Abschlussarbeiten für Bachelor und Master
Inhaltsverzeichnis
Studierendenprofil
Die Gruppe heißt Studierende aus den Bereichen Umweltwissenschaften, Hydrowissenschaften, Bauingenieurwesen, Maschinenbau, Physik, Geowissenschaften, Computerwissenschaften und verwandten Disziplinen willkommen. Für ein gutes Projekt sind keine Fachkenntnisse in jeder einzelnen Methode erforderlich; Neugier, Zuverlässigkeit und quantitatives Denken sind wichtiger.
Die Projekte können an Studierende angepasst werden, die experimentelle Arbeit, numerische Modellierung, Programmierung, Datenanalyse oder eine Kombination dieser Ansätze bevorzugen.
Fähigkeiten, die Studierende entwickeln können
Die Studierenden können praktische und übertragbare Fähigkeiten in den Bereichen Entwurf von Versuchsprotokollen, Mikroskopie und Bildanalyse, Partikelcharakterisierung, Python-basierte Datenanalyse, Einrichtung und Nachbearbeitung von CFD/FVM-Simulationen, DEM-IBM-Simulationen, Erstellung wissenschaftlicher Abbildungen sowie Verfassen von Abschlussarbeiten und Berichten entwickeln.
Unsere Forschungsschwerpunkte
Wir untersuchen den Transport, die Ablagerung, die Erosion und die Strömung von sedimenthaltigen Flüssigkeiten und körnigen Materialien in aquatischen Umgebungen. Wir kombinieren Laborexperimente, Kontinuumsmodellierung mit der Finite-Volumen-Methode und partikelaufgelöste Simulationen, um Mechanismen auf Partikelebene mit geophysikalischen und ingenieurwissenschaftlichen Anwendungen zu verknüpfen.
Warum das wichtig ist
Partikel-Flüssigkeits-Systeme spielen eine zentrale Rolle für die Wasserqualität, das Sedimentmanagement, die Flussmorphodynamik, die Bodenstabilität, den Tiefseebergbau, Murgänge und industrielle Verarbeitungsprozesse. Ein physikalisches Verständnis auf mehreren Skalen trägt dazu bei, Vorhersagen, Planungen und Umweltverträglichkeitsprüfungen zu verbessern.
1. Laborforschung
Der experimentelle Bereich verbindet standardisierte Charakterisierung mit maßgeschneiderten Geräten. Dies ermöglicht es den Studierenden, sowohl an genau definierten Messprotokollen als auch an eigenentwickelten Versuchsaufbauten zu arbeiten, die speziell für bestimmte physikalische Fragestellungen konzipiert wurden.
Wir charakterisieren natürliche Sedimente, Feinpartikel und Wasserproben mithilfe von Mikroskopie, Partikelzählung oder Hydrometeranalyse, Kohlenstoffgehaltsmessungen, trübungsbezogenen Methoden, Durchflusszytometrie und Zeta-Potential-Analyse. Ziel ist es, Partikeleigenschaften, Wasserchemie sowie biologische oder organische Bestandteile mit dem makroskopischen Verhalten von Suspensionen in Verbindung zu bringen.
Wir entwickeln Versuchsanlagen zur Auslösung und Visualisierung von Scherzonen in trockenen, nassen und untergetauchten Granulatsystemen. Durch die Steuerung von Kohäsion, Reibung, Partikelform und Flüssigkeitsbedingungen untersuchen wir, wie sich lokalisierte Verformungen vor dem Versagen entwickeln. Dieses Thema verbindet die Granulatphysik mit der Bodenstabilität, Naturgefahren und dem industriellen Umgang mit partikulären Materialien.
Soil stability and shear localization
Die Granularrheologie bietet einen Rahmen zur Quantifizierung des Fließverhaltens dichter Partikelsysteme im Bereich der Versperrung. Die Gruppe nutzt durch Druck und Volumen auferlegte rheologische Konzepte, um die Spannungsreaktion, die effektive Reibung und die Granulerviskosität zu messen. In den Projekten kann die Rolle von Partikelform, Rauheit, Kohäsion und den Auswirkungen der Zwischenraumflüssigkeit untersucht werden.
Rheology of granular materials and suspensions
In Zusammenarbeit mit Partnern aus den Bereichen Umweltwissenschaften und Ingenieurwesen untersuchen wir, wie Salzgehalt, Schadstoffe und hydrodynamische Scherkräfte die Aggregation und Sedimentation natürlicher Feinsedimente beeinflussen. In unseren Experimenten kombinieren wir Messungen der Gesamtabscheidung, die Visualisierung von Flocken und die Partikelcharakterisierung, um Sedimentabtrag und Transportprozesse in der Umwelt zu bewerten. Ausgewähltes Beispiel: Sailor
Flocculation and settling of fine sediments
2. Numerische Kontinuumsmodellierung: Finite-Volumen-Methode (FVM)
Finite-Volumen-Simulationen kommen zum Einsatz, wenn die relevanten physikalischen Vorgänge auf der Kontinuumsebene beschrieben werden können. Anstatt jedes einzelne Teilchen zu modellieren, lösen diese Modelle gemittelte Gleichungen für Strömungsbewegungen, Sedimenttransport, Erosion und Ablagerung. Dieser Ansatz eignet sich besonders für großräumige oder turbulente Umweltströmungen.
Anhand numerischer Experimente wird untersucht, wie Strömungen mit Tiefseesedimenten in Umgebungen interagieren, die für den Abbau von Manganknollen relevant sind. Ziel ist es, Erosionsschwellenwerte, den Transport in Bodennähe und die Empfindlichkeit der Meeresbodenreaktion gegenüber hydrodynamischen Einwirkungen zu quantifizieren.
Deep-sea floor erodibility
Wir kombinieren lokale dreidimensionale Simulationen mit großräumigeren zweidimensionalen Beschreibungen, um Ablagerungen, Bodenscherung, Erosionsrisiko und geomorphologische Veränderungen zu untersuchen. Diese multiskalige Strategie trägt dazu bei, lokale Mechanismen mit Fragen des Sedimentmanagements im Feldmaßstab zu verknüpfen.
Local 3D and global 2D river modeling
Zu den typischen Aufgaben gehören die Erstellung von Berechnungsdomänen, die Auswahl von Randbedingungen, die Durchführung von Parameterstudien, die Analyse von Geschwindigkeits- und Sedimentfeldern sowie der Vergleich der Simulationsergebnisse mit Labor- oder Feldbeobachtungen. Ausgewähltes Beispiel: ERASE
3. Partikelaufgelöste Simulationen: Diskrete-Elemente-Methode – Immersed-Boundary-Methode (DEM-IBM)
DEM-IBM-Simulationen erfassen die Bewegung und Wechselwirkung einzelner Partikel und berechnen gleichzeitig die umgebende Strömung. Die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) beschreibt die Kontakte zwischen den Partikeln, während die Immersed-Boundary-Methode (IBM) die Partikelbewegung mit der Strömung koppelt. Dadurch eignet sich dieser Ansatz besonders gut zur Untersuchung von Mechanismen, die experimentell nur schwer isoliert werden können.
Partikelaufgelöste Simulationen ermöglichen es, zu untersuchen, wie Kohäsion, Aggregation und hydrodynamische Wechselwirkungen das Absetzen feiner Sedimente beeinflussen. Diese Simulationen ergänzen Laborbeobachtungen, indem sie Einblicke in Partikelbahnen, Kontaktnetzwerke und Strömungsfelder gewähren.
Fine-cohesive-porous sediment settling
Anhand einfacher Scher- und Transportkonfigurationen wird untersucht, wie Suspensionen in viskosen und trägen Bereichen reagieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Verknüpfung mikroskopischer Wechselwirkungen mit makroskopischen Größen wie Scherspannung, Normalspannung, effektiver Reibung und Sedimentmobilität.
Suspension rheology and sediment transport
Zu den typischen Aufgaben gehören die Vorbereitung von Simulationsfällen, die Änderung von Partikel- oder Fluidparametern, die Ermittlung rheologischer Größen, die Visualisierung von Partikel-Fluid-Wechselwirkungen sowie der Vergleich partikelaufgelöster Ergebnisse mit Kontinuumsmodellen oder Experimenten.
Ausgewählte Beispiele: Pro-Mud
Wir heißen alle Studierenden herzlichst willkommen, uns bezüglich einer Bachelor-, Studien- oder Masterarbeit zu kontaktieren. Dazu können Sie sich über Projekte einen Eindruck über unsere Arbeit verschaffen und bei Interesse einen der Mitarbeiter direkt über Team kontaktieren. Sofern Sie einen eigenen Themenvorschlag haben, können Sie sich auch an Prof. Dr.-Ing. Vowinckel wenden.