Strömungs- und Transportprozesse an einer Grenzfläche zwischen turbulenter Strömung und einem porösen Medium

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Manhart
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403236141

Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit Austauschprozessen an der Grenzfläche zwischen einem porösen Medium und einer turbulenten Strömung. Wir konzentrieren uns auf die Strömung und den Stofftransport in der hyporheischen Zone, in der sich das oberflächlich abfließende Wasser mit dem Grundwasser vermischt. Diese Zone hat eine herausragende Bedeutung für die ökologische Funktion eines Oberflächengewässers.Die turbulente Strömung über eine poröse Schicht aus random gepackten Kugeln wird für mehrere Reynoldszahlen mit Hilfe der Direkten Numerischen Simulation beschrieben. Dabei wird der Porenraum geometrische voll aufgelöst. Die Rauheiten umfassen den glatten bis turbulent rauen Bereich. Die Simulationen werden mit Hilfe von kürzlich veröffentlichten Daten validiert, die in einem Experiment erhoben wurden, das den derzeitigen Stand der Technik repräsentiert und dadurch detaillierte ortsaufgelöste Verteilungen der Strömungsgrößen liefert. Gegenüber dem Experiment wird der Bereich der Reynoldszahlen erweitert und zusätzlich der Stofftransport über die Grenzfläche simuliert. Dadurch sind wir in der Lage, detaillierte Informationen über turbulenten Impuls- und Stofftransport in einem zweifach-gemittelten Sinne zu liefern. Durch die zweifache Mittelung (separat im Raum und in der Zeit) kann man den Transport durch die zeitgemittelte Strömung in der obersten Sedimentschicht (Brinkmann-Schicht) und den Transport durch turbulente Fluktuationen unterscheiden. Wir erhoffen uns davon wesentliche Informationen, die für eine Modellierung der Stoff- und Impulsaustauschvorgänge in der hyporheischen Zone und anderen Grenzflächen zwischen porösen Medien und turbulenten Strömungen hilfreich sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen