Eine neuartige und einheitliche Lösung für mehrphasige Massenflüsse

• Antragsteller: Dr. Shiva P. Pudasaini, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau ; Geodäsie, Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformatik, Kartographie ; Physische Geographie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399557307

Schuttströme sind gravitätsgetriebene, gemischte Flüsse aus Erde, Sand, Gestein und Wasser. Feste Partikel und viskose Flüssigkeit bestimmen die rheologischen Eigenschaften, ihre Wechselwirkung beeinflusst signifikant die Dynamik. Schuttströme können an Volumen und Zerstörungspotential dramatisch zunehmen und ihre Mobilität außerordentlich durch Mitreißen von abgelagerten Sedimenten erhöhen. Die Zusammensetzung der Mischung kann sich ändern und die räumliche Verteilung von Partikeln und Flüssigkeit, Reibung und viskosen Widerstand markant beeinflussen. Erosion, Ablagerung und Phasentrennung fest-flüssig, die stark von der Materialzusammensetzung abhängt, spielen eine kritische Rolle. Ein tiefer gehendes Verständnis dieser komplexen physikalischen Prozesse ist unabdingbar zur akkuraten Beschreibung von Schlagkraft, Überflutungsgebiet, Landschaftsentwicklung und zuverlässiger Schadensminimierung. Vorhersagen zugrunde liegender Prozesse von Erosion, Phasentrennung und Ablagerung im Schuttstrom sind lang bestehende Herausforderungen. Jedoch existiert aufgrund fehlender Daten und geeigneter Modelle keine Vorhersage, die beobachtete Prozesse von Erosion, Mitnahme und Diffusion erodierten Materials, Körner-Sortierung, Phasentrennung, Leveebildung und Ablagerung beinhaltet.Mit innovativen mechanischen Modellen für Erosion, Ablagerung und Phasentrennung, die explizit lokale Veränderungen in der Zusammensetzung berücksichtigen (Uni. Bonn) und ihrer Validierung durch einzigartige, wohl kontrollierte, bahnbrechende Experimente (Uni. Utrecht) streben wir eine neuartige, einheitliche, effiziente und vollständig gekoppelte Lösung für diese echte mehrphasige, dreidimensionale Massenbewegung an. Da Schuttströme durch dreiphasige Mischung mit viskoser Flüssigkeit, feinen und groben Körnern besser beschrieben werden als mit üblicher einphasiger, besteht das vorgeschlagene Modell aus drei Phasen mit Festigkeitsgrenze. Da Wellen-Dispersion eine kritische Rolle spielt wenn Landmasse auf Wasser einwirkt, beinhaltet es nicht-hydrostatische Effekte. Großer Vorteil dieses vorgeschlagenen, einheitlichen, dreiphasigen Ansatzes ist, realistisch ineinander greifende Prozesse von Erosion, Phasentrennung, Umwandlung von Schuttstrom zu Trübestrom mit Einfluss auf Fließstruktur, Zusammensetzung und Ablagerung, zu erreichen. Neue Experimente mit mehrkomponentigen erosiven Schuttströmen, die alle entscheidenden komplexe Prozesse kombinieren, validieren das Modell. Diese beinhalten Erosion trockener und gesättigter Betts, Mitnahme, Körner-Sortierung, Phasentrennung, Levee-/Lobebildung, Flußumwandlung von subaerisch zu submariner Umgebung und Ablagerung bei variierendem Reservoirfüllstand. Das Projekt resultiert in einem neuartigen open-source Simulations-Modell, das anstrebt die Dynamik von Schuttströmen, Phasentrennung, Erosion, Ablagerung und Auslauf korrekt vorherzusagen. Das Modell wird die Schadensminimierung verbessern, sowie Schäden und Todesfälle weltweit reduzieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Dr. Tjalling de Haas; Professor Dr. Maarten G. Kleinhans