Multiskalenmodellierung physikalischer Prozesse an der Grenzfläche Wasser/Boden

Ziel des Projektes ist die numerische Simulation physikalischer Prozesse an der Grenzfläche Wasser/Boden bei Unterwasserböschungen in sandigen Böden. Zu diesem Zweck wird der gesättigte Boden mit einem hybriden Kontinuums-/Diskontinuumsansatz modelliert: Das Porenwasser wird mit volumengewichteten Navier-Stokes-Gleichungen, die Partikel des Korngerüsts mit Newtonschen Bewegungsgleichungen beschrieben. In beiden Gleichungen beschreiben Zusatzterme den Impulsaustausch zwischen Fluid und Partikel. Das freie Wasser wird mit Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben. Die Feldgleichungen für das freie Wasser und das Porenwasser werden mit Methoden der Computational Fluid Dynamics (CFD), die Bewegungsgleichungen der Partikel mit der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) gelöst. Das Verfahren wird als CFD-DEM-Kopplung bezeichnet. Zur Validierung der Teilmodelle werden verschiedene Modellversuche durchgeführt, bei denen Unterwasserböschungen unterschiedlichen hydrodynamischen Einwirkungen ausgesetzt werden. Schließlich wird unter Ausnutzung von Parallelrechnern und dem Coarse Graining die Standsicherheit einer Unterwasserböschung im Originalmaßstab unter verschiedenen hydrodynamischen Einwirkungen untersucht.

Stichworte

• CFD-DEM-Kopplung
• CFD-Simulation

Publikationen

• Plenker, D., Grabe, J.: Expansion of CFD-modelling by the CFD-DEM Method for simulating erosion processes. In Morphodynamics 2015 - Workshop on Numerical Methods of Water-Soil Boundary Layers under Currents and Waves, S. 125-141, 2015.
• Kanitz, M.; Grabe, J.: Experimental study of the influence of the pore water pressure evolution and the shear band formation on the extraction resistance of submerged anchor plates. In Proceedings of 37th International Conference on Ocean, Offshore & Artic Engineering (OMAE) 2018 in Madrid/Spain, 2018.Electronically published under OMAE2018-78306.
• Kanitz, M.; Grabe, J.; Hager, A.; Goniva, C.; Kloss, C.: Extraction mechanism of an anchor plate - simulation with coupled CFD-DEM. In Proceedings of Conference on Maritime Energy (COME) 2017 in Hamburg/Germany, Jg. 38 von Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg, S. 231-249, 2017.
• Kanitz, M.; Grabe, J., A.S. Cardose et al.: Multiscale investigations on the failure mechanisms of submarine sand slopes with coupled CFD-DEM. In Proceedings of 9th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering (NUMGE) in Porto/Portugal, Jg. 2, S. 1485-1492, 2018.
• Kanitz, M.; Grabe, J.; Hager, A.; Goniva, C.; Kloss, C., Jürgen Grabe: Numerical investigations of the extraction of submerged foundations by coupled CFD-DEM. In Proceedings of International Conference on Ocean Offshore & Artic Engineering (OMAE) 2017 in Trondheim/Norway, 2017.electronically published under OMAE2017-61299.
• Kanitz, M.; Denecke, E.; Grabe, J., A.S. Cardose et al.: Numerical investigations on the liquid-solid transition of a soil bed with coupled CFD-DEM. In Proceedings of 9th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering (NUMGE) in Porto/Portugal, S. 367-374, 2018.
• Plenker, D.; Grabe, J., Harris, J.; Whitehouse, R.; Moxon, S.: Simulation of sand particle transport by coupled CFD-DEM: First investigations. In Proceedings of the 8th International Conference on Scour and Erosion, S. 109-118, 2016.