Numerische Modellierung und Simulation
Numerische Lösungen und Modellierung spielen in allen Bereichen des Ingenieurwesens, wie z. B. Bauwesen, Maschinenbau, Elektrotechnik und Chemieingenieurwesen, eine entscheidende Rolle, da sie wertvolle Erkenntnisse über das Verhalten komplexer Systeme liefern und Ingenieuren helfen, fundierte Entscheidungen zu treffen.
Einige der wichtigsten Funktionen und Vorteile numerischer Lösungen sind:
- Optimierung des Material- und Strukturentwurfs: Mithilfe numerischer Modelle können verschiedene Entwurfsoptionen bewertet und die beste Lösung ausgewählt werden, die den Leistungs-, Sicherheits- und Kostenkriterien entspricht.
- Prädiktive Analyse: Mit Hilfe numerischer Simulationen lässt sich das Verhalten von Systemen unter verschiedenen Bedingungen vorhersagen, so dass Ingenieure potenzielle Probleme bereits vor Baubeginn erkennen können.
- Virtuelle Tests: Numerische Modelle können zur Simulation physischer Tests verwendet werden, wodurch teure und zeitaufwändige physische Tests entfallen.
- Risikobewertung: Mit numerischen Modellen lassen sich die Auswirkungen verschiedener Risiken wie Erdbeben, extreme Wetterbedingungen und Naturkatastrophen auf Strukturen und Systeme bewerten.
- Multidisziplinäre Zusammenarbeit: Numerische Modelle bieten Ingenieuren aus verschiedenen Fachbereichen eine gemeinsame Plattform für die Zusammenarbeit und die Lösung komplexer Probleme.
Beispielhafte Tools
Beispielhafte Anwendungen
Dynamik poröser Medien
Die Dynamik gesättigter/ungesättigter poröser Medien ist mit vielen Anwendungen im Bauwesen und im Maschinenbau verbunden: Dazu gehören Anwendungen in der Geotechnik (Bodendynamik, Erdbeben- und Erdrutschanalyse und Boden-Bauwerk-Interaktion), der Umwelttechnik (Flüssigkeitsströmung und Schadstofftransport), dem Bauwesen (Straßenbeläge und Fundamente unter dynamischer Belastung), der Energietechnik (Energiespeichersysteme unter dynamischen Lade- und Entladebedingungen), der Fertigungstechnik (z. B. dynamisches Verhalten von Metallschäumen, Keramiken und Polymeren) und der Akustik (poröse Materialien zur Schallabsorption und Schwingungsdämpfung).
Bruchmechanik
Die Entstehung und Ausbreitung von Rissen unter mechanischer Beanspruchung sind in allen Bereichen des Ingenieurwesens von großer Bedeutung, z. B. in der Luft- und Raumfahrttechnik, in der Nukleartechnik, im Maschinenbau, in der Erdöltechnik, in der Werkstoffkunde, im Bauwesen, in der Biomedizintechnik und in der Geologie. Einige Beispiele sind der Bruch mechanischer Komponenten, Risse in Metallen, Keramiken und Polymeren, die Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Brücken, Gebäuden und Pipelines sowie das Verhalten von biologischem Gewebe und Knochen unter Belastung.
Ref. (Open Access)
Thermische Energiespeicherung
Energiespeicherung mit Hilfe von Phasenwechselmaterialien (PCM) ist eine Technik, die für die Konservierung der verfügbaren und überschüssigen Energie und die Verbesserung ihrer Nutzung von wesentlicher Bedeutung ist. Ein gut konzipiertes Energiespeichersystem trägt dazu bei, die Lücke zwischen Energieerzeugung und -verbrauch zu verringern und die Schadstoffemissionen (z. B. CO2) zu reduzieren. Modellierung von PCMs und Optimierung des Betriebs von Energiespeichersystemen ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Dabei kann die Phasenfeldmethode angewendet werden, um den Phasenwechselprozess zu erfassen und den Wärmeaustausch zwischen dem PCM und der Umgebung realistisch zu simulieren.
Ref (Open Access)
Hydraulische und trocknungsbedingte Bruchmodellierung
Hydraulisches Fracturing ist für verschiedene Ingenieuranwendungen von großer Bedeutung. In der Geotechnik können Austrocknungsrisse im Baugrund die Stabilität von Bauwerken gefährden. Bei Enhanced Geothermal Systems (EGS) und in der Erdölindustrie ist es von entscheidender Bedeutung, die Verläufe von hydraulischen Rissen vorhersagen zu können, um eine mögliche Verunreinigung des Grundwassers zu vermeiden.
Die Modellierung und Validierung von Brüchen konzentriert sich nicht nur auf gesättigte, sondern auch auf ungesättigte poröse Medien. Zur Modellierung von Hydraulic Fracturing können verschiedene Modelle angewandt werden, z. B. die Phasenfeldmethode
Thermohydromechanische (THM) Prozesse
THM Prozesse, z.B. in porösen und gebrochenen Materialien, umfassen Wärmeübertragung, Flüssigkeitsströmung, Stoffübertragung und Verformungen. Die sind mit vielen Anwendungen im Ingenieurwesen verbunden. Dazu gehören (1) Geothermie: Heißes Wasser wird durch unterirdische Klüfte und Poren zirkuliert, um die Wärme zu gewinnen.
(2) Umweltsanierung zur Entfernung von Schadstoffen aus Grundwasser und Boden. Dabei wird heißes Wasser in den Untergrund eingeleitet und die Wärme genutzt, um die Verunreinigungen zu verdampfen, die dann aufgefangen und behandelt werden. (3) Kohlendioxidabscheidung und -speicherung: Eine Technologie zur Verringerung der Treibhausgase-missionen, bei der Kohlendioxid aus industriellen Quellen abgeschieden und in tiefe unterirdische poröse Formationen eingeleitet wird.
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