) mit Hilfe eines Kontinuum-Modells modelliert und der sich infolge von Infiltration des Wassers in das Gebiet einstellende zeitliche Frontverlauf zwischen gesättigter und ungesättigter Zone simuliert. Diese Untersuchungen wurden mit verschiedenen Randbedingungen (konstanter Wasserstand und overtopping) durchgeführt.

Es wird eine Zwei-Phasen-Formulierung verwendet, um die dominanten Fließprozesse innerhalb der Struktur beschreiben zu können. Diese Formulierung bietet im Gegensatz zu der bislang üblichen Ein-Phasen-Formulierung den Vorteil, auch Lufteinschließungen und komplexe Frontformen, wie sie z.B. bei Überströmung des Bauwerkes (overtopping) und Heterogenitäten auftreten, erfassen und beschreiben zu können.

Zusätzlich zu diesen numerischen Untersuchungen, wurde auch ein Experiment durchgeführt. Hierbei handelt es sich um eine Hele-Shaw-Zelle, in der ein gezonter Damm untersucht wurde. Die numerische Simulation dieses Experimentes zeigte, dass zwar die Fließprozesse gut abgebildet werden können, aber besonders bei scharfen Fronten, wie sie im Hele-Shaw-Experiment vorkommen, und bei Heterogenitäten, also Übergängen bei Zonen mit unterschiedlichen Durchlässigkeiten, Schwierigkeiten auftreten.

Um die Auflösung der genauen Lage der scharfen Fronten zu verbessern und gleichzeitig die Rechenzeit zu verringern, werden im Rahmen des Graduiertenkollegs "Wechselwirkung von Struktur und Fluid" unter dem Titel "Simulation von Mehrphasen-Fließprozessen in Porösen Medien mit Hilfe adaptiver Methoden" verschiedene adaptive Strategien untersucht.

Da Küstenschutzbauwerke einen sehr komplexen Aufbau aufweisen, werden die adaptiven Strategien zunächst an Modellbeispielen angewendet, die bestimmte Eigenschaften und Bereiche der Gesamtheit "Küstenschutzbauwerk" wiederspiegeln.

Interessengebiete

Mehrphasen-Strömung

poröse Medien

adaptive Methoden

Helmig, Rainer

Hinkelmann, Reinhard

Paul, Maren

LH2

04/1999  - 03/2002

German Research Foundation (DFG)