Mikro-mechanische Untersuchung von ungesättigten Packungen

Ungesättigte Böden bestehen aus drei Phasen: der festen Phase (Bodenkörner), der Wasserphase (Porenwasser) und der Luftphase (Porenluft). Der Gehalt an Porenwasser im Bodengefüge wird durch den Sättigungsgrad bestimmt. Je nach Sättigungsgrad bilden sich unterschiedliche Gas-Fest-Flüssig- Grenzflächen wie Blasen, Flüssigkeitsbrücken oder Kapillargrenzflächen aus. Vor diesem Hintergrund wird deutlich, dass Stabilität, Transportphänomene und Kräfte in ungesättigten Böden stark vom Sättigungsgrad abhängen. Darüber hinaus ist der Sättigungsgrad eher eine lokale Eigenschaft auf der Bodenkornskala als eine globale Eigenschaft. Innerhalb eines Bodens können Regionen mit hoher Sättigung räumlich nahe an Regionen mit niedriger Sättigung liegen. Um das Verhalten ungesättigter Böden zu beschreiben, zu modellieren und zu verstehen, ist es daher notwendig, die physikalischen Phänomene auf der Bodenkornskala zu verstehen. Das beantragte Forschungsvorhaben befasst sich mit der Untersuchung mikrohydraulischer und mikromechanischer Prozesse in teilgesättigten granularen porösen Medien mittels neuer Modellierungsansätze und bildgebender Experimente. Bei diesen Experimenten kommt das bildgebende Verfahren der Computertomographie (CT) zum Einsatz. Diese experimentellen Techniken liefern detaillierte Informationen über das Verhalten von granularen Gas-Flüssigkeit-Feststoff- Systemen. Basierend auf diesen Informationen werden numerische Modelle basierend auf Computational Fluid Dynamics (CFD) und Discrete Element Method (DEM) entwickelt und weiter verfeinert. Ziel ist es, numerische Modelle zu entwickeln, die in der Lage sind, das Verhalten gesättigter Böden vorherzusagen und ein noch tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Phänomene zu ermöglichen. Im Gegensatz zu den visuellen experimentellen Techniken können die numerischen Modelle viele zusätzliche Informationen liefern, die durch Experimente nicht leicht zugänglich sind. Beispielsweise werden Kräfte, die auf die Gas-, Flüssig- und Festphase einwirken, auf einer Sub-Partikel Skala berechnet. Dies ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis und die Modellierung von Effekten wie der Stabilität solcher Böden oder anderen geotechnischen Fragestellungen. Aufgrund der für die geplanten Aufgaben erforderlichen breiten Expertise haben sich Forscher der DCS Computing GmbH, die sich auf die Entwicklung numerischer Modelle konzentrieren werden, mit dem Institut für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg zusammengeschlossen.

Ziel des DACH-Kooperationsprojekts (FWF-Projektnummer I 5374) zwischen Prof. Grabe (Institut für Geotechnik und Baumanagement der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH)) und Dr. Christoph Kloss (DCS Computing GmbH) war die Untersuchung der Zweiphasenströmung im Porenraum von Sandpackungen. Wassereinlagerungen in den Poren zwischen den Sandkörnern erzeugen Kapillarkräfte und verändern die mechanischen Gesamteigenschaften des Bodens erheblich. Ziel war die Entwicklung hochpräziser Methoden zur Simulation dieser Prozesse. Im Rahmen des Projekts wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die hochauflösende volumetrische CT-Daten generierten. Diese werden einerseits zur Validierung der entwickelten Rechenmethoden und andererseits zur Erstellung von Simulationen verwendet, die digitale Zwillinge des Experiments sind, beispielsweise durch Verwendung derselben anfänglichen Partikelpositionen und -formen wie in den Experimenten beobachtet. Der erste untersuchte Fall ist die Bewässerung einer Sandsäule, d. h. Wasser, das von unten in eine zunächst trockene Sandpackung eindringt. Dieser Fall kann mit Standard-CFD-Methoden für Flüssigkeits-Gas-Zweiphasenströmungen simuliert werden, indem ein körperangepasstes Netz den Porenraum zwischen den Körnern direkt vernetzt. Dieser Ansatz ermöglicht jedoch nicht ohne Weiteres die Bewegung einzelner Körner. Dazu muss das Netz entsprechend der Partikelbewegung verformt werden, ein Vorgang, der schnell sehr kostspielig wird und häufig Netze von geringer Qualität erzeugt, die zu numerischen Instabilitäten führen. Stattdessen wurde die Immersed Boundary Method (IBM) gewählt, die mit einem statischen Netz arbeitet und den Einfluss von Partikeln auf das Fluid durch einen volumetrischen Kraftterm modelliert. Diese Methode ist wesentlich stabiler als der Ansatz mit körperangepasstem Netz und ermöglicht beliebige Partikelbewegungen. Für die Kombination des IBM- und des Volume-of-Fluid-Ansatzes zur Modellierung der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche ist es entscheidend, die Ausbreitung der Letzteren an der Oberfläche eingetauchter Objekte korrekt zu behandeln. Ein entsprechend gekoppelter CFD-DEM-Solver wurde implementiert und erfolgreich validiert. Simulationen des Bewässerungsvorgangs wurden mit verringerter Domänengröße im Vergleich zu den Experimenten durchgeführt. Die dazu verwendeten Partikeldaten wurden direkt aus den experimentellen Daten extrahiert. Der zweite interessante Aufbau ist der Triaxialversuch, bei dem eine aufrecht stehende zylindrische Packung von Sandkörnern durch einen Außendruck gestützt und zwischen zwei Platten in axialer Richtung komprimiert wird. Abhängig vom Außendruck kann die Probe die vertikale Last über einen bestimmten Schwellenwert hinaus, der von der Korngröße, der Packungsdichte und verschiedenen anderen Parametern abhängt, nicht mehr tragen. Wie im vorherigen Fall stehen volumetrische Messdaten aus Experimenten zur Verfügung und es wurden Simulationen unter Verwendung der aus den Messungen extrahierten Partikelpackung erstellt. Simulationen unter trockenen Bedingungen wurden durchgeführt, indem die Partikelbewegung mit einem speziellen Löser für die Membranverformung gekoppelt wurde. Die Ergebnisse dieser Simulationen stimmen sehr gut mit den Experimenten überein.