Multiskalenmodellierung physikalischer Vorgängen an der Grenzschicht Wasser/Boden

DasForschungsvorhabenkonzentriert sich auf Erosions-,Transport- und Sedimentationsprozesse entlang der Grenzschicht Wasser/Boden, insbesondere entlang von Unterwassersandböschungen, infolge hydrodynamischer Einwirkungen aus Strömung und Oberflächenwellen sowie infolge mechanischer und hydrodynamischer Einwirkungen aus unterschiedlichen Unterwasser-Baggertechniken. Letztendlich geht es um die maximale Neigung von Unterwassersandböschungen unter Kurz- und Langzeitbedingungen. Diese Fragestellung ist für alle Unterwasserböschungen von Bedeutung, z. B. für Böschungen von Ufersicherungen von Binnenwasserstraßen sowie Wasserstraßen im Tideästuarenbereich von Fließgewässern, für Unterwasserböschungen, die im Zuge von Offshore Gründungsarbeiten am Meeresboden entstehen sowie für Uferböschungen von Baggerseen. Auf der Grundlage experimenteller, theoretischer und numerischer Untersuchungen soll eine Methode zur Dimensionierung der maximalen Kurzzeit- und Langzeit-Neigung von Unterwasser-böschungenerarbeitet werden. Bislang werden z.T. willkürliche Böschungsneigungen (1:3 bis 1:10) verwendet, die zu instabilen Unterwasserböschungen oder zu einem zu großem Flächenverbrauch führen können. Die numerische Modellierung der oben genannten Prozesse basiert auf einer Multiskalenmodellierung, das entsprechende Rechenschema wird als CFD-DEM-Kopplung bezeichnet. Beim vorliegenden Forschungsantrag liegt ein Gemeinschaftsantrag unter dem D-A-CH Abkommen vor, da unser Projektpartner in Deutschland ansässig ist. Es handelt sich um das Institut für Geotechnik und Baubetrieb (B-5) an der Technischen Universität Hamburg- Harburg (TUHH), vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Jürgen Grabe. Im Rahmen von gemeinsamen Vorarbeiten wurden Problemstellungen identifiziert und die von DCS entwickelte open source Software CFDEMcoupling erfolgreich angewendet. Der Antrag wird bei der DFG eingereicht, da die Forschungsinitiative von der TUHH ausging und die TUHH den größeren Mittelanteil beantragt.

Ziel des DACH Kooperationsprojekts unter der FWF Projektnummer I2257 zwischen Prof. Grabe (Institut für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg (TUHH)) und Dr. Christoph Goniva (DCS Computing GmbH.) war die Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Störeinflüsse auf die kurz- und langfristige Stabilität von Unterwasserböschungen. Zu den untersuchten Szenarien zählten sowohl von der Natur erzeugte Störungen wie Überströmungen und Beeinträchtigungen durch Wellen oder Sickerwasser als auch durch Baumaßnamen wie Grab- oder Saugbaggerungen verursachte Destabilisierungen. Für die Untersuchungen wurde eine Kombination aus Experimenten, die vom Projektpartner an der TUHH durchgeführt wurden, und numerischen Simulationen verwendet. Letztere wurden mit der Open Source Software CFDEMcoupling einer Kopplung aus der Open Source Computational Fluid Dynamics (CFD) Software OpenFOAM und dem Open Source Discrete Element Method (DEM) Code LIGGGHTS - durchgeführt. Der Boden wurde als Packung von Partikeln modelliert, um auf Effekte die auf den kleinsten Skalen auftreten eingehen zu können. In einem ersten Schritt mussten die Modelle für für die in den Modellversuchen benutzten Materialien (Hamburger Sand, Glaskugeln) kalibriert werden. Dies geschah unter Verwendung einer etablierten Kombination aus Experimenten und Simulationen. Im nächsten Schritt wurden die im System dominierenden Kräfte ermittelt und ein neues Modell zu Abbildung der lubrication force auf Partikelseite implementiert und validiert. Zusätzlich wurde sichergestellt, dass eine Darstellung der Dilatanz möglich ist. Um alle oben definierten Fälle abbilden zu können, musste zum existierenden Solver, welcher auf Fluidseite lediglich eine Phase zuließ, auch ein fluidseitig mehrphasiger Solver entwickelt werden. Um mit der großen Anzahl von Partikeln arbeiten zu können wurde auf die Methode des coarsegrainings zurückgegriffen, bei dem Cluster von Partikeln zu einzelnen Objekten zusammengefasst werden, und in der Kraftberechnung darauf Rücksicht genommen wird. Es wurden Setups für alle angesprochenen Fälle entwickelt und dem Projektpartner zur Verfügung gestellt. Um die rechenintensiven Detailuntersuchungen insbesondere von Grab- und Saugbaggerungen durchführen zu können, wurde die verwendete Software wurde auf den Cray X30 Großrechner des Norddeutschen Verbunds für Hoch- und Höchstleistungsrechnungen (HLRN) transferiert. Die Untersuchungen zeigten, dass die Experimente gut durch die numerische Simulation abgebildet werden können, insbesondere was das finale Erscheinungsbild der Böschung betrifft, und es deshalb auch möglich ist, bei Kenntnis der vorherrschenden Randbedingungen die entwickelten Modelle zu verwenden um Vorhersagen zu treffen. Einzig die Dauer und der Verlauf des Prozesses bis zum Einstellen des stabilen Zustandes konnte nicht exakt nachgebildet werden. Die Ergebnisse wurden von beiden Kooperationspartnern auf internationalen Konferenzen vor Fachpublikum aus den Bereichen der Geotechnik sowie der Numerischen Simulation präsentiert.