Übergang einer Granulatströmung in die Auslaufzone

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rolf Katzenbach; Professor Shiva P. Pudasaini, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 35962033

Der Startpunkt eines granularen Flusses zeichnet sich durch starke Variationen in der Flusstiefe und eine Scherung der Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Tiefe aus. Ebenso verhält sich eine granulare Lawine im Übergang von einem schnell fließenden Regime in die Ablagerungszone oder beim Auftreffen auf ein Hindernis. Diese Lawinenbereiche werden durch einen drastischen Wandel im Fließsystem charakterisiert: das System wechselt von einer schnellen Gleitbewegung mit geringen Geschwindigkeitsänderungen in der Tiefe über ein Übergangsbereich mit einer dünnen Grenzschicht hin zum Stillstand in der Ablagerungszone. Die exakte Massenverteilung in der Ablagerung hängt vom genauen Fließverhalten zu Beginn und während des Überganges ab. Unsere jüngste Analyse der experimentellen Ergebnisse eines solchen Übergangs für den Fall eines 2D Kanals zeigt, dass die Variationen der Spannungen und der kinematischen Größen über die Tiefe nicht vernachlässigt werden können. Wir verwenden die zuvor vorgeschlagenen, allgemeinen elasto-viskoplastischen Erhaltungsgleichungen, indem wir sie in die dynamischen Flusserhaltungsgleichungen der Massen und Momente einbinden. Mit Hilfe dieser Gleichungen können der granulare Massenzusammenbruch, der Übergang des schnell fliessenden, praktisch scherfreien Regimes über ein Grenzschichtregime bis zur Ruhe und die komplexe Interaktion des Flusses mit Hindernissen adäquat beschrieben werden. Zur Zeit wird eine Anpassung dieses Modells für ebene Kanalströmungen, die numerische Integration mit einem erweiterten Total Variation Diminishing Verfahren unter Verwendung von zentralen Differenzen und der Marker und Zell Methode entwickelt und ein Vergleich mit neuen Experimenten vorbereitet. Dies wird voraussichtlich am Anfang der nächsten Phase des laufenden Projektes abgeschlossen sein. Dieser Antrag beinhaltet weiterhin eine daran anschließende ergänzende Studie der anspruchsvollen 3D Simulation und die damit verbundene granulare Übergangsbewegung mit einhergehenden Änderungen des Fließbereichs, sowie die dazugehörigen Experimente für die Entwicklung der Flusstiefe, Geschwindigkeiten und Spannungen, und die Erweiterung des numerischen Codes mit geeigneten Randbedingungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen