Partikelaufgelöste Simulationen der Dynamik von Kohäsivem Sediment: Ein besseres Verständnis von Sedimentation, Stabilität und Erosion.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernhard Vowinckel
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428445330

Die Dynamik von kohäsivem Sediment wird durch das Zusammenspiel von gravitativen, elektrostatischen und hydrodynamischen Kräften bestimmt. Typische Laboruntersuchungen ermöglichen es nicht, kohäsive Kräfte isoliert zu betrachten, da diese Effekte durch die Gewichtskraft der Partikel überlagert sind. Aus diesem Grund besitzen existierende Modelle zur Berechnung der Dynamik von kohäsivem Sediment starke Defizite, so dass bisher noch keine zuverlässigen Skalierungseigenschaften für diese Kräfte und deren Auswirkung auf Flokkulierung als Funktion von Eigenschaften der Partikel und des umgebenden Fluids bestimmt werden konnten. Dieser Umstand bedeutet ein ernstes Hindernis in der Modellierung von Umweltsystemen wie zum Beispiel Flüsse, Seen, Flussmündungen, Meeresküsten, und Fischereigebieten, für die kohäsives Sediment eine zentrale Rolle spielt. Das vorliegende Forschungsprojekt hat deshalb zum Ziel, die Dynamik von kohäsivem Sediment über detaillierte und hochaufgelöste Direkte Numerische Simulationen zu untersuchen, um über die gewonnenen, hochpräzisen Daten Skalierungsverhalten von Flokkulierung und Erosion zu entwickeln. Zu diesem Zweck werden neueste numerische Modelle für die Berechnung von kohäsiven Kräften weiterentwickelt, die mit experimentellen Daten validiert werden sollen, die unter anderem auf der Internationalen Raumstation gewonnen wurden. Die erzielten Ergebnisse können im Weiteren als Referenz für die Skalierungseigenschaften von kohäsiven Kräften dienen, um die komplexe Interaktion von kohäsivem Sediment und dem umgebenden Fluid mit Hilfe von partikelaufgelösten Direkten Numerischen Simulationen zu bestimmen. Wissenschaftliche Fragestellungen, die untersucht werden sollen, sind unter anderem (a) Können existierende Modellansätze der partikelauflösenden Simulationen um Effekte wie eine variable Salzkonzentration oder die porösen Eigenschaften kohäsiver Aggregate erweitert werden? (b) Wie präzise sind ist solch ein Model im Vergleich mit experimentellen Vergleichsdaten? (c) Wie verändert sich die Sinkgeschwindigkeit kohäsiver Sedimente als Funktion von Sediment und Salzkonzentration? (d) Inwiefern beeinflusst die Aggregatbildung das Absetzverhalten von feinkörnigen Sedimenten und gebundenen Schad- und Nährstoffen? (e) Wie wird kohäsives Sediment in Scherströmungen erodiert und transportiert bei gleichzeitiger Veränderung der Strömungsbedingung? (f) Können die Daten der numerischen Simulation genutzt werden, um kritische Grenzwerte für Erosion und Sedimenttransportraten von experimentellen Ergebnisse zu reproduzieren? Das vorliegende Forschungsvorhaben hat das Potential, diesen Wissenschaftsbereich signifikant weiterzuentwickeln, da durch die Ergebnisse realitätsgetreue Modelle für die Wasserwirtschaft, den Flußbau und die Geophysik entwickelt werden könne.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen