Visualisierung und Modellierung der Evaporation mittels repräsentativen 2D-Mikromodellen und universellen Skalengesetzen

• Antragsteller: Professor Dr. Helmut Geistlinger
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318157347

Die Evaporation ist eine zentrale Steuergröße des Bodenwasserhaushalts und ist durch ein komplexes Zusammenspiel von atmosphärischen Randbedingungen und den Strömungs- und Transporteigenschaften des 3-Phasensystems Festphase-Gas-Wasser gekennzeichnet. Das zentrale Ziel ist die experimentelle und theoretische Untersuchung des Evaporationsprozesses für reale Bodenstrukturen mittels repräsentativen 2D-Mikromodellen und Netzwerk-Modellen. Die mittels micro-Computer-Tomographie (mikro-CT) gemessene 3D-Porenstruktur wird durch eine neue topologische 3D-2D-Transformtion auf das 2D-Mikromodell abgebildet. Die experimentellen Ergebnisse werden mit den theoretischen Ergebnissen eines Evaporations-Netzwerk-Modells verglichen, welches erstmals die Evaporation über die Thick-Film-Oberfläche und die experimentelle Porengrößenverteilung berücksichtigt. Die Mikromodelle besitzen sowohl eine innere als auch eine äußere Rauigkeit wie natürliche Böden und Lockergesteine. Erstmals wird der Thick-Film Flow in Abhängigkeit von der Mikrostruktur der Festkörperoberfläche untersucht. Dazu werden REV-Mikromodelle (REV: repräsentatives Elementarvolumen) in Silizium (innere Rauigkeit = 0.1 micro-m), Glas (0.5) und Glaskeramik (3) hergestellt. Als Arbeitshypothese wird davon ausgegangen, dass (i) unterschiedliche atmosphärische Randbedingungen (diffusiver Fluss, laminarer Fluss und turbulenter Fluss; zunehmende potentielle Evaporationsrate) eine unterschiedliche Trocknungsdynamik bewirken und dass (ii) das kritische Wasserpotential vom Thick-Film Flow und von der Thick-Film-Oberfläche abhängt.Es werden 2 Bodenhorizonte einer landwirtschaftlich genutzte Fläche (Fuhrberger Feld) untersucht: (i) sandiger Boden (A-Horizont) und (ii) Mittelsand (C-Horizont). Die Porenstruktur wird mittels mikro-CT (max. Auflösung: 5 micro-m) und Methoden der mathematischen Morphologie (Minkowski-Funktionen) analysiert. Die Mikromodell-Experimente werden für die horizontale und vertikale Wasserströmung im Bereich relevanter Kapillarzahlen (10^-7 bis 10^-4; ansteigende Evaporationsrate) durchgeführt. Für die Visualisierung werden zwei hochauflösende SLR-Kameras (18 Megapixel) und ein Fluoreszenz-Mikroskop verwendet. Die Thick-Film-Dynamik wird mit der Standardtheorie der Benetzung rauer Oberflächen beschrieben. Für alle Experimente wird (i) eine Clusteranalyse durchgeführt, (ii) die gravitative Korrelationslänge mittels universellen Skalengesetzen berechnet und (iii) die Fraktale Dimension der Trocknungs-/Verdrängungsfront bestimmt. Mit Hilfe eines repräsentativen Netzwerk-Modells werden die beiden wichtigen Parameter der Kontinuumstheorie (REV-Skala) - die effektive Permeabilität und der effektive Diffusionskoeffizient - abgeleitet. Die zu erwartenden Ergebnisse sind sowohl von grundlegendem Interesse als auch von großer praktischer Relevanz, da sie das Prozessverständnis und folglich die Prognose-Modellierung zur Evaporation verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen