Zur Strömungssimulation in Einzelklüften: Gegenüberstellung von numerischen Methoden und Experiment:
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Aachen
Shaker
2010
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161 |
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VI
INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS VI
ABBILDUNGSVERZEICHNIS IX
TABELLENVERZEICHNIS XV
VERZEICHNIS DER FORMELZEICHEN UND SYMBOLE XVIII
1 EINFUEHRUNG 1
1.1 MOTIVATION 1
1.2 GLIEDERUNG DER ARBEIT 7
2 GRUNDLAGEN DER STROEMUNG IN EINZELKLUEFTEN 9
2.1 UEBERSICHT 9
2.2 GRUNDGLEICHUNGEN ZUR BESCHREIBUNG DER STROEMUNG IN KLUEFTEN 9
2.2.1 EINFUEHRUNG 9
2.2.2 NAVIER-STOKES- UND STOKES-GLEICHUNGEN 10
2.2.3 CUBIC LAW UND LOCAL CUBIC LAW 12
2.3 PARAMETER ZUR BESCHREIBUNG UND CHARAKTERISIERUNG DER KLUFTGEOMETRIE
14
2.4 GRUNDBEGRIFFE ZUR BESCHREIBUNG UND CHARAKTERISIERUNG DER
KLUFTSTROEMUNG 15
2.4.1 ALLGEMEINES 15
2.4.2 INTRINSISCHE PERMEABILITAET UND TRANSMISSIVITAET 16
2.4.3 REYNOLDSZAHL 17
2.4.4 EFFEKTIVE OEFFNUNGSWEITE 18
2.4.5 TORTUOSITAET 19
2.4.6 DURCHBRUCHSKURVE 20
2.5 EINFLUSSGROESSEN AUF DIE AUSBILDUNG DER STROEMUNGSCHARAKTERISTIKA 20
2.5.1 UEBERBLICK 20
2.5.2 OBERFLAECHEN- UND OEFFNUNGSWEITENCHARAKTERISTIKA 20
2.5.3 REYNOLDSZAHL UND TURBULENZ 24
2.6 KRITERIEN ZUR ANWENDUNG VEREINFACHTER STROEMUNGSGLEICHUNGEN AUF DIE
KLUFTSTROEMUNG 25
2.6.1 UEBERBLICK 25
2.6.2 KRITERIEN AUF BASIS VON GROESSENORDNUNGSANALYSEN UND ANALYTISCHEN
ANSAETZEN 26
2.6.3 KRITERIEN AUF BASIS NUMERISCHER UND EXPERIMENTELLER UNTERSUCHUNGEN
32
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN HTTP://D-NB.INFO/1008316202
DIGITALISIERT DURCH
IMAGE 2
INHALTSVERZEICHNIS VII
2.7 NUMERISCHE VERFAHREN ZUR STROEMUNGSSIMULATION 37
2.7.1 ALLGEMEINES 37
2.7.2 FINITE DIFFERENZEN ZUR LOESUNG DES LOCAL CUBIC LAW 37
2.7.3 FINITE VOLUMEN 39
3 KORREKTURANSAETZE FUER DAS CUBIC LAW UND DAS LOCAL CUBIC LAW 41
3.1 UEBERBLICK 41
3.2 FLIESSKANALMODELLE 41
3.3 ANSAETZE ZUR BESTIMMUNG EINER HYDRAULISCHEN OEFFNUNGSWEITE 42
3.3.1 ALLGEMEINES 42
3.3.2 CHARAKTERISIERUNG VON LOKALEN HYDRAULISCHEN OEFFNUNGSWEITEN 43
3.3.3 BERECHNUNG EINER GLOBALEN HYDRAULISCHEN OEFFNUNGSWEITE 46 3.3.4
BESTIMMUNG VON VERBINDUNGSTRANSMISSIVITAETEN IN FINITE-DIFFERENZEN-
SIMULATIONEN 56
3.4 NICHTLINEARE KORREKTURTERME 57
3.5 IMPLIKATIONEN FUER DIE BESTIMMUNG EINER GLOBALEN HYDRAULISCHEN
OEFFNUNGSWEITE 60
4 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNG DER KLUFTSTROEMUNG 62
4.1 EINFUEHRUNG 62
4.2 VERSUCHSAUFBAU UND -DURCHFUEHRUNG 62
4.3 ERGEBNISSE DER MESSUNGEN 64
5 NUMERISCHE MODELLIERUNG DER KLUFTSTROEMUNG 67
5.1 ALLGEMEINES 67
5.2 OEFFNUNGSWEITENFELDER DER EINZELKLUFTKONFIGURATIONEN 67
5.2.1 ERMITTLUNG DER OEFFNUNGSWEITEN 67
5.2.2 BESTIMMUNG DER EIGENSCHAFTEN DER OEFFNUNGSWEITENFELDER 70 5.2.3
UEBERPRUEFUNG DER ANWENDUNGSKRITERIEN FUER DAS LOCAL CUBIC LAW 74
5.3 AUFBAU DER NUMERISCHEN UNTERSUCHUNGSMODELLE 76
5.3.1 ALLGEMEINES ZU DEN RANDBEDINGUNGEN DER NUMERISCHEN MODELLE 76
5.3.2 NAVIER-STOKES-SIMULATION 77
5.3.3 FORCHHEIMER-MODELL 79
5.3.4 PARTICLE-TRACKING 80
6 STROEMUNGSSIMULATION AUF BASIS DER NAVIER-STOKES-GLEICHUNGEN 83
6.1 UEBERSICHT 83
6.2 ZWEIDIMENSIONALE NAVIER-STOKES-SIMULATIONEN IN VERTIKALSCHNITTEN 84
6.3 DREIDIMENSIONALE NAVIER-STOKES-SIMULATIONEN IN DER GESAMTEN KLUFT 88
6.3.1 VERGLEICH ZWISCHEN DREIDIMENSIONALER NAVIER-STOKES-SIMULATION UND
EXPERIMENT 88
6.3.2 TORTUOSITAET UND STROMLINIENVERLAEUFE 92
6.3.3 DURCHBRUCHSKURVE 98
6.3.4 EFFEKTIVE OEFFNUNGSWEITEN 100
6.4 DREIDIMENSIONALE NAVIER-STOKES-SIMULATION IN TEILBEREICHEN DER KLUFT
101
IMAGE 3
VIII INHALTSVERZEICHNIS
6.5 IMPLIKATIONEN FUER SKALIERUNGSANSAETZE DES CUBIC LAW UND DES
FORCHHEIMER-MODELLS 108
7 STROEMUNGSBERECHNUNG MIT DEM FORCHHEIMER-MODELL UND DEM CUBIC LAW 109
7.1 UEBERSICHT 109
7.2 BESTIMMUNG DER LOKALEN OEFFNUNGSWEITEN 109
7.3 EVALUIERUNG DER ZWEIDIMENSIONAL-TIEFENGEMITTELTEN SIMULATION MIT DEM
FORCHHEIMER-MODELL 115
7.3.1 BEURTEILUNG DER VERBINDUNGSTRANSMISSIVITAETEN 115
7.3.2 BEURTEILUNG DER DEFINITION DER OEFFNUNGSWEITENFELDER UND SKALIERUNG
DES FORCHHEIMER-KOEFFIZIENTEN 116
7.3.3 TORTUOSITAET UND STROMLINIEN 120
7.3.4 DURCHBRUCHSKURVE 123
7.4 EVALUIERUNG DER EINDIMENSIONALEN STROEMUNGSBERECHNUNG MIT DEM CUBIC
LAW 125
7.5 SCHLUSSFOLGERUNGEN FUER DIE EIN- UND ZWEIDIMENSIONALE
STROEMUNGSSIMULATION
IN KLUEFTEN 134
8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 135
LITERATUR 139
ANHANG A - HERLEITUNGEN 152
A.1 KONTINUITAET 152
A.2 NAVIER-STOKES-GLEICHUNGEN 153
ANHANG B - MODIFIKATION DES VERSUCHSSTANDES 157
ANHANG C - ENTWICKLUNG DER STROMLINIEN AUF BASIS DER DREIDIMENSIONALEN
NAVIER-STOKES-SIMULATION IN ABHAENGIGKEIT VON DER REYNOLDSZAHL UND DER
RELATIVEN RAUHEIT 161
ANHANG D - TABELLEN ZUR ERMITTLUNG DER HYDRAULISCHEN OEFFNUNGSWEITEN AUF
BASIS DES CUBIC LAW 169
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