Hochgenaue Multiskalen-Modellierung von Murgängen

Breiterer Forschungskontext: Murgänge stellen die Hauptnaturgefahren in den Alpen. Die Materialien der Muren können aus Wasser, Böden und großen Blöcken wie Felsbrocken und Baumstämmen bestehen. Der ausgeprägte mehrskalige und mehrphasige Charakter von Murgängen hat großen Einfluss auf deren Strömungsdynamik, Ablagerungsverhalten und Aufpralleigenschaften mit Schutzbauten. Durch die Berücksichtigung von allen Phasen werden wir eine hochpräzise Modellierung von Murgängen erreichen. Das vorgeschlagene numerische Modell ermöglicht eine verbesserte Simulation von Murgängen in großem Maßstab, einschließlich Wechselwirkung zwischen Boden und Wasser, Partikelentmischung, sowie Aufprallkraft von Felsbrocken. Es besteht ein hohes Potenzial für Forschungs- und Ingenieurspraktiken im Bereich Geogefahren. Darüber hinaus dürfte das Projekt für Hydraulik und Verfahrenstechnik von Interesse sein, wo solche Zweiphasenmischungen eine wichtige Rolle spielen. Ziele: Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines genauen, robusten und effizienten numerischen Modells, um hochpräzise dreidimensionale Simulationen für Murgänge unter Berücksichtigung aller wesentlichen Merkmale bereitzustellen, einschließlich der mehrphasigen Boden-Wasser-Kopplung mit einem mikropolaren Materialmodell für den Boden, die Wechselwirkung zwischen großen Partikeln, die natürliche unregelmäßige Partikelform und die Entmischung. Methoden: Zunächst werden Zentrifugenmodellversuche durchgeführt, um die Multiskalennatur des Murenmaterials zu untersuchen und eine Datenbank für die Validierung aufzubauen. Zweitens wird ein mehrschichtiges SPH-Modell basierend auf der Mischungstheorie zusammen mit einem mikropolaren Stoffmodell entwickelt. Drittens wird eine Methode zur Darstellung diskreter Elemente durch Oberflächennetz entwickelt, um große Felsbrocken mit beliebig komplexen Formen (DEM) zu modellieren. Die Kopplung zwischen SPH und DEM wird für Reibungskontakt und viskosen Effekt zwischen Felsbrocken und kontinuierlichen Wasser-/Bodenphasen erreicht. Multi-GPU-Parallelisierungstechniken werden eingesetzt, um eine hohe Effizienz zu erreichen und numerische Simulationen mit hoher Wiedergabetreue zu ermöglichen. Originalität: (1) Zentrifugenverscuhe unter Verwendung transparenter Ersatzmaterialien, die eine genaue Erfassung der Strömung erlauben. Die transparenten Modellmaterialien ermöglichen die explizite Verfolgung großer Partikel mittels optischer Messungen. (2) Ein neuartiges und umfassendes numerisches Multiskalenmodell für bessere Beschreibung von Murgängen. Beteiligte Hauptforscher: Die Projektarbeit wird durch einen Vollzeit-Doktorand und einen Vollzeit- Postdoktorand unter Aufsicht des Antragstellers durchgeführt.