Edward Coltman ist Mitarbeiter am Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung (LH2) und im SFB 1313. Er ist Mitglied der SimTech Graduate School (GS SimTech) und wird am Dienstag, den 16. Juli 2024 seine Doktorarbeit mit dem Titel "Coupled Free-Flow and Porous-Medium Flow Systems: An Analysis of Soil Water Evaporation on Multiple Scales" verteidigen.
Datum: Dienstag, den 16. Juli 2024
Uhrzeit: 10:00 Uhr
Ort: MML, U. 1.003, Pfaffenwaldring 61, 70569 Stuttgart
Abstract
Überall in unserer natürlichen und technischen Umgebung bestimmen dynamische Strömungen, die Masse, Impuls und Energie transportieren, unser Umfeld. Obwohl viele dieser Strömungen durch einzelne mathematische Modelle beschrieben werden können, lassen sich einige der interessantesten und wichtigsten Anwendungen am besten als ein System gekoppelter Strömungsbereiche beschreiben. Freie Strömungen (z.B. atmosphärische Strömungen oder Oberflächenwasserströme), kommen oft mit Strömungen in porösen Medien (z.B. unterirdische Grundwasserströmungen oder Strömungen durch Filter) in Berührung. In vielen Zusammenhängen weisen diese Strömungen, wenn sie miteinander in Kontakt stehen, eine erhebliche Kopplung auf, bei der die Bedingungen in einem Bereich die Bedingungen im anderen Bereich sowie den Austausch zwischen den beiden Bereichen beeinflussen. Einige Beispiele für reale Anwendungen, die dieses gekoppelte Verhalten zeigen, sind Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzellen, Transpirationskühlung und hyporheische Strömungen. Die Simulation der Dynamik dieser gekoppelten Systeme ist eine Herausforderung. Für jeden Bereich müssen mathematische Modelle entwickelt und die Kopplung zwischen den Modellen berücksichtigt werden. Darüber hinaus muss der Maßstab der Bewertung berücksichtigt werden. Während Modelle in großem Maßstab für größere Anwendungen nützlich sein können, werden einige für das System relevante Mechanismen möglicherweise vernachlässigt.
In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf ein relevantes, aber komplexes Beispiel für diese gekoppelten Systeme: die Bodenwasserverdunstung. Diese sowohl weit verbreitete als auch umweltkritische Anwendung ist aufgrund der Komplexität der Strömungen auf beiden Seiten der Grenzfläche sowie der für ihre Bewertung erforderlichen Skalen schwer zu beschreiben. Teilweise gesättigte, poröse Oberflächen bedecken einen Großteil der Erdoberfläche, und ihr Austausch von Masse und Wärme mit der Atmosphäre beeinflusst den atmosphärischen Wasserkreislauf und die Energiebilanz der Oberfläche. Während die Auswertungen effizient und in der Lage sein müssen, ein so großes System zu handhaben, werden komplexe Mechanismen auf kleineren Skalen eine große Rolle bei der Entwicklung der Austauschraten spielen. Im Untergrund verkomplizieren Kapillarkräfte, thermische Aspecten des Phasenwechsels, und mehrphasiger Bedingungen, die den Massen- und Wärmetransport in der Nähe der Verdunstungsfront beeinflussen, die Verdunstungspotential. In der Atmosphäre erschweren Turbulenzen, Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen sowie die Entwicklung von Grenzschichten und oberflächennahen Strömungsstrukturen den Verdunstungsbedarf an der Grenzfläche zusätzlich. Selbst für ein homogenes System mit einer einfachen flachen Oberfläche können Modelle zur Beschreibung dieser Verdunstung recht kompliziert werden, aber bei rauen oder geformten Grenzflächen ändern sich sowohl die Bedingungen unter der Oberfläche als auch über der Oberfläche und variieren räumlich. Die Einbeziehung all dieser Mechanismen in größere und vereinfachte Modelle wird zu einer Herausforderung. In dieser Arbeit analysieren wir die Bodenwasserverdunstung auf verschiedenen Skalen mit zunehmendem Komplexitätsgrad. Großmaßstäbliche Modelle, die in der Regel für einzelne gemessene Datenpunkte aufgelöst werden, liefern eine grobe Schätzung der Austauschraten unter Verwendung von Widerstandsfunktionen. Im Vergleich dazu bieten Modelle im Labormaßstab detailliertere Einblicke. Mit ungekoppelten homogenen oder räumlich variierenden Modellen lassen sich einige Dynamiken auflösen, aber Variationen in der Atmosphäre werden dabei ignoriert. Mit Hilfe eines gekoppelten Modells untersuchen wir die Auswirkungen von Grenzflächenrauigkeit und Grenzflächenformen auf die Verdunstungsraten. Anhand dieser Untersuchung und in verbindung mit Experimenten im Windkanal können wir erkennen, dass Grenzflächenformen einen großen Einfluss auf die lokalen und gesamten Verdunstungsraten haben. Während diese Auswertungen auf einer gemittelten Skala sehr nützlich sein können, werden selbst auf dieser fokussierten Skala einige wichtige Mechanismen auf kleineren Skalen ignoriert.
In dieser Arbeit skizzieren wir diese fehlenden Mechanismen und definieren einen Rahmen für die Einbeziehung dieser fehlenden subskaligen Mechanismen auf der gemittelten Skala. Da die verstärkte Diffusion häufig verwendet wird, um fehlende Mechanismen auf der Porenskala zu beschreiben, wird unter Verwendung dieses Rahmens ein geschwindigkeitsgesteuertes Dispersionsmodell entwickelt, bei dem Porenskalen-Simulationen, Volumenmittelung, datengesteuerte Modelle und Metrikanalyse zu einem datengesteuerten, mehrskaligen Dispersionstransportmodell kombiniert werden. Diese Ergebnisse zeigen, wie wichtig genaue Parameter und Modellkonzepte bei der Erfassung von subskaligen Phänomenen sind. In dieser Arbeit wird das Verständnis der Bodenwasserverdunstung durch die Entwicklung und den Vergleich gekoppelter Modelle verbessert, die komplexe Wechselwirkungen zwischen freien Strömungen und porösen Medien auf verschiedenen Skalen berücksichtigen. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für genauere und umfassendere Modelle, die unsere Fähigkeit zur Vorhersage und Steuerung kritischer Umwelt- und Ingenieurprozesse verbessern.
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