Dissertation Cornelia Kalender-Wevers
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Dissertationsabschluss von Dr.-Ing. Cornelia Kalender-Wevers, 2015


Windinduzierter Partikeltransport - Synergetische Kombination von physikalischer und numerischer Simulation

Feststoffteilchen in unserer Luft, Primärstäube und Aerosole, können aus anthropogenen und natürlichen Quellen stammen.
Ihre windinduzierte Transmission in der bodennahen atmosphärischen Grenzschicht erfolgt je nach Größe und Dichte der Partikel über unterschiedlich große Distanzen und Konzentrationen bis zum Immissionsgebiet. Gesundheitsgefährdende Wirkung auf den Menschen haben insbesondere lungengängige Partikel mit Durchmessern von 3 bis 0,1 µm. Die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft („TA-Luft") beschreibt deshalb u.a. bautechnisch umzusetzende Maßnahmen zur Eindämmung und Kontrolle von Emissionen durch staubende Produktions- oder Bauvorgänge. Zur Prognose ihrer Wirksamkeit sind detaillierte Kenntnisse der Strömungsmechanik der gesamten Transportkette bis zum Immissionsort erforderlich.

Für die Vorhersage der windgetriebenen Transmission, insbesondere der angesprochenen Staub- und Aerosolfraktionen in der bebauten Umwelt, kommen in dieser Arbeit zwei verschiedene Modelle in Kombination zum Einsatz. Zum einen erfolgt die Modellierung physikalisch im Grenzschichtwindkanal anhand von Ausbreitungsversuchen mit einem Tracergasgemisch und zum anderen numerisch mit einem Finite-Volumen Strömungslöser unter Verwendung eines Euler- und eines Trajektorienmodells. Ein Modell ist immer ein vereinfachtes Abbild der Realität, so dass je nach Konzeption des Modells die Modellergebnisse für den selben Anwendungsfall verschieden sind. Ziel dieser Arbeit ist es, die eingesetzten Modelle mit einander so zu kombiniert, dass ihre Vorteile hybrid genutzt und dadurch ihre jeweiligen modellspezifischen Nachteile und Grenzen überwunden werden. Dies erfordert eine detaillierte Betrachtung der verschiedenen Einflussparameter sowie die Untersuchung der jeweiligen Unsicherheiten. Es zeigte sich, dass qualitativ hochwertige Simulationsergebnisse nur durch sorgfältige Voruntersuchungen und Unabhängigkeitstests zu erreichen sind. So ermöglicht die synergetische Nutzung beider Ansätze, den Transport der Partikel in der bebauten Umwelt möglichst realitätsnah abzubilden und neue Erkenntnisse für die Anwendung in der Umwelttechnik zu erlangen. Dies betrifft als Anwendungsfall auch und im Besonderen die Wirksamkeit von Teileinhausungen, die zur Immissionsminderung beim Umschlag und der Lagerung von staubenden Gütern zum Einsatz kommen. Es wird gezeigt, dass sich die jeweiligen Modellvorhersagen gegenseitig ergänzen und durch ihre hybride Nutzung die Abbildungsvollständigkeit für die Untersuchungsfälle erhöht wird.

Bild 1: Darstellung der Ausbreitung von Partikeln aus einer leeseitig offenen Halle: Trajektorien im numerischen Modell
Bild 1: Darstellung der Ausbreitung von Partikeln aus einer leeseitig offenen Halle: Trajektorien im numerischen Modell

Bild 2: Darstellung der Ausbreitung von Partikeln aus einer leeseitig offenen Halle: Laserlichtschnitt eines Rauchversuches im Windkanal
Bild 2: Darstellung der Ausbreitung von Partikeln aus einer leeseitig offenen Halle: Laserlichtschnitt eines Rauchversuches im Windkanal