Forschung

ModeFoam zielt darauf ab, ein multiskaliges und multiphysikalisches Rahmenwerk zu entwickeln, um die gekoppelte Entwicklung von Brüchen und lokalisierter Verformung in porösen Gesteinen zu verstehen. Diese miteinander wechselwirkenden Versagensmechanismen beeinflussen maßgeblich die Entwicklung der Permeabilität, die Fluidströmung sowie das Potenzial für injektionsinduzierte Seismizität, sind jedoch mit konventionellen Modellen nach wie vor nur schwer vorherzusagen. Das Projekt wird ein fortgeschrittenes hypoplastisches Konstitutivmodell entwickeln, das durch multiskalige interne Variablen erweitert wird, welche die Gefügeentwicklung, Kornzertrümmerung sowie thermo-hydro-mechanisch-chemische Kopplungen beschreiben. Maschinelles Lernen wird eingesetzt, um relevante interne Variablen aus hybriden experimentellen und modellbasierten Datenbanken zu identifizieren. Das entwickelte Konstitutivmodell wird in eine multiskalige numerische Modellierungsarchitektur integriert, um die Initiierung, Wechselwirkung und gekoppelte Entwicklung von Kompaktionsbändern und Brüchen zu erfassen. Die Ergebnisse werden ein prädiktives Werkzeug zur Bewertung von Störungsinstabilitäten und seismischen Risiken in fluidinjizierten porösen geologischen Medien bereitstellen.

Übergeordneter Forschungskontext / theoretischer Rahmen Die Druckluftspeicherung in aufgegebenen Bergwerken, also Abandoned Mine Compressed Air Energy Storage (AM CAES), bietet eine großskalige und flexible Speicherlösung, um schwankende erneuerbare Energien und den Energiebedarf auszugleichen. Die langfristige Stabilität von Kavernen unter zyklischer Gasinjektion und Gasentnahme in komplexen In-situ-Spannungsfeldern ist jedoch noch nicht ausreichend verstanden. Dieses Projekt verwendet einen multifeldbasierten kontinuumsmechanischen Schädigungsansatz, der Felsmechanik, Gasthermodynamik und nichtlokale Schädigungsmodellierung kombiniert, um die Dauerhaftigkeit und Sicherheit von AM-CAES-Kavernen zu bewerten. Hypothesen / Forschungsfragen / Ziele Wir gehen davon aus, dass die Kavernenstabilität durch die Wechselwirkung zwischen der Gasthermodynamik und der thermomechanischen Reaktion des umgebenden Gesteins sowie durch gekoppelte Kriech-Ermüdungsprozesse bestimmt wird, welche die Schädigungsinitiierung und -lokalisierung steuern. Wir untersuchen, wie Druckdifferenzen, Zyklusfrequenzen sowie Injektions- und Entnahmeraten die zeitabhängige Verformung und Schädigung beeinflussen und wie diese Effekte in prädiktiven Modellen für Planung und Betrieb erfasst werden können. Die Ziele bestehen darin, gezielte experimentelle Daten zu gewinnen, ein multifeldbasiertes konstitutives Modell mit Kriech-Ermüdung und nichtlokaler Schädigung zu entwickeln sowie eine 3D-Plattform zur Bewertung und Optimierung der langfristigen Kavernenstabilität aufzubauen. Ansatz / Methoden Ein spezielles felsmechanisches Versuchsprogramm wird eine selbstentwickelte Versuchsanlage verwenden, um für AM CAES relevante Gasdruckzyklen sowie Injektions- und Entnahmeraten aufzubringen und dabei die thermomechanische Reaktion, das Kriechverhalten und die Schädigung zu quantifizieren. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für ein multifeldbasiertes konstitutives Modell, das das Gasverhalten mit den Gesteinseigenschaften verknüpft und durch ein Kriech-Ermüdungsgesetz sowie eine nichtlokale 3D-Schädigungsbeschreibung erweitert wird. Eine eigenständige numerische 3D-Plattform wird zeitabhängige Verformungen und fortschreitende Schädigungen für realistische Kavernengeometrien und Betriebsschemata simulieren und als Grundlage für Parameterstudien sowie Entwurfsempfehlungen dienen. Grad der Originalität / Innovation Das Projekt wird erstmals eine systematische experimentelle Charakterisierung des umgebenden Gesteins unter realistischen AM-CAES-Belastungspfaden liefern. Es wird ein neues multifeldbasiertes theoretisches Modell einführen, das Gasthermodynamik, thermomechanische Gesteinsreaktion, Kriech-Ermüdung und nichtlokale Schädigung explizit in einem einheitlichen Rahmen koppelt. Darüber hinaus wird das Projekt die erste numerische Plattform speziell für AM CAES bereitstellen, mit der langfristige Verformungen und kumulative Schädigungen simuliert sowie Leistungsfähigkeit, Risiken und Entwurfsaspekte bewertet werden können. Beteiligte Hauptforschende Dr. Guanglei Zhou wird mit Priv.-Doz. Dr. Yunteng Wang zusammenarbeiten und mit Univ. Prof. Dr.-Ing. Wei Wu kooperieren, um die Forschungsaufgaben dieses ambitionierten Forschungsprojekts erfolgreich umzusetzen.

Im Mittelpunkt dieses Projekts stehen die Entwicklung und Anwendung fortschrittlicher numerischer Methoden zur Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Verdichtungsbändern in Geomaterialien. Konkret wird die hypoplastische Konstitutionsmodellierung mit einem Phasenfeldansatz gekoppelt, um einen robusten und thermodynamisch konsistenten Rahmen für die Simulation von Dehnungslokalisierungsphänomenen zu schaffen. Verdichtungszonen, bei denen es sich um lokal begrenzte Bereiche intensiver volumetrischer Verformung handelt, spielen eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung des mechanischen Verhaltens und der Durchlässigkeit poröser Materialien wie Gestein und Boden. Herkömmliche numerische Methoden haben aufgrund ihrer Gitterabhängigkeit und der Schwierigkeiten bei der Verfolgung von Diskontinuitäten oft Schwierigkeiten, deren Entstehung und Ausbreitung zu erfassen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, nutzt die vorgeschlagene Studie eine Phasenfeldformulierung, die Diskontinuitäten regularisiert und die nahtlose Simulation sich entwickelnder Lokalisierungsmuster ermöglicht.