Kontinuumsmechanische Modellierung und hochgenaue Simulation von Murgängen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Yongqi Wang
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262376695

Ein Murgang ist eine schwerkraftgetriebene Strömung einer Mischung von Sediment und Wasser entlang einem steilen Berghang. Trotz der Entwicklung von Modellierung und Simulation von geophysikalischen Massenströmen in den vergangenen Jahrzehnten ist die Vorhersage solcher Granulat-Fluid-Mehrphasenströmungen immer noch eines der anspruchsvollsten Themen, vor allem in zwei Aspekten (i) theoretischer Modellierung und (ii) hochgenauer numerischer Methoden. Einerseits werden in den meisten Kontinuumsmodellen Murgänge oft als einphasige Medien behandelt, obwohl ein Murgang eindeutig eine Mischung ist. In der einphasigen Betrachtungsweise wird die Mischung entweder als ein nicht-Newtonsches Fluid unter Berücksichtigung des plastischen Verhaltens oder als ein Coulombsches Kontinuum, wobei die Rolle des Porenfluids parametrisch einbezogen wird, beschrieben, oder sie wird als eine Mischung mit den gleichen Geschwindigkeiten aller Komponenten behandelt. Sehr selten werden Multi-Komponenten-Modelle entwickelt und für Murgänge angewandt. Einige bestehende Modelle in dieser Klasse beinhalten verschiedene Schwächen. Die thermodynamische Konsistenz solcher Modelle ist in der Regel entweder nicht überprüft oder nicht erfüllt. Auf der anderen Seite, hinsichtlich numerischer Methoden werden oft klassische numerische Verfahren eingesetzt, wobei die Genauigkeit einer Diskretisierung bei lokalen Extrema unweigerlich zur ersten Ordnung degradiert. Dies ist auch der Fall für die High-Resolution TVD Schemata. Im Rahmen dieses Projektes werden wir versuchen, ein thermodynamisch konsistentes Mischungsmodell zur Beschreibung fließender Granulat-Fluid-Mischungen mit Hilfe der Auswertung des Entropieprinzips zu entwickeln. Die hochgenaue Discontinuous-Galerkin Software Library BoSSS (Bounded Support Spectral Solver), die sich seit 2008 in unserem Fachgebiet in Entwicklung befindet, wird im Hinblick auf Mehrkomponenten-Mischungsprobleme erweitert, um Strömungen von Partikel-Fluid-Mischungen numerisch zu untersuchen. Murgänge auf einer geneigten Ebene übergehend in eine horizontale Auslaufzone, insbesondere stoßend auf Hindernisse, werden untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz, USA
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Kolumban Hutter; Dr.-Ing. Florian Kummer