Der Orkan Sabine richtete Schäden in Deutschland und Europa an. Auf Grund des Klimawandels ist mit einer zunehmenden Häufigkeit solcher Ereignisse zu rechnen.

In diesem Zusammenhang ist es unter Umständen wichtig, die Standsicherheit bzgl. Kippen und Rutschen aufgestellter Gegenstände, Zäune und Tafeln zu bewerten oder unter den konkreten Standortbedingungen zu ermitteln.

Dies kann sehr komfortabel mit einer numerischen Strömungssimulation (CFD) mit Windlastberechnung vorgenommen werden. COMSOL Multiphysics® bietet dafür alle erforderlichen Voraussetzungen und Funktionalitäten, um diese Analyse schnell und wirtschaftliche durchzuführen. Nachfolgende Abbildung zeigt das berechnete Windfeld für einen Bauzaun eines orthogonal angreifenden Windereignisses. Eine analytische Funktion nähert die Wirkung des Drahtgeflechtes des Zaunfeldes.

Die Standsicherheit bzgl. Kippen ergibt sich aus dem Verhältnis Standmoment/Kippmoment. Nachfolgende Abbildung zeigt die für den untersuchte Bauzaun ermittelte Standsicherheit in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit. 

Für einen verfahrenstechnischen Apparat war für ein inneres Bauteil die mechanische Belastung zu ermitteln die durch eine transienten Zweiphasenströmung (flüssig/fest) verursacht wird.

Dazu wurde ein 3D-Simulationsmodell mit COMSOL Multiphysics® aufgebaut, welches die turbulente Strömung der Dispersion mit dem Mischungsverteilungsmodell (mixture-model) und dem SST-Turbulenzmodell löst. Aufbauend auf die stationäre Lösung wurde die instationäre Lösung gerechnet, auf deren Grundlage mit dem Shell-Modell und der Fluid-Struktur-Wechselwirkung die mechanischen Belastungen für verschiedene Annahmen analysiert wurden.

Die Herausforderung des Modells bestand in der Lösung des hochgradig nichtlinearen Problems der turbulenten Dispersionsströmung sowie die wechselseitige Kopplung und Anwendung von insgesamt zehn Studien, um die unterschiedlichen Fragstellungen lösen zu können.

Für die Umsetzung des komplizierten Workflows und die multiphysikalische Kopplung hat sich in diesem Anwendungsbeispiel COMSOL Multiphysics® als geeignetes Werkzeug erwiesen.

Für die Detektion von Leckagen in Tiefbohrungen werden unterschiedliche physikalische und geophysikalische Verfahren eingesetzt. Bewährt haben sich unter anderem Temperatur- (z.B. DTS-Distributed Temperature Sensing) und Akustik-Messungen (z.B. DAS - Distributed Acoustic Sensing).

Wird durch das Fluid, das die Leckage passiert, ein Strömungsgeräusch verursacht, kann durch eine Akustik-Messung die Leckage festgestellt werden. Mittels DAS werden dazu verschiedenen Frequenzbereiche gemessen und die aufgezeichneten Signale grafisch ausgewertet. Für die Interpretation der Messergebnisse leistet die numerische Simulation einen wertvollen Beitrag, da die aufgezeichneten Signale als Ergebnis des Strömungsgeräusches in der Bohrung unterschiedlichen Einflüssen unterliegen (Reflektion, Interferenz, Dämpfung).

Mit Hilfe eines Simulationsmodells der gekoppelten Festkörper- und Druckakustik in einer Bohrung mit Ausbau und Hinterfüllung wird dazu die zeitabhängige Ausbreitung des Schalls mit COMSOL® Multiphysics® simuliert und mit den Ergebnissen der Akustik-Messung abgeglichen. Diese Arbeitsweise hilft, die Leckage zuverlässig zu lokalisieren.

Seit November 2019 läuft ein breit angelegtes und vom BMWi gefördertes ZIM-Kooperationsprojekt zwischen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), der IAB Weimar gGmbH, der GESO GmbH & Co. Projekt KG, der DEEP.KBB GmbH sowie der Rembe Consulting PartG mbB mit dem Ziel, insbesondere sehr kleine Leckagen in der Bohrlochverrohrung durch die Nutzung faseroptischer Messtechnik (DTS und DAS) zu orten und zu quantifizieren.

Referenz:

GROSSWIG, S.; DIJK, H.; DEN HARTOGH, M.; PFEIFFER, T.; REMBE, M.; PERK, M. and L. DOMURATH (2019): Leakage detection in a casing string of a brine production well by means of simultaneous fibre optic DTS/DAS measurements. Oil Gas Publisher 45. Edition, Issue 4/2019, S. 113-120.

Das Finite-Elemente-Verfahren eignet sich u.a. besonders für die Analyse strukturmechanischer Sachverhalte. So kann zum Beispiel durch eine numerische Wellenfeldsimulation das elastische Verhalten eines Maschinenbauteiles bei mechanischer Beanspruchung mit COMSOL® Multiphysics® analysiert werden.

Nachfolgende Darstellung zeigt ein Maschinenbauteil zur Übertragung einer Schlagenergie, auf welches an der unteren Stirn ein Schlag ausgeführt wird (rote Pfeile).

Die Darstellung zeigt die zeitabhängige Verteilung der Vergleichsspannung und die Deformation. Ziel der Analyse war, durch konstruktive Maßnahmen die auftretenden Schwingungen im Bauteil zu minimieren.

Durch den Ansatz eines Eingleichungsmodells für die Berücksichtigung der turbulenten kinetischen Energie kann mit COMSOL® Multiphysics® ein CFD Simulationsmodell aufgebaut werden, welches mit dieser Vereinfachung Strömungsprobleme sehr effizient rechnet. Dadurch können auch große Strömungsprobleme in 3D wirtschaftlich analysiert werden, wie z.B. die Soleströmung in einer Doppelkaverne für die soltechnische Gewinnung von Kalisalzen oder die Luftströmung für die Bewetterung in einem Tiebau.

Nachfolgende Abbildung zeigt die Geschwindigkeitsverteilung einer Luftströmung in einem Streckenabschnitt mit Blindstollen und Lüfter zur optimalen Bewetterung am Stoß. Aufgrund der geometrischen Verhältnisse ist keine modellhafte Abbildung des Problems in 2D möglich.

Durch den Lüfter wird ein Teil des Hauptbelüftungsstromes zwischen Einlass und Auslass zur Bewetterung des Blindstollens in diesen umgeleitet. Die Größe des Volumenstromes ist dabei so zu wählen, dass eine optimale Lüftung mit ausreichendem Luftaustausch am Stoß des Blindstollens erzielt wird. Durch eine Parameterstudie mit variablem Lüfter-Volumenstrom kann diese Aufgabe sehr effizient mit dem Eingleichungs-Turbulenzmodell realisiert werden.

Die Simulation schwach turbulenter/turbulenter Strömungen mit Auftrieb durch temperatur- oder konzentrationsabhängige Fluiddichte stellt insbesondere in 3D eine Herausforderung dar.

Durch den Ansatz eines Eingleichungsmodells für den Transport der turbulenten kinetischen Energie kann mit COMSOL® Multiphysics® ein CFD Simulationsmodell aufgebaut werden, welches mit dieser Vereinfachung Strömungsprobleme sehr effizient rechnet. Dadurch können auch große Strömungsprobleme in 3D wirtschaftlich analysiert werden, wie z.B. die Soleströmung in einer Doppelkaverne für die soltechnische Gewinnung von Kalisalzen oder die Luftströmung für die Bewetterung in einem Tiebau.

Für die soltechnische Gewinnung von Kalisalzen wird mit dem CFD-Kavernenströmungsmodell unterschiedlichen Fragestellungen nachgegangen. Nachfolgende Abbildung zeigt die Verteilung zweier unterschiedlich schwerer Solen bei der Rückverfüllung einer Doppelkaverne mit Prozesssole. Durch die Rückverfüllung mit Prozesssole wird der Kavernenhohlraum für die Speicherung der Prozesssole genutzt bei gleichzeitiger Gewinnung der im Hohlraum verbliebenen Produktionssole.

Durch den Ansatz intelligenter Abstraktionen kann die Strömung in der Doppelkaverne durch einen 2D-Schnitt bei Wahrung der Gesamtbilanz genähert werden. Dies ermöglicht eine sehr effiziente numerische Analyse des Strömungsproblems.

Die 3D-Analyse der Strömung in einer Doppelkaverne zeigt nachfolgende Abbildung. Durch den Ansatz des Eingleichungsturbulenzmodells mit einer Modifikation der Quelle turbulenter kinetischer Energie nach KATO & LAUNDER und einer intelligenten Abstraktion des Zu- und Abflusses kann das Strömungsproblem mit ausreichender Genauigkeit auf einer modernen Workstation analysiert werden.

Baugrubenentwässerung

Befinden sich Bereiche einer Baugrube unterhalb des Grundwasserspiegels, sind Wasserhaltungsmaßnahmen zur Entwässerung der Baugrube oder des Baufeldes erforderlich. Diese können unterschiedlich gestaltet werden durch Brunnen, Horizontalbrunnen, Dränagen oder in Form einer offenen Wasserhaltung.

Für die Planung und Optimierung der Wasserhaltung bzw. Baugrubenentwässerung ist u.a. die Klärung folgender Fragestellungen erforderlich:

• Art und Anordnung der technischen Bauwerke (Brunnen, Horizontalbrunnen, Dränagen usw.) für die Entwässerung der Baugrube/des Baufeldes
• Ermittlung des für die Absenkung des Grundwasserspiegels erforderlichen Volumenstroms
• Berücksichtigung unterschiedlicher Konstellationen und Anordnungen der technischen Bauwerke für die Optimierung

Für die Abschätzung des für die Entwässerung bzw. für die Grundwasserabsenkung erforderlichen Volumenstroms und die Klärung der o.g. Fragestellungen sind numerische Simulationsmodelle ein effizientes Werkzeug. Sie ermöglichen die Berücksichtigung einer variablen Geometrie der Baugrube, ortsabhängiger geohydraulischer Parameter sowie die Berücksichtigung unterschiedlicher Randbedingungen.

Für eine effiziente und kurzfristige Bearbeitung solcher Grundwasserströmungsmodelle ist COMSOL Multiphysics® eine gute Wahl. COMSOL Multiphysics® ermöglicht eine effiziente Erstellung der Geometrie in 3D sowie eine effiziente Netzgenerierung. Dadurch können die Geometrien der Baugrube und des Grundwasserleiters zügig erfasst und abgebildet werden. Unterschiedliche Anordnungen der technischen Bauwerke für die Entwässerung können mit wenigen Mausklicks arrangiert werden.

Weitere Vorteil von COMSOL Multiphysics® ist die Möglichkeit, Optimierungsaufgaben zu bearbeiten und Sensitivitäten zu analysieren. Für die Ermittlung des optimalen Fördervolumenstromes zur Grundwasserabsenkung wird der Zielwasserstand vorgegeben und der dafür erforderliche Volumenstrom berechnet. Das sonst sehr zeitaufwendige trial and error entfällt, was die Modellanwendung für den Auftraggeber letztendlich kostengünstiger gestaltet.

Referenz:

BANNACH, N.; GATZEMEIER, A. and M. REMBE (2015): Advantages of Multiphysics in Reservoir Simulation. Presentation at the DGMK Spring Conference in Celle/Germany, April 22.-23., 2015.

Energiepfähle sind tiefe Pfahlgründungen, mit deren Hilfe zusätzlich flache Geothermie zum Heizen oder Kühlen genutzt wird. Dazu sind in den betonierten Pfählen zusätzliche Leitungen (Absorberleitungen) verbaut, in denen das Wärmeträgerfluid zirkuliert.

Im Gegensatz zu Erdwärmesonden sind die Energiepfähle in der Regel kürzer und haben einen größeren Durchmesser. Dafür sind in ihnen mehrere Leitungsbündel installiert.

Für die Planung und optimale Auslegung solcher Systeme sollten geklärt werden:

• die Leistung der Wärmeübertragung (Heizen oder Kühlen) unter den konkreten hydrogeologischen Standort- und Einsatzbedingungen pro Meter Absorberleitung bzw. pro Energiepfahl,
• ein sicheres Betriebsregime zur Vermeidung von Vereisung des Energiepfahls und
• die minimlae Zeitdauer eines Geothermal Response Tests (GRT), um - bedingt durch den größeren Durchmesser - ein sensibles Testergebnis zu erzielen für die zuverlässige Charakterisierung des Wärmespeichers im Untergrund.

Zielführend ist in diesem Zusammenhang ein Simulationsmodell, welches eine freie Geometrie und Konfiguration des Energiepfahls zulässt und mit dem die zeitabhängige Wärmeübertragung Untergund/Energiepfahl/Wärmeträgerfluid simuliert werden kann. Mit Hilfe von COMSOL® Multiphysics® wurde dazu ein 3D Simulationsmodell eines Energiepfahls aufgebaut, mit dem die o. g. Fragestellungen geklärt werden können. COMSOL® Multiphysics® ist dafür sehr gut geeignet, da es die Kopplung unterschiedlicher physikalischer Phänomene und die Kopplung unterschiedlicher Geometrien erlaubt, die eine umfassende und effiziente Simulation ermöglicht.

Unser 3D-Energiepfahl-Modell berücksichtigt:

• freie Geometrie (Durchmesser, Länge, Material) und Konfiguration (Länge, Durchmesser, Anzahl Bündel der Absorberleitung, Wärmeträgerfluid) des Energiepfahls,
• die zeitabhängige Wärmeübertragung Untergund/Energiepfahl/Wärmeträgerfluid,
• Grundwasserleiter und -geringleiter mit Grundwasserströmung, Grundwasserstauer,
• Entstehung von Gefrierkörpern mit Phasenwechsel flüssig/fest und latenter Schmelzwärme und
• beliebige Rand- und Anfangsbedingungen.

Die Simulationsergebnisse tragen wesentlich zur erfolgreichen Planung und Dimensionierung von Systemen mit Energiepfählen bei. Weiterhin dienen sie zur Planung und Auswertung von geothermischen Tests, um unter in situ Bedingungen die Wärmeübertragung zu evaluieren.

Referenz:

BANNACH, N.; GATZEMEIER, A. and M. REMBE (2015): Advantages of Multiphysics in Reservoir Simulation. Presentation at the DGMK Spring Conference in Celle/Germany, April 22.-23., 2015.

Gefrierkörper können im wassergesättigten Untergrung gewollt oder ungewollt an Niedertemperatur-Erdwärmesonden entstehen oder sie werden gezielt im Gefrierschachtbau, Tunnelbau oder Spezialtiefbau hergestellt.

Für die bessere Planung kann die Entstehung von Gefrierkörpern im wassergesättigten Porenraum simuliert werden. Das Simulationsmodell wurde mit COMSOL® Multiphysics® erstellt und berücksichtigt den Phasenwechsel flüssig/fest sowie fest/flüssig mit latenter Schmelzwärme und Änderung der geohydraulischen Parameter.

Die Darstellung zeigt die Entwicklung eines Gefrierkörpers um eine unterdimesionierte Erdwärmesonde.