Numerische Modellierung von Wasserstrahlinduzierter Erosion

Dieses Projekt, das thematisch in den Bereich der numerischen und experimentellen Geotechnik einzuordnen ist, beschäftigt sich mit der Untersuchung des Düsenstrahlverfahrens. Dieses Grundinjektionsverfahren wird in der Geotechnik oftmals für die Herstellung von Untermauerungen und Abstützungsstrukturen genutzt, sowie um das Absetzen existierender und neuer Fundamente zu verhindern oder um offene und unterirdische Grabungen zu unterstützen. Mittels einer Hochdruckpumpe wird ein aus Wasser oder einer Bindemittelsuspension bestehender Strahl erzeugt, der für das Schneiden oder Erodieren des Grundes verwendet wird. Der Strahl wird durch eine rotierende Düse in den Boden eingebracht und Material wird ausgehend von einer Bohrachse wegerodiert. Es gibt eine Reihe von Faktoren, die Einfluss auf den Prozessverlauf nehmen: zum einen spielen Bodeneigenschaften eine große Rolle, zum anderen aber auch Faktoren wie das verwendete Material, die Konstruktion und Anordnung der Düse(n), der Druck des Schneidestrahls und die Rotations- und Ausbaugeschwindigkeit der Düsen. Obwohl das Verfahren bereits in vielen Bereichen Anwendung findet, bestehen nach wie vor große Unsicherheiten was die Vorhersage des Durchmessers der Strahlsäule betrifft. Im Zuge dieses Projekts verwenden wir eine Kombination aus Experimenten und numerischen Simulationen um den Prozess im Detail zu untersuchen. Die Herausforderung besteht darin, dass Vorgänge, die sich auf sehr kleinen Skalen abspielen Auswirkungen auf den Gesamtprozess mit sich bringen. Es ist daher notwendig, sowohl kleine Details in den Simulationen zu berücksichtigen, als auch den großen Bereich des Gesamtvorgangs darzustellen. Um das Vorhandensein von Flüssigkeiten und Feststoffen auf unterschiedlichen Skalen abbilden zu können, werden zwei unterschiedliche, bereits etablierte CFD-DEM Methoden (Kopplung aus numerischen Fluid-Simulation und Partikelsimulation) miteinander kombiniert, wobei insbesondere die Behandlung des Übergangsbereichs zwischen den beiden Methoden im Zuge des Projekts entwickelt werden muss. Die Experimente werden vom Projektpartner am Institut für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg durchgeführt.

Ziel des DACH-Kooperationsprojekts mit FWF-Projektnummer I 5165 zwischen Prof. Grabe (Institut für Geotechnik und Baumanagement der Technischen Universität Hamburg (TUHH)) und Dr. Christoph Kloss (DCS Computing GmbH) war die Untersuchung des Jets Injektionsprozess und Entwicklung numerischer Werkzeuge zur Modellierung eines solchen Prozesses. Ein wesentlicher Aspekt des Jet-GroutingProzesses ist das Vorhandensein eines breiten Spektrums an Längen- und Zeitskalen, was die Simulation solcher Prozesse rechenintensiv macht. In der ersten Projektphase konzentrierten wir uns auf die Entwicklung eines neuartigen (statischen) räumlich variablen Hybridmodells (unaufgelöst/aufgelöst). Dieses Modell reduziert den Gesamtrechenaufwand für Prozesse mit mehreren Maßstäben und behält gleichzeitig die physikalische Genauigkeit innerhalb bestimmter Regionen bei. Das Modell wurde in der Open-SourceSimulationsumgebung CFDEMcoupling implementiert und ist allgemein anwendbar. Um eine korrekte Implementierung sicherzustellen, wurden die Stabilität und Genauigkeit des Modells durch theoretische Ergebnisse und mehrere Benchmark-Szenarien validiert. Zwei weitere realistische Anwendungsfälle wurden betrachtet: ein vertikaler und ein horizontaler Wasserstrahl in Partikelbetten. Für den vertikalen Fall wurden von den Projektpartnern an der TUHH vor Beginn des Projekts Experimente durchgeführt, während für den horizontalen Fall während dieses Projekts Experimente von den Projektpartnern an der TUHH durchgeführt wurden. Für diese Anwendungsfälle wurden Aufbauten erstellt und entsprechende Simulationen für unterschiedliche Randbedingungen durchgeführt. Der Boden wurde als Partikelpackung dargestellt, was die Betrachtung von Auswirkungen auf einer sehr feinkörnigen Ebene ermöglichte. Obwohl eine quantitative Validierung anhand der Experimente aufgrund der Komplexität des Jet-Grouting-Prozesses noch nicht möglich ist, zeigt eine qualitative Validierung anhand verfügbarer Druckdaten vielversprechende Ergebnisse. Das neu entwickelte numerische Modell wird dem Projektpartner übergeben, der es auf weitere ähnliche Aufbauten anwenden wird. Die Ergebnisse und Resultate des Forschungsprojekts wurden auf internationalen Konferenzen und vor Fachleuten sowohl aus dem Bereich der Geotechnik als auch der numerischen Simulation präsentiert.