Haußels, Ralf (2001) Simulation strukturabhängiger geo-biologischer Prozesse in porösen Medien mittels zellulärer Automaten. PhD, Universität Oldenburg.

Preview

Volltext (6Mb)

Abstract

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.

["eprint_fieldname_abstract_plus" not defined]

The flow of fluids through a porous medium can hardly be calculated by solving Navier-Stokes equations. Cellular automata offer a convenient way not only to simulate the currents in such complex geometrical situations, but also to model biogeochemical reactions of the transported substances and even the change of geometry due to precipitation. In the dissertation, some known cellular automata are discussed and modified. A version of a 2D-Lattice-Boltzmann automaton is applied to Wadden Sea sediments. The porous geometry is taken from microphotographs. The interstitial water is forced to flow through the sediment by oscillating tidal pressure and currents. The resulting flow patterns in space and time are very complex and have great similarities to realistic patterns. They show predominant flow paths. As an example, it is simulated how these flow patterns determine in a model situation the distribution of oxygen, DOC, and other transported substances. Oxygen is produced near the sediment surface (by photosynthetic algae) and consumed in deeper layers (oxidation of DOC). The biological implications of the observed patterns are discussed. The dominant role of pore geometry for the distribution of oxygen and other substances could be proven. In another example calcification is modelled. By precipitation of calciumcarbonate some pores can narrow and even become closed. For this purpose, the automaton was extended to enable semipermeability of cells. A software tool DySTReM (Dynamical Structure Reaction Model) was developed. It allows quite general simulations of advection, diffusion, and reaction processes in porous media like sandy Wadden Sea sediments.

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	[Keine Schlagwörter von Autor/in vergeben.]
Controlled Keywords:	poröseses Medium, Sediment
Subjects:	Science and mathematics > Mathematics
Divisions:	Faculty of Mathematics and Science > Institute for Mathematics (IfM)
Date Deposited:	17 Jan 2013 14:17
Last Modified:	17 Jan 2013 14:17
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/319
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-3497
DOI:
Nutzungslizenz:

Actions (login required)

View Item