Numerische Modellierung

Die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) ist eine granularbasierte numerische Simulationstechnik. Eine "synthetische" Materialpackung ist aus diskreten kugelförmigen Partikeln aufgebaut, z.B. Kugeln oder Scheiben von Ellipsoiden. Sie interagieren an gemeinsamen Berührungspunkten aufgrund vorgegebener Randbedingungen nach einfachen physikalischen Gesetzen. Mit dem zweiten Newtonschen Gesetz können Verschiebungen und neue Partikelpositionen berechnet werden.

Kontinuumsansätze (z. B. die Finite-Differenzen- und Finite-Elemente-Methode) werden verwendet, um numerische Approximationen für komplexe geologische Prozesse zu erhalten. Typischerweise wird die Verformung einer gegebenen Struktur unter angelegten Spannungsbedingungen simuliert. Die Grundannahme des Kontinuumsansatzes ist dabei das Vorhandensein eines kohärenten Modells über den gesamten Modellverlauf.

Die geglättete Teilchenhydrodynamik (englisch smoothed-particle hydrodynamics, SPH) wird häufig zur Untersuchung freier Oberflächenströmungen eingesetzt. Aufgrund der lagragianischen Umgebung benötigt SPH kein Netz oder Gitter, um die physikalische Domäne (Untersuchungsgebiet) zu diskretisieren. In jedem SPH-Modell wird die physikalische Domäne durch eine endliche Anzahl numerischer Partikel diskretisiert, die gemäß den Gesetzen zur Erhaltung der Flüssigkeit miteinander interagieren (Monagham, 1992). Dabei erhält jedes Partikel in einem SPH-Modell seine eigenen physikalischen Eigenschaften wie Masse, Dichte oder Druck. Im Falle einer Flüssigkeit wird die physikalische Integration zwischen einzelnen Flüssigkeitsteilchen nach einem maschenlosen Lagrange-Modell gelöst, das darauf abzielt, die Navier-Stokes-Gleichungen durch die auf Faltungen basierende Diskretisierung zu lösen (Dalrymple und Rodgers, 2007). Mithilfe von SPH können verschiedene Strömungseigenschaften in einem Gewässer simuliert werden, z. B. dreidimensionale Turbulenzen.

Sedimentsdynamik - Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Sedimentbett. Welche Rolle spielen Flüssigkeitsinfiltration und Kornform? - 3D-Experimente mit numerischen Abwassertanks

Dieses Projekt wurde durch die inhärenten Einschränkungen bei der Quantifizierung der physikalischen Parameter (z. B. Strömungsgeschwindigkeit und Kornform) inspiriert, die die Wechselwirkungen zwischen Sediment und Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe der Sedimentwassergrenzfläche und im Inneren eines Sedimentbetts steuern. Zur Untersuchung der Prozesse, die die Erosionseigenschaften von Sedimentbetten beeinflussen, testeten die Forscher das Transportverhalten von Sedimentbetten häufig empirisch unter Verwendung von Laborabwassertanks oder In-situ-Felduntersuchungen. Eine genaue Quantifizierung der in unmittelbarer Nähe und im Inneren des Sedimentkörpers ablaufenden Vorgänge, beispielsweise der Infiltrationsraten der Flüssigkeit in das Sedimentbett, ist mit diesen Techniken jedoch schwierig. Daher müssen die physikalischen Vorgänge im Inneren eines Sedimentbettes weiter untersucht werden. Mit dem Schwerpunkt auf den physikalischen Prozessen, die in unmittelbarer Nähe und im Inneren eines Sedimentbettes ablaufen, besteht das übergeordnete Ziel dieser Forschung darin, die Rolle der Infiltration von Flüssigkeiten und Kornformvariationen für das Transportverhalten von Sedimentbetten zu identifizieren und mit numerischen 3D-Simulationen zu quantifizieren. Mit der numerischen Methode der Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) werden gleichmäßige Sedimentschichten aus verschiedenen Kornformen in einem numerischen 3D-Abwassertank bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten getestet. Physikalische Merkmale, wie die Rolle von Fluidzufluss und Kornformschwankungen auf die Transporteigenschaften, werden in unmittelbarer Nähe und im Inneren der Sedimentbetten mit hoher Auflösung gemessen.

Initiierung der Bewegung: Untersuchung von Sediment-Remobilisierungsprozessen durch Kombination von Laborabwassertankexperimenten, Feldmessungen und numerischen Simulationen

Die Beschreibung der Sedimentserosion ist ein wichtiger Faktor für das Verständnis der Prozesse an den Küsten. Die Erosion, d. h. die Bewegung einzelner Sedimentkörner, wird eingeleitet wenn die hydrodynamische Antriebskraft die Kornwiderstandskraft überwiegt. Neben dem Strömungsfeld, der Korngröße und dem Gewicht spielen bei der Initiierung der Bewegung weitere wichtige Parameter eine Rolle: Kohäsionskräfte zwischen Partikeln, Stabilisierung oder Destabilisierung durch biologische Aktivität oder sogenannte Käfigstrukturen, also texturinduzierte Strukturen von feinen Teilchen (Ton), die gröbere Sandkörner umfassen (Le Hir et al. 2008, Mitchener und Torfs, 1996).

Wechselwirkungen zwischen Mikrosedimenten und Flüssigkeiten

Unter Sedimentserosion versteht man die Auslösung der Bewegung einzelner Körner durch eine hydrodynamische Triebkraft. Die meisten klassischen Studien haben versucht, die Sedimentserosion als Funktion der Einzelkorngröße bei einer definierten Strömungskraft vorherzusagen, z. B. Shields (1936) und Hjulstroem (1935). Derzeit versteht es sich jedoch, dass das Erosionsverhalten von Sedimenten auch durch zusätzliche Faktoren gesteuert wird, die die anfänglichen Erosionsbedingungen in Richtung höherer Regime verschieben.

Numerische Simulation der Mechanik und Kinematik des Mittelmeerkamms - Schlüsselrolle bei viskosen Abscherungen

Das östliche Mittelmeer ist ein komplexes tektonisches Gebiet, das sich durch hohe Seismizität und aktiven Vulkanismus auszeichnet. Das wichtigste tektonische Merkmal im östlichen Mittelmeer ist die hellenische Subduktionszone, in der die Nubische Platte unter die Ägäische Platte taucht. Dieser Vorgang ist mit Störzonenaktivität und zahlreichen Erdbeben verbunden.
Infolge der nach Norden gerichteten Subduktion entwickelte sich ein großer Sedimentkeil - der Mittelmeerkamm. Hier werden ozeanische Sedimente, die sich seit dem Mesozoikum auf der subtrahierenden afrikanischen Platte abgesetzt haben, abgesondert und häufen sich seit dem Miozän auf der übergeordneten eurasischen Platte an.
Nach der Critical Taper Theory von DAHLEN et al. (1983) haben mehrere Studien gezeigt, dass die physikalischen Eigenschaften der basalen Abscherung solcher Akkretionskeile - das Decollement - ihre Kinematik und Mechanik beeinflussen. Dies schließt auch ihr Entwässerungsverhalten und die Fluidströmungswege ein.
Daher ist der Mittelmeerkamm ein ausgezeichnetes Fallstudiengebiet, um die Schlüsselrolle der Stärke der basalen Ablösung zu untersuchen, da hier das Decollementmaterial entlang der Subduktionszone stark variiert.

Der östliche und westliche Teil des Mittelmeerkeils wird von großen Evaporithorizonten durchzogen. An einigen Stellen erreicht dieses angesammelte Salz eine Dicke von mehr als 1,8 - 2 km. Diese messinischen Evaporite wirken aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften als schwaches Dekolleté. Dies führt zur Entwicklung eines frontal akkretierten, dünneren Keils mit einer schmaleren Verjüngung. Die Verjüngung ist das kleinste dokumentierte Akkretionsprisma. Daher haben diese Verdampfungsablagerungen einen großen Einfluss auf das tektonische Verhalten des Keils.
Darüber hinaus führen die unterschiedlichen akkretionären Modi und damit die Fehlergeometrien und -aktivitäten zu unterschiedlichem Entwässerungsverhalten, Flüssigkeitsmigration und Entwässerungswegen entlang des vorderen Teils der hellenischen Subduktionszone. Daher konnten zahlreiche Orte der Flüssigkeitsentlüftung von mehr als hundert Schlammvulkanen im Mittelmeerraum erkannt werden Grat.