Implementierung und Evaluation numerischer Verfahren für den Stofftransport in Gewässergütemodellen

Thema: Modellbildung und Simulation

KURZBESCHREIBUNG:

Die Bundesanstalt für Gewässerkunde in Koblenz entwickelt betreibt das deterministische Gewässergütemodell QSim. Dieses Modell hat zwei Teile. Im Stoffumsetzungsteil werden die bio-chemischen Umwandlungen (z.B. Photosynthese der Algen erzeugt Sauerstoff) der als Konzentrationen modellierten Gewässergütevariablen (z.B. Sauerstoffgehalt, Algendichte) berechnet. Im Stofftransportteil wird der Verdriftung dieser Konzentrationen in der fließenden Welle Rechnung getragen.

Es existieren zwei Programme QSim1D und QSim3D; der Stoffumsetzungsteil ist in beiden derselbe, sie unterscheiden sich im Stofftransportteil. QSim1D nutzt eindimensionale hydraulische Berechnungen, die den Fluss als Linie abbilden, als Grundlage zur Simulation des Stofftransports, QSim3D nutzt mehrdimensionale Strömungsfelder als Antrieb des Stofftransports. Als numerische Methoden zur Berechnung der des Stofftransports (eigentlich nur der Advektion) werden in QSim explizite Finite-Volumen-Verfahren und Semi-Lagrange Strombahn-Rückverfolgungs-Methoden eingesetzt. Erstere sind streng massenerhaltend aber im Zeitschritt begrenzt, letztere erlauben große Zeitschritte, sind aber nicht massenerhaltend.

Basierend auf einer Literaturrecherche sollen neue Verfahren in QSim1D implementiert und erprobt werden. QSim ist in Fortran codiert. C und C++ Module können eingebunden werden.

Die Arbeit lässt sich am einfachsten an der BfG in Koblenz ausgeführen, wo Hard- und Software bereitsteht und eine Einführung in den existierenden Code, das ihn umgebende Pre- und Postprocessing und den hydraulischem Treiber erfolgen kann. Zum Aufbau relevanter Testfälle kann auf existierende Daten-Modelle zurückgegriffen werden.

PROJEKTPHASEN:

Masterprojekt 1: Definition und Dokumentation von einfachen Testbeispielen

Masterprojekt 2: Auswahl und Erprobung numerischer Methoden

Masterthesis: Einbau der Methoden in QSIM und Dokumentation

Anzahl Plätze: 1