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Sonderforschungsbereich 1313

SFB 1313: Grenzflächenbeeinflusste Mehrfeldprozesse in porösen Medien
- Strömung, Transport und Deformation -

Forschungsprofil

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Der hier geplante Sonderforschungsbereich (SFB) hat sich zum Ziel gesetzt, ein grundlegendes Verständnis darüber zu entwickeln, wie Grenzflächen Strömung, Transport und Deformation in porösen Medien beeinflussen. Dies beinhaltet sowohl die Herausforderung, zu quantifizieren, wie Porengeometrie, Heterogenität und Risse des porösen Mediums die Dynamik von Fluid-Fluid- und Fluid-Feststoff-Grenzflächen beeinflussen, als auch die Entwicklung von mathematischen und numerischen Modellen, die Auswirkungen von Prozessen beinhalten, die auf viel kleineren Skalen grenzflächengetrieben auftreten.

Strömung, Transport und Deformation in porösen Medien sind über nichtlineare physikalische, chemische sowie biologische Prozesse stark miteinander gekoppelt. Nach derzeitigem Kenntnisstand werden diese Prozesse auf unterschiedlichen charakteristischen zeitlichen und räumlichen Skalen untersucht, die aufgrund von Struktur und Heterogenität des porösen Mediums herangezogen werden. Untersuchungen zeigen, dass viele Prozesse von den Eigenschaften und der Geometrie des porösen Mediums sowie der Dynamik unterschiedlicher Fluid-Fluid- und Fluid-Feststoff-Grenzflächen dominiert werden, die auf deutlich kleineren als den betrachteten charakteristischen Skalen auftreten. Aus diesem Grund bilden viele bestehende Modellkonzepte das eigentliche Systemverhalten nur unzureichend ab. Beispiele für diese unzureichende Prognosefähigkeit sind das erweiterte Darcy-Gesetz für Mehrphasenströmung, derzeitige Modelle für Evaporation aus porösen Medien und bestehende Modelle zur Riss- bzw. Versagensausbreitung in porösen Medien.

Die Forschung des SFB 1313 hat viele technische, biologische und umweltrelevante Anwendungen. Dazu zählen unter anderem Gas- und Wassertransport in Brennstoffzellen, Verdunstungsprozesse an der Grenzfläche von Boden zu Atmosphäre oder thermo-chemische Energiespeicherung.

Um die Forschung innerhalb des SFBs zielgerichtet zu strukturieren, ist das weite Feld der grenzflächenbezogenen Prozesse in vier repräsentative Projektbereiche eingeteilt:

  • Projektbereich A: Komplexe grenzflächenbedingte Austauschvorgänge von Masse, Impuls und Energie für gekoppelte freie Strömung und Strömung in porösen Medien.
  • Projektbereich B: Komplexe Riss- und Versagensvorgänge in porösen Medien.
  • Projektbereich C: Veränderungen im Porenraum aufgrund von Prozessen an der Grenzfläche zwischen Fluid- und Fest-stoffphase. 
  • Projektbereich D: Die Forschung in den drei vorgenannten Bereichen kombiniert mathematische und numerische Modellbildung mit modernen mehrskaligen, bildgestützten Experimenten. Alle drei Projektbereiche teilen konzeptuelle Herausforderungen, wie die Visualisierung sowohl von Simulations- und experimentellen Ergebnissen, die Definition von Benchmarks zur Modellvalidierung, sowie die Koppllung unterschiedlicher Multi-Physik- und Multi-Skalen-Simulationsumgebungen.

Allgemeine Informationen

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Der Sonderforschungsbereich 1313 „Interface-Driven Multi-Field Processes in Porous Media – Flow, Transport and Deformation“ (SFB 1313) ist eine Einrichtung der Universität Stuttgart und wird seit dem 1. Januar 2018 von der Deutschen Forschuntsgemeinschaft (DFG) gefördert. Er ist dem Stuttgarter Zentrum für Simulationswissenschaften (Stuttgart Centre for Simulation Sciences - SC SimTech) und der Fakultät 2 "Bau- und Umweltingenieurwissenschaften" zugeordnet.

Die DFG förderte von 2007 bis 2016 das Internationale Graduiertenkolleg 1398 "Non-linearities and Upscaling in Porous Media (IRTG 1398 "NUPUS"). Ziel des Graduiertenkollegs war die Entwicklung von Modellkonzepten und numerischen Verfahren zur Beschreibung von Mehrphasenprozessen in porösen Medien. Federführender Antragsteller war Rainer Helmig, der in Zusammenarbeit mit Majid Hassanizadeh von der Universität Utrecht und weiteren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universitäten Stuttgart, Delft, Eindhoven, Utrecht und Wageningen das Forschungsprojekt initiierte. Zur zweiten Förderphase traten auch noch norwegische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von der Universität Bergen dem Projektverbund bei. Die niederländischen Partner wurden von der NWO (Netherlands Organisation for Scientific Research) und die norwegischen Partner vom RCN (Research Council of Norway) gefördert.

Die am Graduiertenkolleg NUPUS beteiligten Forscherinnen und Forscher leisteten über die Jahre hinweg sehr gute Forschungsarbeiten im Bereich der porösen Medien und erzielten große Außenwirkung. Sie bauten Kooperationen mit internen und externen Partnern auf und waren durch Tagungsteilnahmen und über gemeinsame Publikationen weltweit sichtbar. Um diese erfolgreiche Tätigkeit weiter auszubauen und zu vertiefen, haben die Stuttgarter Forscherinnen und Forscher im Jahr 2015 bei der Universität Stuttgart erfolgreich die Einrichtung eines Stuttgart Research Partnership „iNterdisciplinary Union of Porous media research at the University of Stuttgart“ (SRP "NUPUS") beantragt. Das SRP NUPUS wendet sich auf nationaler und internationaler Ebene an Studierende und Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler, die im Bereich der porösen Medien aktiv sind. Insgesamt haben 25 Forschungseinrichtungen im Rahmen des SRPs Kooperationsverträge mit der Universität Stuttgart abgeschlossen. Das SRP NUPUS wird ab Mitte 2018 nicht mehr von der Universität Stuttgart gefördert. Es wird in den SFB 1313 integriert und in diesem Rahmen weiterbestehen.

Kontakt

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