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Profil - Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung

Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung -

Schwerpunkte und Ziele in Lehre und Forschung

Der Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung (LH²) am Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Universität Stuttgart, wurde am 1.10.2000 im Rahmen der Berufung von Prof. Rainer Helmig gegründet.

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 Verfahrenstechnik angesprochen werden. Die Lehrveranstaltungen behandeln die Grundlagen der Fluidmechanik, 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.

Eine wichtige Einrichtung für die Vorlesungsveranstaltungen des Lehrstuhls 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. Auf den genannten Lehrveranstaltungen in den Erstausbildungen baut ein interdisziplinäres internationales Weiterbildungsprogramm auf. Der Lehrstuhl LH² partizipiert an verschiedenen Doktorandenprogrammen. Neben dem International Graduate Program Environment Water (ENWAT), das seit 2001 läuft, sind das die Graduiertenschulen des Exzellenz-Clusters Simulation Technology und des Internationalen Graduiertenkollegs NUPUS (Non-Linearities and Upscaling in Porous Media). Auch internationale Weiterbildungskurse (Blockkurse) werden in diesem Rahmen angeboten, die sich im Wesentlichen mit der Modellierung von Mehrphasenströmungen in porösen Medien befassen, und die von Spitzenforschern aus dem In- und Ausland ergänzt werden. Der Lehrstuhl verfügt über ein leistungsfähiges Rechnernetz und nutzt auch die parallelen Rechenkapazitäten des Höchstleistungsrechenzentrums der Universität.

In der Forschung deckt der Lehrstuhl ein weites Feld im Bereich von Strömungen in porösen Medien ab. Intensive Grundlagenforschung steht 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 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. 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. Dazu wird am Lehrstuhl die Open-Source Simulationsumgebung Dumux (www.dumux.org) auf der Basis der Numerik-Plattform DUNE (www.dune-project.org) entwickelt. Dumux stellt sozusagen das Forschungslabor des Lehrstuhls dar und dient Doktoranden genauso wie Master- oder Bachelorarbeitern als leistungsfähige Basis für ihre Implementierungen oder Anwendungssimulationen.

Es werden eine Reihe von Forschungsprojekten bearbeitet, die von verschiedenen Forschungsförderern finanziert werden. Darunter sind die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - zuletzt unter anderem im Rahmen des Internationalen Graduiertenkollegs NUPUS und des Exzellenzclusters SimulationTechnology, 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 Fl"ussigkeiten 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 und Modellkopplung.

Anwendungsgebiete dieser Forschungsthemen 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 oder auch der Transport von Therapeutika in vaskulären Gefäßen und Geweben im menschlichen Körper. Aus der 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.