Mehrfeld-Kontinuumsmodellierung von Bruchprozessen in mit zwei Fluiden gefüllten porösen Medien ergänzt durch mikroskalenbasierte maschinenlernende Materialgesetze

• Antragsteller: Dr.-Ing. Yousef Heider; Professor Dr.-Ing. Bernd Markert
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458375627

Die Bruchbildung in mikroskopisch-heterogenen, mit zwei Fluiden gefüllten porösen Materialien stellt ein mehrskaliges Problem mit sich entwickelnden internen Diskontinuitäten dar. Es ist aus mechanischer und rechnerischer Sicht durch einen hohen Grad an Komplexität und Unsicherheit gekennzeichnet, da es Fluid-Fluid-Verschiebungen (z.B. Wasser-Luft oder Öl-Wasser) bei gleichzeitiger Verformung und Degradierung der zugrundeliegenden porösen Matrix aufweist. Trotz der Wichtigkeit des Themas wurde es nur wenigen Forschungsarbeiten behandelt. In der Bodenkunde können trockenheitsbedingte Brüche in teilgesättigten Tonböden ihre thermohydro-mechanischen Eigenschaften signifikant verändern und zu einem erheblichen Feuchtigkeitsverlust führen. In der Geotechnik können Austrocknungsrisse im Baugrund die Stabilität von Bauwerken gefährden. Des Weiteren ist es in der geothermischen Energieproduktion und Erdöltechnik entscheidend die Verläufe von hydraulischen Brüchen vorhersagen zu können, um mögliche Nachteile wie die Auslösung von Erdbeben oder die Kontamination des Grundwassers zu vermeiden.Bei diesen dreiphasigen Werkstoffen spielen die Art und Weise der Bruchinitiierung, bzw. Trocknung oder Benetzung, und der Sättigungszustand, d.h. eine vollständige Sättigung, ein Übergangszustand, ein Brückenzustand oder ein Restzustand, eine entscheidende Rolle für die mathematische Formulierung der Materialdegradierung und die Stabilität des numerischen Modells. Außerdem wirkt sich die Formulierung der verlaufsabhängigen Retentionskurve wesentlich auf die Genauigkeit der Modellierung aus, während das Vorhandensein von Rissen in der Festkörpermatrix eine Anisotropie im effektiven Medium herbeiführt. Daher sollte das mathematische Modell der Flüssigkeitsströmung im Riss die anisotopische Permeabilität und die Art der Strömung auf der Rissskala, d.h. Darcy- oder Nicht-Darcy-Strömung, berücksichtigen. Die drei wichtigsten Beiträge des zugrunde liegenden Antrags sind die Folgenden: Erstens die Entwicklung eines zuverlässigen makroskopischen Bruchmodells in porösen Materialien mit unterschiedlichen Sättigungsgraden, basierend auf der Einbettung des Ansatzes der Phasenfeldmodellierung (PFM) in die Kontinuum-Mehrphasenmechanik poröser Medien. Zweitens die Einführung und Implementierung robuster und flexibler numerischer Simulationsalgorithmen zur Lösung der entstehenden gekoppelten Differentialgleichungen. Drittens die Nutzung der Fähigkeiten des maschinellen Lernens (ML) durch die Verwendung von tiefen neuronalen Netzen (DNN) und des tiefen Verstärkungslernens (DRL), um ML-basierte Materialmodelle zu generieren, die sich auf das pfadabhängige Retentionsverhalten und den Flüssigkeitsfluss beziehen und die zusätzlich wichtige mikrostrukturelle Informationen berücksichtigen. Daher wird das vorgeschlagene Forschungsprojekt mit seinen Zielen und seinem Anwendungsspektrum einen bedeutenden gesellschaftlichen Mehrwert in den Bereichen Sicherheit, Energie und Umwelt erzielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen