Untersuchung von Mikro-Makromodellen für zeitlich veränderliche poröse Medien mittels Level-set Methoden und zelluärer Automaten – Anwendungen auf reaktiven Transport und Bodenmikroaggregate
Poröse Medium treten in zahlreichen Anwendungen auf. Sie zeichnen sich durch ihre heterogene räumliche Struktur aus, die durch eine poröse Matrix und dem verbleibenden Porenraum definiert ist. Der Porenraum kann mit verschiedenen fluiden Phasen, d.h. Flüssigkeiten und Gasen gefüllt sein, in denen unterschiedliche chemische Spezies vorhanden sein können. Anwendungen in porösen Medien weisen naturgemäß verschiedene räumliche Skalen auf: Zum einen die Mikro-/Porenskala, auf der biogeochemische Prozesse ablaufen, wobei Porenraum und Festkörper unterscheidbar sind. Zum anderen die Makroskala, d.h. die Skala des porösen Mediums. Auf dieser Skala werden Beobachtungen durchgeführt und sie ist letztlich von praktischer Bedeutung für zuverlässige Berechnungen reaktiven Transports.
Ein Schwerpunkt meiner Arbeit ist es eine Brücken zwischen diesen beiden Skalen mit Hilfe von Upscaling-Techniken zu schalgen, sowie die Untersuchung der daraus resultierenden voll gekoppelten Mikro-Makromodelle. Der zweite Schwerpunkt ist der folgende: Anstatt anzunehmen, dass die poröse Matrix starr und unveränderlich ist, wird eine sich entwickelnde poröse Matrix betrachtet. In diesem Sinne werden neue Anforderungen an die Mehrskalenmodellierung, Analyse und Numerik solcher Probleme gestellt.
Im ersten Teil der Arbeit wird ein besseres Verständnis der Grundlagen reaktiver Fließ- und Transportprozesse in porösen Medien erlangt, indem hydrodynamischer Parameter auf Basis von Upscaling-Techniken untersucht werden. Zusätzlich werden Mikro-Makromodelle, die sich aus dem Upscaling ergeben, sowohl analytisch als auch numerisch unter expliziter Berücksichtigung der sich entwickelnden Mikrostruktur untersucht. Dafür werden u.a. Level-Set-Methoden angewandt. Schließlich werden effektive Mikro-Makromodelle einschließlich (Elektro-)Dispersion abgeleitet und der Einfluss der sich entwickelnden Mikrostruktur auf den effektiven Dispersions-Diffusions-Tensor diskutiert.
Im zweiten Teil der Arbeit wenden wir zelluläre Automaten an, um die Dynamik verschiedener Phasen im Porenraum abzubilden, darunter z.B. die von Bakterien/Biomasse. Als konkrete Anwendung fokussieren wir uns auf Bodenmikroaggregate, die die Grundbausteine fast aller Böden sind. Wir beleuchten ihre Bildung und ihren Turnover sowie die jeweiligen Einflussfaktoren wie Größe, Form und Ladung. Da Bodenmikroaggregate selbst poröse Medien sind, lassen sich die im ersten Teil der Arbeit verwendeten und abgeleiteten Modelle direkt übertragen und beide Modellierungsansätze können einfach miteinander verknüpft werden.
Untersuchung von Mikro-Makromodellen für zeitlich veränderliche poröse Medien mittels Level-set Methoden und zelluärer Automaten – Anwendungen auf reaktiven Transport und Bodenmikroaggregate
Poröse Medium treten in zahlreichen Anwendungen auf. Sie zeichnen sich durch ihre heterogene räumliche Struktur aus, die durch eine poröse Matrix und dem verbleibenden Porenraum definiert ist. Der Porenraum kann mit verschiedenen fluiden Phasen, d.h. Flüssigkeiten und Gasen gefüllt sein, in denen unterschiedliche chemische Spezies vorhanden sein können. Anwendungen in porösen Medien weisen naturgemäß verschiedene räumliche Skalen auf: Zum einen die Mikro-/Porenskala, auf der biogeochemische Prozesse ablaufen, wobei Porenraum und Festkörper unterscheidbar sind. Zum anderen die Makroskala, d.h. die Skala des porösen Mediums. Auf dieser Skala werden Beobachtungen durchgeführt und sie ist letztlich von praktischer Bedeutung für zuverlässige Berechnungen reaktiven Transports.
Ein Schwerpunkt meiner Arbeit ist es eine Brücken zwischen diesen beiden Skalen mit Hilfe von Upscaling-Techniken zu schalgen, sowie die Untersuchung der daraus resultierenden voll gekoppelten Mikro-Makromodelle. Der zweite Schwerpunkt ist der folgende: Anstatt anzunehmen, dass die poröse Matrix starr und unveränderlich ist, wird eine sich entwickelnde poröse Matrix betrachtet. In diesem Sinne werden neue Anforderungen an die Mehrskalenmodellierung, Analyse und Numerik solcher Probleme gestellt.
Im ersten Teil der Arbeit wird ein besseres Verständnis der Grundlagen reaktiver Fließ- und Transportprozesse in porösen Medien erlangt, indem hydrodynamischer Parameter auf Basis von Upscaling-Techniken untersucht werden. Zusätzlich werden Mikro-Makromodelle, die sich aus dem Upscaling ergeben, sowohl analytisch als auch numerisch unter expliziter Berücksichtigung der sich entwickelnden Mikrostruktur untersucht. Dafür werden u.a. Level-Set-Methoden angewandt. Schließlich werden effektive Mikro-Makromodelle einschließlich (Elektro-)Dispersion abgeleitet und der Einfluss der sich entwickelnden Mikrostruktur auf den effektiven Dispersions-Diffusions-Tensor diskutiert.
Im zweiten Teil der Arbeit wenden wir zelluläre Automaten an, um die Dynamik verschiedener Phasen im Porenraum abzubilden, darunter z.B. die von Bakterien/Biomasse. Als konkrete Anwendung fokussieren wir uns auf Bodenmikroaggregate, die die Grundbausteine fast aller Böden sind. Wir beleuchten ihre Bildung und ihren Turnover sowie die jeweiligen Einflussfaktoren wie Größe, Form und Ladung. Da Bodenmikroaggregate selbst poröse Medien sind, lassen sich die im ersten Teil der Arbeit verwendeten und abgeleiteten Modelle direkt übertragen und beide Modellierungsansätze können einfach miteinander verknüpft werden.
Hier geht es zum Video des Science Slams:
Vita
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