Simulation strukturabhängiger geo-biologischer Prozesse in porösen Medien mittels zellulärer Automaten

Die Bewegung von Flüssigkeiten durch ein poröses Medium kann nur schwer durch Berechnen der Navier-Stokes Gleichungen gelöst werden. Zelluläre Automaten bieten einen geeigneten Weg, um nicht nur die Strömung in solchen komplexen geometrischen Strukturen zu simulieren, sondern auch biochemische Reaktionen der transportierten Substanzen und sogar die Änderung der Geometrie aufgrund von Ausfällung zu modellieren. In der Dissertation werden einige bekannte Zelluläre Automaten diskutiert und modifiziert. Eine Version eines 2D-Lattice-Boltzmann Automaten wird auf Sedimente aus dem Norddeutschen Wattenmeer angewandt. Die poröse Geometrie wird aus Rasterelektronenaufnahmen ermittelt. Durch oszillierenden Tiedendruck und Strömungen muß das interstitielle Wasser durch das Sediment fließen. Die resultierenden Strömungsmuster in Raum und Zeit sind sehr komplex und weisen große Ähnlichkeit mit realen Mustern auf. Sie zeigen vorwiegende Fließpfade. Als Beispiel wird simuliert, wie diese Strömungsmuster im Modell die Verteilung von Sauerstoff, DOC und anderen transportierten Substanzen festlegen. Sauerstoff wird nahe der Sedimentoberfläche produziert (durch photosynthetische Algen) und in tieferen Schichten verbraucht (Oxidation von DOC). Die biologischen Implikationen werden diskutiert. Die bestimmende Rolle der Porenraumgeometrie in Bezug auf die Verteilung der transportierten Substanzen kann bewiesen werden. In einem anderen Beispiel wird Kalzifikation modelliert. Durch Ausfällung von Kalziumkarbonaten können sich Porenzwischenräume verkleinern oder sich sogar schließen. Zu diesem Zweck wurde der Automat um teildurchlässige Zellen erweitert. Zur Berechnung und Darstellung der Modelle wurde das Programm DySTReM (Dynamisches Struktur Reaktions Modell) entwickelt. Es erlaubt eine recht allgemeine Simulation von Advektions-, Diffusions- und Reaktionsprozessen in porösen Medien wie beispielsweise Sedimente aus dem Wattenmeer.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Oldenburg

Year

2000

Author dc:creator

• Haußels, Ralf

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