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Profil - Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung

Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung

Schwerpunkte und Ziele in Lehre und Forschung

GESCHICHTE

Rainer Helmig wurde zum 1.10.2000 von der TU Braunschweig an die Universität Stuttgart auf den neu gegründeten Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung berufen. Dies erfolgte im Rahmen einer vorgezogenen Nachfolge für Prof. Helmut Kobus, Lehrstuhlinhaber für Hydraulik und Grundwasser, am Institut für Wasserbau. Mittlerweile wurde das Institut im Zuge von Berufungen an den anderen Lehrstühlen und Abteilungen mehrfach umstrukturiert und, der geänderten Gesamtausrichtung geschuldet, in Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung umbenannt.

 

Der Lehrstuhl war bzw. ist federführend am Internationalen Graduiertenkolleg NUPUS (Non-Linearities and Upscaling in Porous Media) in den Jahren 2007 bis 2016 sowie seit 2018 am Sonderforschungsbereich 1313; des Weiteren ist LH2 seit 2007 maßgeblich beteiligt am Exzellenz-Cluster SimTech.

Dies ermöglicht dem Lehrstuhl durch eine stark ausgebaute internationale Kooperation mit einer Vielzahl an wissenschaftlichen Institutionen und Wissenschaftlern eine sehr hohe Sichtbarkeit, die sich z.B. in einer großen Anzahl von Publikationen, Einladungen zu Konferenzen und Tagungen oder auch Auszeichnungen niederschlägt; so hat beispielsweise die US-amerikanische National Groundwater Association (NGWA) Rainer Helmig zum Vortragenden der "Henry Darcy Lecture Series in Groundwater Science" für das Jahr 2015 bestimmt. Durch NUPUS und SFB1313 wurden bzw. werden auch zusätzliche Verwaltungstätigkeiten, Managementaufgaben und Finanzverantwortung am Lehrstuhl wahrgenommen.

Ein großes Ereignis für den Lehrstuhl war unter anderem auch die Ausrichtung und verantwortliche Organisation der XX. Internationalen Konferenz "Computational Methods in Water Resources" mit knapp 400 Teilnehmern auf dem Campus der Universität Stuttgart im Jahr 2014.

FORSCHUNG

Der Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung (LH2) hat seinen Schwerpunkt auf der Modellierung über die Jahre beibehalten, wobei sich die Anwendungsgebiete inzwischen auch über die klassischen Hydrosysteme hinaus erstrecken. Im Wesentlichen findet Forschung am Lehrstuhl in einem weiten Feld im Bereich von Strömungen in porösen Medien statt. Durch intensive Forschung im Bereich "poröse Medien" hat sich die Uni Stuttgart in den letzten Jahren zu einem der der wesentlichen Kompetenzzentren auf diesem Gebiet entwickelt.

Am LH2 steht Grundlagenforschung in einem ausgewogenen Verhältnis zu angewandter Forschung, jeweils in einem stark interdisziplinären internationalen Umfeld. Ziel ist es dabei, die enge Verzahnung zwischen Forschung, Lehre,Weiterbildung sowie den Technologietransfer in die Ingenieurpraxis zu gewährleisten. Die klassischen Forschungsmethoden, die theoretische und die experimentelle Forschung, wurden in den letzten Jahrzehnten durch ein neues Standbein erweitert, die numerische Simulation gekoppelter komplexer physikalischer Prozesse auf rasant leistungsstärker werdender Hardware, abgestimmt mit stetig weiterentwickelten Softwarekonzepten. Dies hat der Forschung in vielen Bereichen zu einer ganz neuen Qualität verholfen und vielversprechende neue Möglichkeiten eröffnet. LH2 fühlt sich der Hydrosystemmodellierung und Hydroinformatik eng verbunden und erhält die notwendige experimentelle Unterstützung z.B. aus der Versuchseinrichtung für Grundwasser- und Altlastensanierung (VEGAS) am Institut sowie aus Kooperationen mit nationalen und internationalen Partnern, aktuell vor allem im Rahmen des Stuttgart Research Partnership NUPUS und des SFB1313. Aus diesem breiten Spektrum von Forschungstätigkeiten ergeben sich für den wissenschaftlichen Nachwuchs eine Vielzahl von anspruchsvollen und herausfordernden Aufgaben.

Die Forschungsthemen umfassen die Methodenentwicklung zur Kopplung von Hydrosystemkompartimenten und von komplexen Strömungs- und Transportprozessen sowie den Brückenschlag zwischen Daten und Hydrosystemmodellen. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Entwicklung und ingenieurpraktischen Anwendung von Simulationsmethoden und -techniken zur Beschreibung von Einphasen- und Mehrphasen-Mehrkomponenten-Strömungs- und Transportprozessen im Untergrund bzw. in porösen und geklüftet-porösen Medien.

Es werden eine Reihe von Forschungsprojekten bearbeitet, die von verschiedenen Forschungsförderern finanziert werden. Darunter sind die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - insbesondere derzeit im SFB 1313 -, des Weiteren das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die EU, die Landesstiftung Baden-Württemberg und die Industrie. In den Projekten werden Einphasenströmungen von Wasser oder Luft, Zweiphasenströmungen von Wasser und Gas oder Schadstoffen (NAPL) sowie isotherme und nicht-isotherme Dreiphasenströmungen von Wasser, Gas und organischen Flüssigkeiten behandelt, wobei Mehrkomponententransportprozesse und Phasenübergänge von Komponenten besondere Beachtung finden. Aktuelle Forschungsthemen befassen sich mit der Entwicklung spezieller Methoden und Diskretisierungsverfahren für Mehrphasenströmungen, Upscaling/Downscaling bzw. Multi-Skalen-Betrachtung, Parameteridentifikation, Kluft-Matrix-Systeme, Kopplung von Modellen für unterschiedliche Strömungskompartimente (freie Strömung/poröse Medien) oder Datenassimilation. Auch die Kopplung von Strömungen mit chemischen oder biochemischen Prozessen wird intensiv betrieben.

Anwendungsgebiete dieser Forschungsthemen am Lehrstuhl waren bzw. sind z.B. die Schadstoffausbreitung im Untergrund, thermisch unterstützte Sanierungstechnologien, Speicherung von CO2 in tiefen geologischen Formationen, Endlagerproblematik, Methanmigration aus stillgelegten Bergwerken, Gas-Wasser-Management in Brennstoffzellen, Filter, Austrocknung und Versalzung von Böden, Gasspeicherung im Untergrund oder auch Strömungen und Transport in vaskulären Gefäßen und Geweben im menschlichen Körper. Aus der riesigen Bandbreite der aufgeführten Themen wird deutlich, dass sich die entsprechenden Fragestellungen nur interdisziplinär und im Team lösen lassen. Dies spiegelt sich neben den vielfältigen Kooperationen nicht zuletzt auch in der Tatsache wider, dass neben Bauingenieuren und Umweltschutztechnikern auch Mathematiker, Physiker, Informatiker und Werkstoffwissenschaftler am Lehrstuhl zusammenarbeiten.

LEHRE UND WEITERBILDUNG

Eines der wichtigsten Ziele des Lehrstuhls ist eine umfassende, qualitativ hochwertige und interdisziplinäre Ausbildung vorwiegend für Studierende der Umweltschutztechnik, des Bauingenieurwesens und von Simulation Technology sowie der internationalen Master-Studiengänge WAREM (Water Resources Engineering and Management) und COMMAS (Computational Mechanics of Materials and Structures). Darüber hinaus sollen auch Studierende anderer Disziplinen, wie z.B. der Mathematik, Informatik, oder der Verfahrenstechnik angesprochen werden. Die Lehrveranstaltungen behandeln die Grundlagen der Fluidmechanik in den Veranstaltungen Fluidmechanik I und II, die Modellierung von Hydrosystemen, die Beschreibung von Austausch- und Transportprozessen in Strömungen sowie weiterführende Veranstaltungen zur Theorie und Numerik zu Strömungen und Transport in porösen Medien. Neben den Vorlesungsveranstaltungen, die in deutscher und zum großen Teil auch in englischer Sprache gehalten werden, gibt es verschiedene Seminare in Zusammenarbeit mit anderen Fakultäten, z.B. im Rahmen des SRC SimTech. Insbesondere in den Veranstaltungen auf Master-Niveau, aber auch in Abschlussarbeiten für Bachelor- und Master-Studierende, wird eine enge Verzahnung von aktueller Forschung mit der Lehre angestrebt, mit dem Ziel, den Absolventen eine besonders hohe Kompetenz auf dem Gebiet der Modellierung von Strömungen in porösen Medien zu vermitteln, die es in dieser Form nur an wenigen Ausbildungsstätten weltweit gibt.

Der Lehrstuhl ist in verschiedene Doktorandenprogramme eingebunden. Neben dem "International Graduate Program Environment Water" (ENWAT), das seit 2001 läuft, sind das die DFG-Graduiertenschulen des Exzellenz-Clusters Simulation Technology, des Internationalen Graduiertenkollegs NUPUS (2007-2016), des Internationalen Graduiertenkollegs DropIT (seit 2016) und des SFB 1313 (seit 2018).

INFRASTRUKTUR und DUMUX

Eine wichtige infrastrukturelle Einrichtung für Veranstaltungen von Lehrstuhl, Institut oder SFB 1313 ist das modern ausgestattete MultiMedia Lab (MML), das von der Universität Stuttgart im Jahr 2001 mit entsprechender Medientechnik und Zubehör eingerichtet wurde und in der Zwischenzeit aus Haushaltsmitteln des Lehrstuhls sowie aus Mitteln aus Studiengebühren bzw. Qualitätssicherungsmitteln mit neuer Technik versorgt wird. Mehrere Lehrveranstaltungen in den Bachelor-, vor allem aber in den Masterstudiengängen sowie darüber hinaus auch Weiterbildungsveranstaltungen, nutzen das MultiMediaLab, um in erster Linie Rechnerübungen effizient in die Vorlesungen einzubauen.

Neben dem MultiMediaLab verfügt der Lehrstuhl über ein leistungsfähiges Rechnernetz und nutzt auch die parallelen Rechenkapazitäten des Höchstleistungsrechenzentrums der Universität.

Am Lehrstuhl wird die Open-Source Simulationsumgebung Dumux (www.dumux.org) auf der Basis der Numerik-Plattform DUNE (www.dune-project.org) entwickelt. Dumux ist im übertragenen Sinne das wesentliche Forschungslabor des Lehrstuhls. Die Software und Programmierumgebung dient Doktoranden genauso wie Master- oder Bachelorarbeiter als leistungsfähige Basis für ihre Implementierungen oder Anwendungssimulationen. Die Entwicklung und Wartung von Dumux, die Bereitstellung für externe Benutzer oder auch die Unterstützung von Benutzern erfordert sehr viel Zeit und Arbeit, was nur durch viel Teamarbeit unter kompetenter Führung gewährleistet werden kann.