An introduction into the theory of heat transfer and Finite Element Modeling is presented. Then simulations for cylindrical configurations with the software Feflow where run to simulate heat transfer in soil. Reality was stepwise approximated by pure conduction, free conduction in saturated soil and finally free convection in unsaturated soil. Mualem and Van Genuchten empiric models where used.
Results from Feflow where compared with older data from COMSOL simulations. Results where similar for conduction and for convection where the Brinkmann-equation provided for strong retardation of fluid flow within the solid matrix.
An experiment under construction was also simulated. As soon as it delivers measurements observation points
should be added to the model to adapt model parameters to fit the measurements.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Zielsetzung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Numerische Modellierung und Simulation
2.2 Theorie des Wärmetransports
2.2.1 Konduktion
2.2.2 Konvektion
2.2.3 Dispersion
2.3 Linienquellentheorie
2.4 Wärmeübertragung im Boden als poröses Mischungsmedium
2.4.1 Wärmeleitfähigkeitsmessungen an Lockergesteinen und Böden
2.4.2 Wasserverteilung und -bewegung in teilgesättigten Böden
2.4.3 Van Genuchten-Modell der Wasser-Rückhalte-Kurve
2.4.4 Hydraulische Durchlässigkeit aus der Wasser-Rückhalte-Kurve nach Mualem
2.4.5 Richards-Gleichung für ungesättigte poröse Medien
2.5 Analytische Berechnung der Wärmeleitfähigkeit an Zylindern
2.6 Vergleich zwischen Erdkabel und Freileitung
3. Methoden
3.1 Feflow-Eigenschaften
3.2 Numerische Simulation konduktiven Wärmetransports
3.3 Numerische Simulation freier Konvektion im gesättigten Boden
3.4 Numerische Simulation freier Konvektion im ungesättigten Boden
3.5 Analytische Berechnung effektiver Wärmeleitfähigkeiten
4 Ergebnisse und deren Interpretation
4.1 Feflow-Eigenschaften
4.2 Simulationsergebnisse für konduktiven Wärmetransports
4.2.1 Konduktiver Wärmetransport in H1K-Konfigurationen
4.2.2 Konduktiver Wärmetransport in TxK-Konfigurationen
4.3 Simulationsergebnisse für freie Konvektion im gesättigten Boden
4.3.1 Ergebnisse freier Konvektion im gesättigten Boden der H1Gxxx-Konfigurationen
4.3.2 Ergebnisse freier Konvektion im gesättigten Boden der TOG-Konfiguration
4.4 Simulationsergebnisse für freie Konvektion im ungesättigten Boden
4.4.1 Ergebnisse freier Konvektion im ungesättigten Boden von H3U-Konfigurationen
4.4.2 Ergebnisse freier Konvektion im ungesättigten Boden von TOU-Konfigurationen
4.5 Ergebnisse der Berechnungen der effektiven Wärmeleitfähigkeit
4.5.1 Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit für H-Konfigurationen
4.5.2 Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit für T-Konfigurationen
5 Zusammenfassung und Ausblick
Anhänge
A2. Feflow-Outputs
A2.1 Feflow-Output für H-Konfigurationen
A2.2 Feflow-Output für T-Konfigurationen
A3. GNUplot-Programme
A4. C- und C++ Programme für konzentrische Geometrien
A4.1 C-Programme
A4.2 C++-Programme
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die FE-Modellierung thermischer und hydraulischer Vorgänge im Nahbereich von erdverlegten Stromkabeln mittels der Software Feflow, um die Wärmeübertragung in porösen Medien unter verschiedenen Sättigungsbedingungen und Konfigurationen besser abzubilden.
- Thermische Modellierung und Wärmeübertragungsprozesse im Boden.
- Einfluss von Konduktion, Konvektion und Dispersion in gesättigten und ungesättigten Böden.
- Vergleich zwischen Feflow-Modellergebnissen und COMSOL-Referenzdaten.
- Entwicklung und Validierung numerischer Simulationsmethoden für erdverlegte Hochspannungskabel.
Auszug aus dem Buch
2.4 Wärmeübertragung im Boden als poröses Mischungsmedium
Bei Böden handelt es sich um poröse Medien, welche aus einem Gemisch aus mineralischen Körnern verschiedener Größen und Formen bestehen. Dieses Gemisch kann zudem organische, schlecht leitende Anteile enthalten. In Hohlräumen, den sogenannten Poren, befinden sich je nach hydrogeologischer Ausgangssituation Wasser und Luft in wechselnden Anteilen. Im Boden wirken die in Abb. 1 dargestellten vier Mechanismen der Wärmeübertragung:
An der Wärmeübertragung sind Feststoffkörner, an den Menisken haftendes flüssiges Wasser sowie fließende Fluide in Form von Wasser und wasserdampfgesättigter Luft beteiligt. Die effektive Wärmeleitfähigkeit hängt weiterhin von der Temperatur und dem Druck ab.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung und Zielsetzung: Einführung in die Thematik der numerischen Simulation von Wärmetransport bei erdverlegten Kabeln und Zieldefinition der Arbeit.
2 Theoretische Grundlagen: Erläuterung der physikalischen Gesetze für Wärme- und Fluidtransport in porösen Medien sowie der verwendeten numerischen Ansätze.
3. Methoden: Beschreibung der konkreten Vorgehensweise bei der FE-Modellierung der untersuchten H- und T-Konfigurationen in Feflow.
4 Ergebnisse und deren Interpretation: Darstellung der Simulationsergebnisse bezüglich der Wärmeleitfähigkeit unter konduktiven und konvektiven Bedingungen.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Fazit der Modellierungsergebnisse und Ausblick auf zukünftige reale Messungen und Parameteranpassungen.
Schlüsselwörter
Wärmeübertragung, Finite Elemente Modellierung, Feflow, Erdkabel, Konduktion, Konvektion, poröse Medien, Van Genuchten-Modell, Richards-Gleichung, Bodensättigung, Wärmeleitfähigkeit, numerische Simulation, Fluiddynamik, Geothermie, Erdverlegung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation der thermischen und hydraulischen Prozesse, die in der Umgebung von erdverlegten Stromkabeln in porösen Bodenmedien stattfinden.
Welche sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Wärmeübertragung (Konduktion und Konvektion), der Modellierung von porösen Medien, der numerischen Simulation mit Feflow und dem Vergleich dieser Modelle mit älteren Daten.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist die detaillierte Abbildung der thermischen Verhältnisse im Nahbereich eines erdverlegten Kabels, um ein besseres Verständnis des Wärmetransports in Abhängigkeit vom Bodenzustand zu gewinnen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es kommt die Methode der Finiten Elemente (FE-Modellierung) mit der Software Feflow zum Einsatz, ergänzt durch analytische Berechnungen und Software-Skripte in GNUplot und C/C++.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen, die methodische Umsetzung der Simulationsszenarien sowie die detaillierte Auswertung und Interpretation der erzielten Ergebnisse.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Schlüsselbegriffe sind Wärmeübertragung, Feflow, Konvektion, Konduktion, Richards-Gleichung, poröse Medien und die Modellierung von Erdkabeln.
Wie unterscheidet sich die Konvektion in gesättigten von ungesättigten Böden?
Während in gesättigten Böden die Wasserbewegung durch das gesamte Porenvolumen dominiert, ist der Transport in ungesättigten Böden stark von der kapillaren Wasserbindung und der reduzierten hydraulischen Leitfähigkeit abhängig.
Warum spielt die Software Feflow eine zentrale Rolle?
Feflow ermöglicht die Modellierung komplexer geohydraulischer und thermischer Probleme, was für die Untersuchung von Wärmetransportprozessen in der Umgebung von Kabeltrassen essentiell ist.
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing., MSc, Rainer Stickdorn (Autor:in), 2016, FE-Modellierung thermischer und hydraulischer Vorgänge im Nahbereich eines erdverlegten Stromkabels, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/433461
