Teilchenbasierte Simulation der äolischen Bodenerosion: Auswirkungen elektrostatischer Wechselwirkungen auf die strömungsbedingte Schwelle für den Sedimenttransport

• Antragsteller: Dr. Eric Josef Ribeiro Parteli
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 348617785

Ziel vorliegenden Forschungsprogramms ist die Entwicklung einer Diskrete-Elemente-Methode (DEM) für die teilchenbasierte Simulation des äolischen Sandtransports und der damit verbundenen Emission von Aerosolpartikeln in die Atmosphäre. Diese Simulation wird zur vollständigen Repräsentation des Staubzykluses in Klimamodellen beitragen und ist für eine Vielzahl an Anwendungen, von der Küsten- bis hin zur Planeten- und Desertifikationsforschung, von fundamentaler Relevanz. In der ersten Projektphase wurden die Grundbausteine für die zu erzielende DEM gelegt. Unser numerisches Werkzeug koppelt die granulare Dynamik unter Berücksichtigung interpartikulärer Kontakt- und van-der-Waals-Kräfte mit einem strömungsmechanischen Modell für das turbulente Windfeld in der atmosphärischen Grenzschicht. In der nächsten Projektphase wird unsere DEM-Simulation um die elektrostatischen Partikel-Partikel-Wechselwirkungen, welche sich aus Kontakt-Elektrifizierungsprozessen (Tribocharging) ergeben, erweitert. Sand- und Staubstürme werden von elektrischen Feldern von einigen kV/m bis mehreren Hundert kV/m begleitet. Solche E-Felder können die für den Transportbeginn erforderliche Mindestwindgeschwindigkeit (Ut) verringern und somit zu einer erheblichen Steigerung der Sandtransport- und der Staubemissionsraten beitragen. Weil noch wenig über die Auswirkung elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen den Bodenpartikeln auf die mikroskopische (partikelförmige) Dynamik äolischer Sedimentbetten verstanden ist, stellt die Vorhersage von Ut bei Vorhandensein elektrischer Ladungen jedoch eine schwierige Herausforderung dar. Deshalb ist das Ziel unseres Projekts, die Mechanik des granularen Bettes auf der Mikroskala (Teilchenskala) und die damit verbundene, strömungsbedingte Schwelle Ut für den Beginn des Sedimenttransports mit Hilfe der DEM-Simulationen zu untersuchen. An der Fakultät für Physik der Universität Duisburg-Essen wurden kürzlich Windkanalexperimente zur Ermittlung von Ut mit Berücksichtigung verschiedener Ladungsverteilungen durchgeführt. Die Daten aus diesen Experimenten werden für die Modellvalidierung hilfreich sein. Unser Forschungsvorhaben wird den Weg ebnen für die DEM-Simulation der Triboaufladung in granularen Materialien – ein Phänomen von grundlegender Bedeutung für viele Bereiche der Umwelt- und Ingenieurwissenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen