02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften

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Advanced methods for a sustainable sediment management of reservoirs
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Haun, Stefan; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
As a result of an increasing demand on storing water, sustainable reservoir management will become more and more important in the future. Minimizing, or in the best case avoiding, the loss of storage due to sedimentation is a challenging task because each reservoir has unique boundary conditions. Hence, not every management strategy is suitable for a given reservoir. Due to the combination of state of the art measurement methods and hydro‐morphodynamic models, reservoir sedimentation can be better predicted in the future and the success of sediment management strategies can be assessed. The development of advanced measurement methods makes it possible to obtain data with a high accuracy, but also with a high spatial and temporal resolution. The combination of recent measurement approaches with reliable hydro‐morphodynamic numerical prediction models, enhances a highly accurate prediction and understanding of governing processes. This opens new possibilities for an objective selection of important parameters, essential spatial domains as well as for the temporal resolution of measurements. This will finally lead to more reliable predictions about the future of reservoirs that provide water for human life, health and wealth. The presented scientific work gives an overview of recent developments to investigate hydromorphological processes in reservoirs.
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Continuum mechanics of multicomponent materials : modelling, numerics and applications for biological materials in the framework of the theory of porous media
(Stuttgart : Institut für Mechanik (Bauwesen), Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik, Universität Stuttgart, 2021) Wagner, Arndt; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
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Efficient modeling of environmental systems in the face of complexity and uncertainty
(2014) Oladyshkin, Sergey; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Strong industrial development of the last century has led to a significant increase in public demand for different types of energy and, as a consequence, to an enormous increase in demand for natural resources. Naturally, all types of nature resources form a part of our surrounding environment. In order to extract natural resources a wide variety of technologies has been developed. This has led to a strong rise in interventions in the environment continuing up to the present days. At the same time, environmental systems form one of the largest and most important classes of complex dynamic systems. For this reason, society needs a better understanding of the environment in order to have an efficient and safe interaction for the sake of maximized welfare and sustainability in resources management. In particular, the ability to predict how the environment changes over time or how it will react to planned interventions is indispensable. However our surroundings behave non-trivially in various time and spatial scales. Moreover, many environmental systems are heterogeneous, non-linear and dominated by real-time influences of external driving forces. Unfortunately, a complete picture of environmental systems is not available, because many of these systems cannot be observed directly and only can be derived using sparse measurements. Moreover, environmental data is hardly available and expensive to acquire. Overall, this leads to limited observability, and an inherent uncertainty in all modeling endeavors. Still, research over several decades has showed that modeling plays a very important role in reconstructing (as far as possible) the complete and complex picture of the environment systems and offers a unique way to predict behavior of such multifaceted systems. The current thesis contains research in the field of environmental modeling in the face of complexity and uncertainty. The presented thesis is divided into three parts and refers to diverse applications such as underground petroleum reservoirs, groundwater flow, radioactive waste deposits and storage of energy relevant gases. Part 1 focuses on physical concepts and offers several possibilities to accelerate the modeling process. Part 2 deals with efficient model reduction methodologies for uncertainty quantification. Part 3 demonstrates application to the storage of energy relevant gases in geological formations and discusses related challenges.
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Herausforderungen in der biologischen und nicht-biologischen Abluftreinigung
(2020) Dobslaw, Daniel; Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr.)
Jüngste Entwicklungsszenarien der International Energy Agency (IEA) sowie des Energiekonzerns British Petroleum (BP) zeigten, dass bis zum Jahr 2040 gegenüber dem heutigen Stand die Weltbevölkerung um 23 % wachsen und die Einkommen von insgesamt 2,5 Mrd. einkommensschwachen Menschen ansteigen werden. Das ‚bussiness-as-usual‘ - Szenario sagt aufgrund des Anstiegs in Weltbevölkerung und Wohlstand, trotz bestehender Bemühungen zur Steigerung der Energieeffizienz, eine Steigerung der weltweiten CO2-Emissionen um gut 30 % voraus. Berücksichtigt man dabei die jüngsten technischen und wissenschaftlichen Tendenzen wie beispielsweise ‚low-carb‘ - Kraftstoffe oder erneuerbare Energien, so wird weiterhin ein Anstieg der CO2-Emissionen um ca. 10 % vorausgesagt. Da die Weltgemeinschaft eine Restriktion der Erderwärmung auf deutlich unter 2 °C bis 2100 anstrebt, diese aber in den Industriestaaten eine Minderung der Emissionen an CO2-Äquivalenten von ca. 12 t CO2,eq·a-1·Bewohner-1 auf unter 1 t CO2,eq·a-1·Bewohner-1 bis zum Jahr 2050 erfordert, sind alle Möglichkeiten der Vermeidung und Minderung von treibhausrelevanten und umweltrelevanten Schadstoffen zu ergreifen. Die Minderung relevanter gasförmiger Emissionen kann durch geeignete Abluftreinigungsmaßnahmen wie Kondensation, Absorption, Membranverfahren, oxidative Verfahren, oxidative Katalyse, nicht-thermische Plasmen, UV-Oxidation, thermische Plasmen und Adsorption wie auch durch nicht-biologische Verfahren oder Verfahrenskombinationen aus nicht-biologischen und biologischen Verfahren umgesetzt werden. Speziell im gewerblichen und industriellen Umfeld wird der Stand der Technik durch thermisch oxidative Verfahren definiert. Da diese in der Regel nicht unter adiabaten Bedingungen betrieben werden können, ist der Zusatz von Primärenergieträgern erforderlich, der zu zusätzlichen Emissionen an treibhausrelevanten Gasen wie CO2, CH4 und N2O führt. Da in biologischen Abluftreinigungsverfahren die Schadstoffe durch biochemische Abbauprozesse mineralisiert werden, treten in der Regel keine sekundären Abfallströme oder zusätzlichen treibhausrelevanten Emissionen auf. Obwohl die biologischen Abluftreinigungsverfahren somit einen wichtigen Beitrag zum 1,5 °C - Ziel der Weltgemeinschaft leisten können, sind sie im Marktsegment der Umwelttechniken mit Ausnahme der landwirtschaftlichen Massentierhaltung bisher kaum vertreten und zumeist auf Nischenanwendungen restringiert. Für biologische Abluftreinigungsverfahren ist eine Reihe an vermeintlichen Einschränkungen bekannt, die sicherlich die geringe Marktdurchdringung mitverantworten. Für eine breite Akzeptanz dieser Verfahren ist es daher erforderlich diese vermeintlichen Einschränkungen kritisch zu hinterfragen und wenn möglich zu widerlegen. Gelingt diese Widerlegung nicht und scheiden biologische Abluftreinigungsverfahren bei ausgewählten Applikationen aus, so sind geeignete Alternativverfahren erforderlich - auch wenn verschiedene Abluftsituationen existieren, die auch nicht-biologische Verfahren an den Rand der Machbarkeit führen. Die vorliegende Arbeit thematisiert daher die bekannten Restriktionen für biologische Abluftreinigungsverfahren und verfolgt das Ziel die bestehenden Applikationsgrenzen zu erweitern und den sich hieraus ergebenden Herausforderungen unter der Prämisse der Etablierung eines Prozesses mit hoher technischer Stabilität, hoher Reinigungseffizienz und einer ökonomisch interessanten Kostenstruktur zu begegnen. Die identifizierten Restriktionen wurden an folgenden Applikationsbeispielen widerlegt bzw. alternative nicht-biologische Reinigungsverfahren vorgestellt: • Herausforderung Platzbedarf und Clogging: Der durch höhere Kontaktzeiten bedingte erhöhte Platzbedarf von biologischen Abluftreinigungsanlagen stellt ein signifikantes Vermarktungshindernis dar. Bestrebungen zur kompakteren Bauweise führen jedoch zu höheren spezifischen Schadstofffrachten und der erhöhten Gefahr von Biomasse bedingtem Clogging. Am Beispiel des biologisch leicht abbaubaren Schadstoffs 2 Butoxyethanol wurde die technische und ökonomische Machbarkeit eines mit Natronlauge und Druckluftinjektion als Anti-Clogging-Maßnahme ausgestatteten, rückspülbaren Biotricklingfilters sowohl im Labor- als auch Pilotmaßstab erfolgreich demonstriert. • Herausforderung Stoffgemischabbau und Xenobiotikaabbau: Durch genetische und enzymatische Regulationsmechanismen erweist sich der biologische Abbau von Schadstoffgemischen als zunehmend schwieriger je komplexer das Gemisch bzw. je xenobiotischer die Struktur der enthaltenen Schadstoffe ist. Auch erfordert der Abbau xenobiotischer Verbindungen häufig den Einsatz adaptierter Spezialbiozönosen, deren biotechnologische Bereitstellung mit erhöhten Kosten verbunden ist. Am Beispiel eines in der Kautschukverarbeitung zum Einsatz kommenden Lösemittelgemisches aus 70 Vol% tert. Butanol und 30 Vol% Aceton wurde der erfolgreiche Gemischabbau im Verfahrensvergleich zweier Biotricklingfilter und eines Biowäschers gezeigt und das Potential innovativer Kompostitträger, die keine zusätzliche Beimpfung mit Leistungsbiozönosen erfordern, dargelegt. • Herausforderung biologische Persistenz: Mit zunehmendem xenobiotischen Charakter von Schadstoffen sinkt deren biologische Abbaubarkeit, da häufig spezialisierte Enzyme oder innovative Abbauwege für deren Mineralisierung erforderlich sind und geeignete mikrobielle Isolate entweder nicht existent sind oder eine zu geringe Transformationskinetik für eine technische Applikation aufweisen. Der Einsatz biologischer Abluftreinigungsverfahren erscheint hier unter technischen und ökonomischen Aspekten zumeist nicht sinnvoll. Diese Einschätzung wurde am Beispiel des bakteriellen Abbaus des Xenobiotikums 2-Chlortoluol widerlegt, welches durch insgesamt vier neu gewonnene Isolate mineralisiert und deren Anwendbarkeit in Biotricklingfiltern zur Behandlung von 2-Chlortoluol haltiger Abluft erfolgreich gezeigt werden konnte. Die Stabilität des Inokulums in der sich etablierenden Biozönose konnte in einer Langzeitstudie über 985 Tage erfolgreich bestätigt werden, wodurch sich die initialen Kosten für die Beimpfung der Anlage relativierten. • Herausforderung begrenzte Transformationskinetik: Neben xenobiotischen Einflüssen führen insbesondere eine steigende Lipophilie sowie steigende Dampfdrücke von Abluftinhaltsstoffen zu einer stark restringierten Transformationskinetik, wodurch das Anlagenvolumen und somit die Kosten der biologischen Behandlung stark ansteigen. Der Ansatz einer Verfahrenskombination aus nicht-thermischem Plasma zur partiellen Oxidation und somit Hydrophilisierung der lipophilen Schadstoffe mit nachfolgender biologischer Mineralisierung erscheint unter technischen und ökonomischen Aspekten ein interessanter Ansatz zu sein. Die Verfahrenskombination weist dabei eine kompaktere und kleinere Baugröße sowie geringere Betriebskosten als ein alleinstehendes NTP-/BTF-Verfahren auf. Die Machbarkeit dieses Anlagenkonzepts konnte sowohl im Labor- als auch Pilotmaßstab an acht verschiedenen artifiziellen Abluftströmen sowie an drei Realabluftströmen erfolgreich gezeigt werden. • Herausforderung Temperatur: Abluftströme weisen häufig Temperaturen von 50 °C bis knapp 150 °C auf, insbesondere wenn sie aus thermisch betriebenen Produktionsprozessen entstammen. Nach erfolgter Vorkonditionierung liegen die Ablufttemperaturen zumeist bei 50 - 70 °C. Im Vergleich zu mesophil betriebenen biologischen Verfahren ist der Betrieb thermophil betriebener biologischer Abluftreinigungsanlagen deutlich anspruchsvoller. Neben verfahrenstechnischen Problemstellungen ist die Ursache hierfür vor allem in steigenden Dampfdrücken und somit geringeren Bioverfügbarkeiten sowie ggf. steigende Toxizitäten der Schadstoffe zu suchen. Am Beispiel der Abgase von drei Biogasanlagen nach dem Verbrennungsprozess, die sich durch hohe Konzentrationen an Methan, NOx, CO, aber auch dem kanzerogenen Formaldehyd auszeichnen, wurde die technische und ökonomische Machbarkeit einer Vefahrenskombination aus chemischem Wäscher und thermophil betriebenen Biofilter zur erfolgreichen Behandlung dieser Abgase untersucht. Im Kontext von Vorversuchen zur Behandlung von Methan und Formaldehyd im thermophilen Temperaturbereich trat erwartungsgemäß eine sehr geringe Reinigungseffizienz des Biofilters auf. Hingegen konnte durch gezieltes Sauerstoffmanagement und optionale H2O2-Dosierung die Leistungsfähigkeit des Basenwäschers insbesondere gegenüber Formaldehyd auf über 95 % gesteigert werden. • Herausforderung Biopersistenz und allgemein fehlende Reinigungseffizienz: Die Anwendbarkeit biologischer Abluftreinigungsverfahren ist hingegen gänzlich bei hoch-persistenten Abluftkomponenten wie polyhalogenierten Kohlenwasserstoffen überschritten, die trotz Restriktionen des Kyoto-Protokolls aufgrund fehlender Substituierbarkeit immer noch in der Halbleiterindustrie, bei der Verhüttung von Aluminium oder seltenen Erden, Luft- und Raumfahrtindustrie oder Entsorgungswirtschaft freigesetzt werden. Dabei erweist sich insbesondere die Behandlung des chemisch hochstabilen CF4 als erhebliche Herausforderung. Das Scheitern etablierter Abluftreinigungsverfahren und somit die Notwendigkeit der Implementierung hoch-innovativer Verfahrenskonzepte konnte an diesem exemplarischen Abluftschadstoff eindrucksvoll gezeigt werden. Das hierfür zum Einsatz kommende strahlungsgekühlte Wasserdampfplasma wies nach ersten Optimierungsschritten eine Reinigungseffizienz von 99,6 % bei einem SIE-Wert von 2222 kWh·1000 m3 auf, während eine konventionelle thermische Nachbehandlung gemäß Referenzanlagen nur einen Wirkungsgrad von ca. 18 % erreichte.
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Microbial biostabilization in fine sediments
(2022) Gerbersdorf, Sabine Ulrike; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
Microbial biostabilization has increasingly received attention over the last years due to its significance for the dynamics of fine sediments in fluvial and coastal systems with implications for ecology, economy and human-health. This habilitation thesis highlights the contributions of the applicant and her team to this multi-disciplinary research area and is based on eight core publications that are presented in seven chapters. First, the topic of biofilm and biostabilization is introduced and second, the materials and methods applied are presented before own research findings are discussed. To start with, the stabilization potential of heterotrophic bacterial assemblages has been emphasised as well as the adhesive properties of the protein moieties within the EPS (extracellular polymeric substances) that are more significant than previously thought. Furthermore, the engineering potential of estuarine prokaryotic and eukaryotic assemblages has been studied separately and combined to reveal the effective cooperation of mixed biofilm that resulted in highest substratum stabilization although the effects were not clearly synergistic (=more than additive). The significance of biostabilization could be evidenced as well for freshwaters where highest adhesive capacity and sediment stability occurred during spring. Microbial community composition differed accordingly to result in mechanically highly diverse biofilm. Moreover, the importance of two of the most influential abiotic conditions, light intensity and hydrodynamics, was shown for biofilm growth, species composition and functionality - here biostabilization. In order to test adhesive properties at the relevant mesoscale (mm-cm) but non-destructively and highly sensitive, MagPI (Magnetic Particle Induction) has been applied. The last chapter concerns technical aspects to further improve its performance while demonstrating the impact of material and geometry and the importance of both, magnetic field strength and field gradient for the physics of the MagPI approach.
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Mikropolare Zweiphasenmodelle : Modellierung auf der Basis der Theorie Poröser Medien
(2000) Diebels, Stefan; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.)
In der vorliegenden Arbeit wird eine Theorie zur Beschreibung von Mehrphasenmaterialien vorgestellt. Grundlage der Modellierung ist die Theorie Poröser Medien, die um Elemente der mikropolaren Theorie erweitert wird, um den Einfluß der Mikrostruktur erfassen zu können. Dazu werden für Mischungen aus einer beliebigen Anzahl von Konstituierenden die kinematischen Beziehungen einer finiten Theorie und die notwendigen Bilanzgleichungen diskutiert. Besondere Berücksichtigung kommt dabei den Erweiterungen aufgrund der vom Verschiebungsfeld unabhängigen Rotationen zu, die durch die mikropolare Erweiterung Eingang in die Theorie finden. Aus einer allgemeinen Bilanz können in einfacher Weise die Strukturen abgeleitet werden, die die Partialbilanzen der einzelnen Konstituierenden mit den Bilanzen der Mischung als Ganzes verknüpfen. Für ein Zweiphasenmodell bestehend aus einem elastischen porösen Festkörperskelett und einem viskosen Porenfluid wird dann durch die Auswertung der Clausius-Duhem-Ungleichung ein thermodynamisch konsistentes Modell formuliert. Dabei kommt der Aufstellung einer Evolutionsgleichung für die Volumenanteile besondere Bedeutung zu, da diese im Fall kompressiblen Materialverhaltens der Konstituierenden nicht aus kinematischen Überlegungen folgt. Schließlich wird das Modell konkretisiert. Für das Festkörperskelett wird eine Verzerrungsenergiefunktion angegeben, während anhand einer Dimensionsanalyse gezeigt wird, daß die Extraspannungen des Porenfluids gegenüber den Wechselwirkungskräften zwischen Fluid und Festkörper vernachlässigbar sind. Einige numerische Beispiele zeigen die Anwendbarkeit des Modells und demonstrieren den Einfluß der verschiedenen bei der Modellierung berücksichtigten Effekte.
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Model reduction techniques for simulating complex flow processes
(2020) Köppl, Tobias
In this habilitation thesis, model-reduction techniques are investigated that allow an efficient description of flow processes without a significant accuracy loss related to physical quantities. In order to demonstrate their efficiency, these techniques are applied to a variety of application areas from medical and environmental engineering.
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Modeling the long-term behavior of structural timber for typical serviceclass-II-conditions in South-West Germany
(2010) Schänzlin, Jörg; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Creep deformation influences the serviceability limit state as well as the ultimate limit state of timber structures. In order to consider this time-dependent behavior, creep coefficients and rheological models have been developed by various researchers. Comparing the rheological models, quite different temporal deformations are evaluated for a duration of load of 50 ears. In order to find the model, which is most suitable to the situation in the region of Tübingen, South-West Germany, the existing deformations of several beams in roof structures in opened, protected but not heated buildings are measured. By loading the structure the elastic global stiffness of the particular element is determined. So creep coefficients can be evaluated, which should have been used by the engineer in order to get the existing deflection fter 50 years. Within the region of Tübingen, on average a creep coefficient of 2.23 was found based on these measurements. However, the standard deviation of 0.97 is quite large. For the numerical evaluation of the time-dependent behavior Toratti’s model is modified, so that it matches the measured deformations. This modified model is verified by an additional set of measurements in the region of Breisgau-Hochschwarzwald, where the influence of the snow on the creep coefficient has to be taken into account. However, the application of the modified model takes too much time due to the numerical solutions of the single time steps. By means of a case study, functions are fitted to the results of the models in order to develop “simple” functions for the determination of the creep coefficient with respect to the main influences. The creep deformation influences the ultimate limit state especially in composite structures or elements subjected to compression. For this reason, the influence of the increased creep strain is approximated for columns, in order to reach the same safety level as proposed in the current regulations in DIN 1052. Additionally, the design procedure for timber-concrete-composite structures is modified in order to consider the increased creep coefficients.
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Models for non-isothermal compositional gas-liquid flow and transport in porous media
(2007) Class, Holger; Helmig, Rainer (Prof.)
Multiphase flow processes in porous media occur in many different fields of applications. One may basically distinguish between natural and technical porous media. A classical porous medium is the natural subsurface while there is still a number of technical porous media where flow and transport plays an important role and for which some basic model concepts developed for subsurface problems can be applied or at least adapted. One such technical porous medium is, for example, the gas diffusion layer of a fuel cell where the porous layer has the purpose of controlling the gas transport from the gas discharge channel to the reaction layer and concurrently the displacement of liquid water that is produced by the reaction. Major subsurface applications treated in this work are contaminant spreading in the saturated and unsaturated zone, thermally enhanced in-situ remediation methods, and the large topic of carbon dioxide storage in deep geologic formations. The latter got recently much attention in the discussions how to mitigate greenhouse gas concentrations and global warming. This work deals in particular with the numerical modeling of gas-liquid flow in porous media, thereby considering non-isothermal and compositional effects. The basic characteristics of the processes and different applications are explained and discussed. The fundamental concepts for the physical and mathematical models are introduced including their specific adaption to certain problems and a brief discussion of numerical solution algorithms. A large chapter presents example applications that illustrate the basic processes and phenomena by simulation results.
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Multiscale modeling and simulation of transport processes in porous media
(2022) Bringedal, Carina; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
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On the computational modeling of micromechanical phenomena in solid materials
(2013) Linder, Christian; Miehe, Christian (Prof. Dr.-Ing. habil.)
This work aims to contribute to the research on the constitutive modeling of solid materials, by investigating three particular micromechanical phenomena on three different length scales. The first microscopic phenomenon to be considered on the macroscopic scale is the process of failure in solid materials. Its characteristic non-smoothness in the displacement field results in the need for sophisticated numerical techniques in case one aims to capture those failure zones in a discrete way. One of the few finite element based methods successfully applied to such challenging problems is the so called strong discontinuity approach, for which failure can be described within the individual finite elements. To avoid stress locking, a higher order approximation of the resulting strong discontinuities is developed in the first part of this work for both, purely mechanical as well as electromechanical coupled materials. A sophisticated crack propagation concept relying on a combination of the widely used global tracking algorithm and the computer graphics based marching cubes algorithm is employed to obtain realistic crack paths in three dimensional simulations. Secondly, materials with an inherent network microstructures such as elastomers, hydrogels, non-woven fabrics or biological tissues are considered. The development of advanced homogenization principles accounting for such microstructures is the main focus in the second part of this work to better understand the mechanical and time-dependent effects displayed by such soft materials. Finally, the incorporation of wave functions into finite element based electronic structure calculations at the microscopic scale aims to account for the fact that the properties of condensed matter as for example electric conductivity, magnetism as well as the mechanical response upon external excitations are determined by the electronic structure of a material.
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The role of interfacial areas in two-phase flow in porous media : bridging scales and coupling models
(2010) Niessner, Jennifer; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing. habil.)
This habilitation deals with a thermodynamically consistent modeling of two-phase flow in porous media which is extremely relevant for the understanding, the prediction, and optimization of the processes in many environmental, technical, and biological systems. Among these are the storage of carbon dioxide in the subsurface, methane migration from abandoned coal mines, the migration of radioactive gases from nuclear waste disposal sites (environmental systems), the processes in fuel cells and heat exchangers (technical systems) or the interaction between blood vessels and interstitial space (biological systems) which is very important for cancer therapy. The presented thermodynamically consistent model of two-phase flow in porous media is the first to numerically account for the extremely important role of phase-interfacial areas. This is put into practice through use of a rational thermodynamics approach by Hassanizadeh and Gray [1990] which not only includes interfaces as parameter in the equations, but additionally as entities allowing the formulation of conservation equations for interfaces. To be exact, conservation equations of mass, momentum, energy, and entropy are formulated on the pore scale for phases and interfaces and volume-averaged to the macro scale. The entropy productions of the entropy conservation equations are used to formulate the second law of thermodynamics. A speciality of the approach is the fact that thus, constitutive relationships do not need to be empirically formulated, but can be obtained by exploiting the residual entropy inequality. The aim of this work is to make the thermodynamically consistent and physically-based model accessible to numerical modeling allowing to represent effects which could otherwise not (or only using completely empirical approaches) be described. Among these are capillary hysteresis as well as the kinetics of mass and energy transfer between phases as these transfer processes take place across interfaces and thus, are highly dependent on them. Based on indicators and dimensionless quantities, the integration of the interfacial-area-based model into a multi-scale multi-physics framework is shown. This allows for the solution of the physically-based and thermodynamically consistent model whenever this is necessary and the solution of the empirical, but less costly, classical model wherever and whenever the physical situation allows. With such an approach, computing times and the amount of data needed can be drastically reduced.
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Rottweil - Untersuchungen zur Stadtbaugeschichte im Hochmittelalter
(1970) Meckseper, Cord; Hanson, Harald (Prof.)
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Scale dependence of flow and transport parameters in porous media
(2006) Neuweiler, Insa; Helmig, Rainer (Prof. Dr.)
The study discusses the problem of the influence of spatial scales on modeling of flow and transport processes in porous media. As soil and rock formations are usually heterogeneous, this problem is strongly coupled to the question as to how information about structure is transported over length scales. On different length scales different driving forces determine flow and transport processes. In order to derive an appropriate model for a certain scale of interest it is crucial to include information about the impact of structure on smaller scales into the model. The transfer from a detailed heterogeneous model to an equivalent model on a larger scale, where averaged properties are described, is called upscaling. To derive an upscaled model the following questions have to be addressed: • What are the relevant time scales and length scales? • What are the relevant processes on the scale, where heterogeneities are resolved? • How does the upscaled model look like? • What are the effective parameters for the upscaled model? As detailed information about the parameter distribution in the heterogeneous model is in most cases not known or it is not possible to deal with the exact distribution, further questions have to be addressed: • How can the effective parameters be approximated based on incomplete knowledge about the parameter distribution? • What are the relevant quantities to characterize the heterogeneous distribution and how can they be taken into account? Upscaling for different two-phase flow problems in porous media is discussed in the study.
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State of the art of the co-incineration of waste-derived fuels and raw materials in clinker/cement plants
(2021) Schönberger, Harald; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
The treatise is about the co-incineration of waste-derived fuels and raw materials in clinker/cement production plants and its impact on emissions to air. Depending on the incineration conditions, emissions to air can exceed existing requirements. This is demonstrated and explained by both conventional parameters such as dust, nitrogen oxides, sulphur dioxide, carbon monoxide, volatile organic carbon, mercury and other heavy metals, ammonia and hydrogen chloride and special organic pollutants such as benzene, polychlorinated dibenzo-p-dioxins and furans (PCCD/F), polychlorinated biphenyls (PCB), hexachlorobenzene (HCB) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH).
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Tackling coupled problems in porous media : development of numerical models and an open source simulator
(2013) Flemisch, Bernd; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Flow and transport processes in porous media are the governing processes in a large variety of geological, technical and biological systems. For many interesting and important applications, these processes cannot be treated in an isolated manner or adequately described by means of a single-scale, single-physics mathematical model, and the coupling of two or more models is required. The development of coupled numerical models poses severe challenges on the conceptual, analytical and computational level. This habilitation thesis aims to describe a number of these challenges and solve some of the problems they pose. It is divided into three parts: Part A "Model Coupling" deals with uncoupled and coupled porous-media models in general and describes some of these models in detail. "Locally Conservative Discretization Methods," as treated in Part B, are a fundamental ingredient of reasonable numerical models for porous media flow and transport processes. A numerical model is realized by its implementation in the form of computer code. Part C "Open-Source Porous-Media Simulation" deals with the idea of developing such a computer code by means of open-source development techniques.
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Weak or strong : on coupled problems in continuum mechanics
(2010) Markert, Bernd; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)
The present work aims at giving a concise introduction to the vast field of coupled problems, particularly to those of importance in engineering and physics. Therefore, the common terminology and an appropriate classification of coupled equation systems is presented accompanied by some mathematical and computational issues. Attention is focused on volumetrically coupled multi-field formulations arising from the continuum mechanical treatment of multi-physics problems, but also geometrically coupled problems are addressed. Based on actual problems in the areas of poroelastodynamics, continuum biomechanics, and fluid-saturated porous media in general both the theoretical modeling by means of coupled continuum equations as well as the efficient numerical solution in the context of the finite element method (FEM) are presented and discussed in a problem-oriented fashion.