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Methoden
Granulare Verfahren
Diskrete Elemente Methode
Die Diskrete Elemente Methode (DEM) ist ein numerisches Simulationsverfahren, welches auf der Betrachtung granularer Materialien basiert. Das zu untersuchende Material wird dabei aus Partikel unterschiedlicher Geometrie aufgebaut, die ausgelöst durch eine gegebene Randbedingung miteinander interagieren. Die an den einzelnen Partikelkontakten wirkenden Kräfte werden nach einfachen physikalischen Gesetzmäßigkeiten berechnet. Mit Hilfe des 2. Newtonschen Gesetzes lassen sich wiederum aus den wirkenden Kräften die Verschiebungen der einzelnen Teilchen bestimmen. Die DEM zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität bzgl. der Modellgeometrien und der festzulegenden Randbedingungen aus und ermöglicht es damit verschiedenste geowissenschaftliche Fragestellungen, d.h. sowohl mikroskopische Untersuchungen einzelner Korn-Korn-Interaktionen als auch großräumige geodynamische Prozesse, zu untersuchen. Des Weiteren erlaubt die DEM ein breites Rheologie- und Materialparameterspektrum. Es kommen derzeit verschiedene Softwarepakete im Rahmen verschiedener RCOM Teilprojekte zum Einsatz (PFC®; TRUBALL).
TRUBALL
TRUBALL ist ein akademischer Code, der im Rahmen eines NSF geförderten Projektes basierend auf der Software BALL von P. Cundall & O.D.L. Strack (1978) entwickelt wurde. Dieses Programm arbeitet unter dem Betriebssystem UNIX und existiert derzeit nur als 2d Version.
Particle Flow Code
Der Particle Flow Code (PFC)® ist ein kommerzielles Programm, welches von der Firma ITASCA® vertrieben wird. PFC liegt sowohl als 2d als auch 3d Version vor.
Kontinuumsverfahren
Kontinuumsmethoden (z.B. Finite Differenzen und Finite Elemente) werden verwendet, um numerische Nährungslösungen für komplexe geologische Prozesse zu finden, etwa die Verformung einer gegebenen Struktur unter Spannung. Dabei gilt die Annahme, dass der mechanische Zusammenhalt der modellierten Struktur während der Berechnungen erhalten bleibt. Neben strukturmechanischen Fragestellungen können Kontinuumsmethoden auch auf die verschiedensten anderen physikalischen Problemstellungen angewandt werden, z.B. auf Temperaturfelder, Fluiddynamik im Medium (z.B. FLAC®) und Hydrodynamik der Ozeane (z.B. ROMS).
Fast Lagrangian Analysis of Continua
FLAC® (Fast Lagrangian Analysis of Continua), ein kommerzielles Finite-Differenzen Programmpaket, hilft bei der Simulation des mechanischen Verhaltens von Fest- und Lockergesteinen in zwei- und dreidimensionalen Fällen. Die Lagrange'sche Beschreibung der Verschiebungen erinnert an populäre Finite-Elemente Programme, aus dem expliziten Lösungsschema ergibt sich jedoch eine höhere numerische Stabilität. Auf diese Weise können größere Verformungsbeträge und nichtlineares Materialverhalten zuverlässig berücksichtigt werden. FLAC® enthält eine gesteinsmechanische Datenbank und bietet die Möglichkeit zu thermo- oder hydromechanisch gekoppelten Berechnungen. Zusätzlich wird eine Schnittstelle zu PFC® bereitgestellt, so dass Spröddeformation in Teilmodellen detailliert betrachtet werden kann.
Regional Ocean Modeling System
ROMS (Regional Ocean Modeling System) ist ein frei verfügbares Finite-Differenzen Programm der Ocean Modeling Group an der Rutgers University, New Jersey. Als hydrodynamisches Zirkulationsmodell für regionale Anwendungen basiert es auf den primitiven Gleichungen und nimmt eine freie Meeresoberfläche an. Die Diskretisierung in der Vertikalen beruht auf so genannten Sigma-Koordinaten, die der Topographie des Meeresbodens folgen und Bereiche nahe der Meeresoberfläche und dem Meeresboden besonders detailliert auflösen können. Schnellen barotropen und langsamen baroklinen Prozessen wird ROMS durch unterschiedliche Berechnungszeitschritte gerecht. ROMS wurde und wird von unterschiedlichen Bearbeitern um Zusatzmodule erweitert, u. a. zur Simulation von Sedimenttransport, biologischer Produktion und Gezeiten.