Kurs:Räumliche Modellbildung/Fluiddynamik Gruppe Nr2
Titel
[Bearbeiten]Das vorliegende Projekt bearbeitet die "Simulation einer Ölverschmutzung des Rheins".
Gruppenteilnehmer
[Bearbeiten]- Jana Dahler
- Caroline Kieffer
- Theresa Krausewitz
Thema und Fragestellung
[Bearbeiten]In diesem Projekt soll der Unfall eines Tankschiffes auf dem Rhein, aus welchem daraufhin Öl austritt, simuliert werden. Dazu wird das Schiff "Chimo" auf einem Teilstück des Rheins nahe Germersheim inklusive dort befindlichem Auffangbecken modelliert. Es wird davon ausgegangen, dass das Schiff ein 1m großes Leck aufweist, aus welchem das Öl in den Rhein austritt. Durch die Simulation soll beobachtet werden, wie sich das Öl im Wasser ausbreitet, während das Schiff sich weiterhin fortbewegt. Zusätzlich soll das Schiff zu Beginn an drei verschiedenen Positionen auf dem Rheinabschnitt starten, so dass festgestellt werden kann, ob verschiedene Strömung eine Auswirkung auf das Ausmaß des Ölausflusses und der Ölverteilung haben.
Hinweis zur Simulation: Die Situation wird im zweidimensionalen Raum simuliert. Zum Einen um die Modellierung auf Comsol besser realisieren zu können und zum Anderen auf Grund der Tatsache, dass Öl eine geringere Dichte hat als Wasser und somit auf der Wasseroberfläche schwimmt, so dass eine zweidimensionale Modellierung ausreichend ist um die Situation gut abbilden zu können.
Weiterführung des Projekts: Aufbauend auf diesem Projekt könnten Maßnahmen betrachtet werden, um die Umweltverschmutzung durch das auslaufende Öl einzudämmen. Dabei könnten aus den Möglichkeiten passende für das simulierte Szenario ausgewählt werden. Durch die vorhergesagte Strömung des Öls könnten also Möglichkeiten herausgearbeitet werden, um die Verschmutzung bestmöglich einzudämmen. Das übersteigt jedoch den Rahmen unseres Projekts und wird deshalb nicht weiter betrachtet.
Nachhaltigkeitsziele
[Bearbeiten]Bei der Auswahl des Projektthemas wurden die folgenden Nachhaltigkeitsziele der UN betrachtet:
Ziel 6: Sauberes Wasser und Sanitäreinrichtungen
[Bearbeiten]- Unterziel 6.3: Verbesserung von Wasserqualität, Wiederaufbereitung und sicherer Wiederverwendung
Bis 2023 die Wasserqualität durch die Verringerung der Verschmutzung, Beendigung des Einbringens und Minimierung der Freisetzung gefährlicher Chemikalien und Stoffe, Halbierung des Anteils unbehandelten Abwassers und eine beträchtliche Steigerung der Wiederaufarbeitung und gefahrlosen Wiederverwendung weltweit verbessern.
Ziel 14: Leben unter Wasser
[Bearbeiten]- Unterziel 14.1: Verringerung der Meeresbeschmutzung
Bis 2025 alle Arten der Meeresverschmutzung insbesondere durch vom Lande ausgehende Tätigkeit und namentlich Meeresmüll und Nährstoffbelastung, verhüten und erheblich verringern.
Bei diesem Ziel wird zwar die Verschmutzung der Meere genannt, jedoch lässt sich das auch auf Binnengewässer, wie den Rhein, übertragen, welche in die Weltmeere münden. Dies wird zusätzlich dadurch gestützt, dass es bei Ziel 14 auch um den Schutz der Tierwelt im Wasser geht und diese im Rhein genauso geschützt werden muss.
- Unterziel 14.A: Erhöhung von Wissenschaftlichen Erkenntnissen, Forschung und Technologie für die Gesundheit der Ozeane
Die wissenschaftlichen Kenntnisse vertiefen, die Forschungskapazitäten ausbauen und Meerestechnologien weitergeben, unter der Berücksichtigung der Kriterien und Leitlinien der Zwischenstaatlichen Ozeanographischen Kommission für die Weitergabe von Meerestechnologie, um die Gesundheit der Ozeane zu verbessern und den Beitrag der kleinen Inselentwicklungsländer und der am wenigsten entwickelten Länder, zu verstärken.
Im Rahmen unseres Projekts werden zwar keine wissenschaftlichen Erkenntnisse generiert oder wissenschaftliche Forschung unter den geforderten Kriterien betrieben, jedoch liefert das Projekt einen stark vereinfachten Blick auf die Auswirkungen einer Umweltverschmutzung. Daraus können Maßnahmen zur schnellen Eindämmung und Reduktion der Wasserverschmutzung allgemein und an dem bestimmten Rheinabschnitt abgeleitet werden.
Die kompletten 17 Ziele inklusive ihrer Unterziele können auf der folgenden Website https://17ziele.de eingesehen werden
Modellierung
[Bearbeiten]Es wird eine zweidimensionale Modellierung des Rheins in der Draufsicht (Vogelperspektive) vorgenommen. Auf dem Rhein fährt ein Schiff flussabwärts, aus welchem an der rechten Seite Öl austritt.
Rhein
[Bearbeiten]In unserer Simulation wird ein Abschnitt des Rheins bei Germersheim modelliert. Der Rheinabschnitt ist im Bild in der Draufsicht zu sehen. Dabei werden die exakten Ränder des Rheins inklusive Becken in die Simulation übertragen.
Daten
[Bearbeiten]Fließgeschwindigkeit des Rheins:
Länge des simulierten Rheinabschnitts: 1.400 m
Breite des simulierten Rheinabschnitts (mit Auffangbecken): ca. 850m
Breite des simulierten Rheinabschnits (ohne Auffangbecken): ca. 250m
Schiff
[Bearbeiten]Als Vorlage zum Schiff dient das Tankschiff Chimo. Das Tankschiff ist tatsächlich auch unter anderem auf dem Rhein unterwegs und auf dem Bild zu sehen.
Daten
[Bearbeiten]Länge des Schiffs: 110 m
Breite des Schiffs: 11,45 m
Ladekapazität: 3149 t
Tankinhalt: 3392
Geschwindigkeit des Schiffs: (5 Knoten)
Weitere Informationen zum Tankschiff Chimo sind auf folgender Website zu finden: https://tankmatch.com/de/ship/chimo
Implementierung des Modells in COMSOL Multiphysics
[Bearbeiten]Zur Implementierung des Modells wurde COMSOL Multiphysics verwendet. Das Modell ist in zwei Raumdimensionen mit einer Fluidströmung (Laminare Strömung) aufgebaut.
Parameter
[Bearbeiten]- Fließgeschwindigkeit des Rheins:
- Breite des Schiffs: 12 m (BreiteS)
- Länge des Schiffs: 98 m (LaengeS)
Funktionen
[Bearbeiten]Die Funktionen dienen zur langsamen Erhöhung der Geschwindigkeit des Rheinflusses bzw. der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Schiffs.
Funktion 1: Fließgeschwindigkeit Rhein
Der Rheinfluss wurde mithilfe einer geglätteten Rampe innerhalb von 3,33s auf die Maximalgeschwindigkeit gebracht. Dies geschieht mit der Funktion Rampe1 (rm1). Eine schnellere Steigerung der Geschwindigkeit führte leider zu einem Abbruch der Berechnungen.
Funktion 2: Fortbewegungsgeschwindigkeit Schiff
Um eine automatische Neuvernetzung zu erzielen wurde versucht, eine Rampe 2 (rm2) einzubauen, welche das Schiff erst zum Zeitpunkt 0,2s losfahren lässt. Auch diese Funktion wurde geglättet. Dies führte leider nicht zum gewünschten Ergebnis einer automatischen Neuvernetzung (dazu mehr unter automatische Neuvernetzung).
Gebiete/Geometrie
[Bearbeiten]Die zu modellierenden Gebiete waren der Rheinabschnitt bei Germersheim und das Tankschiff. Der Rhein wurde maßstabsgetreu und so detailliert wie möglich modelliert. Es wurde dabei auf eine genaue Wiedergabe des Flussabschnitts geachtet. Das Schiff wurde durch die Modellierung leicht vereinfacht. Die Länge des Schiffs von 110m wurde exakt übernommen. Die Breite des Schiffs wurde allerdings auf 12m aufgerundet. Es konnten keine Angaben zu den Rundungen der Kanten oder der genauen Länge der Schiffsspitze gefunden werden.
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Das Schiff wurde an drei verschiedenen Positionen des Rheins modelliert, um zu untersuchen, ob die Form des Rheins und der dort herrschende Druck beziehungsweise die Geschwindigkeit einen Einfluss auf die Diffusion des Öls in das umliegende Wasser haben.
Position 1 zeigt das Schiff zu Beginn des Abschnitts mit seinem Leck zur Mitte des Rheins hin. Position 2 modelliert ein Schiffsunglück in der Nähe eines Auffangbeckens und das Schiff in Position 3 liegt am Ende des Rheinabschnitts.
Rhein
[Bearbeiten]1. Umrisse des Rheins mit Hilfe von Google Maps
Die Modellierung des Gebiets des Rheins wurde mithilfe einer maßstabsgetreuen Aufnahme des Rheins bei Germersheim, aus Google Maps stammend, durchgeführt. Google Maps erlaubt Abstände auf den Karten zu messen, sodass wir den Rhein mit einer Länge von 1,4 km ausgewählt und abfotografiert haben.
2. Markieren markanter Punkte des Umrisses mit Hilfe von GeoGebra
Der Screenshot wurde zugeschnitten, sodass der Anfang und das Ende des Bildes zu der der gewünschte Länge des Rheins (1,4km) passen. Das zugeschnittene Foto wurde in GeoGebra implementiert und auf die Länge 140 in der y-Achse angepasst. Der rechte und der linke Rand des Rheins wurde mit Punkten versehen, sodass Koordinaten entstanden, welche zur Interpolation des Rheins in COMSOL Multiphysics genutzt werden konnten.
Modellierung der Ränder des Rheins in COMSOL Multiphysics
Die in GeoGebra ermittelten Punkte wurden mit 10 multipliziert, um die korrekte Länge des Rheins von 1400m zu erhalten, anstelle der in GeoGebra modellierten 140m. Aus den Punkten wurde je eine Interpolationskurve für den rechten und den linken Rand des Rheins erstellt. Der untere und der obere Rand des Rheins wurde mit einem Liniensegment verschlossen. An diesen Stellen befindet sich später unten der Einfluss und oben der Ausfluss.
Schiff
[Bearbeiten]Das Schiff wurde aus einem Rechteck und zwei Liniensegmenten als Spitze modelliert. Die vorderen Ecken wurden dabei abgerundet. Länge und Breite des Schiffs entsprechen dem echten Tankschiff "Chimo" und wurden über Parameter eingestellt. Das Schiff wurde an drei verschiedenen Positionen im Rhein modelliert, um drei verschiedene Startpunkte zu erhalten.
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Laminare Strömung
[Bearbeiten]- Anfangsbedingungen:
- Anfangsgeschwindigkeit Rheinfluss:
- Anfangsdruck p=0 Pa
- Randbedingungen:
- Wand/Rand des Rheins: no-slip-Bedingung mit (bremsende Kräfte an Rand) Dirichlet-Randbedingung
- Einlass: Dirichlet-Randbedingung mit mit
- Auslass: voll ausgebildete Strömung mit p=0 Pa (0-Spannung-Randbedingung, Art Neumann-Randbedingung)
Bewegliches Netz
[Bearbeiten]- Deformierendes Gebiet ist der gesamte Rhein ohne das Schiff. Es liegt keine Anfangsdeformation vor ()
- vorgegebene Deformation: Die Deformation gilt für das Gebiet Schiff, welches sich durch den Rhein bewegen soll. Das Schiff bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von rheinabwärts. Somit wird dessen Bewegung mithilfe der vorgegebenen Deformation () modelliert. Hier könnte die Rampe2 eingesetzt werden, um das verzögerte losfahren des Schiffes zu modellieren. Dies hat leider nicht funktioniert, da die Berechnung der Studie abgebrochen wurde.
Transport verdünnter Spezies
[Bearbeiten]Der Austritt des Öls aus dem Leck wird mit dem Transport verdünnter Spezies modelliert.
- Anfangsbedingung: Konzentration
- Ausfluss:
Automatische Neuvernetzung
[Bearbeiten]Das Schiff fährt momentan an den Positionen 1 und 2 ca. 20s, an der Position 3 ca. 25s. Um das Schiff länger fahren lassen zu können, müsste eine Neuvernetzung erreicht werden. Die Implementierung einer Neuvernetzung gelang bisher mit Comsol nicht, da die Berechnung immer abgebrochen wurde. Auch nach Erhöhung der Iterationen, Verringerung der Schrittweite der Zeit, Verringerung der geforderten Netzqualität, Einfügen einer Rampe, welche das Schiff später losfahren lässt und des Erzwingens der Neuvernetzung nach wenigen Sekunden konnte keine automatische Neuvernetzung erreicht werden. Dies limitiert die Zeit der Fahrt des Schiffes auf die oben genannten Zeiten.
Modellierungsergebnisse und Diskussion
[Bearbeiten]Die Modellierung des Ölausflusses wurde an verschiedenen Stellen des Rheinabschnittes durchgeführt, um herauszufinden, ob verschiedene Sogwirkungen im Rhein das Austreten des Öls schon direkt zu Beginn des Unglücks beeinflussen können. So wurde eine Position gewählt, bei der das Tankschiff noch am Beginn des Rheinausschnittes fährt (Position 1). Position 2 befindet sich in der Nähe des Auffangbeckens des Rheins, um die Sogwirkung von diesem auf das austretende Öl zu testen. Position 3 ist am Ende des Rheinausschnitts, in der Nähe des modellierten Ausflusses.
Modellierungsergebnis an Position 1
[Bearbeiten]Das Schiff befindet sich in Position 1 Nahe des Einflusses des modellierten Flussabschnitts. Es bewegt sich 19,998s rheinabwärts.
Geschwindigkeit
[Bearbeiten]Druck
[Bearbeiten]Schadstofftransport
[Bearbeiten]Modellierungsergebnis an Position 2
[Bearbeiten]Das Schiff befindet sich in Position 2, nahe des des modellierten Auffangbeckens. Es bewegt sich 18,999s rheinabwärts.
Geschwindigkeit
[Bearbeiten]Druck
[Bearbeiten]Schadstofftransport
[Bearbeiten]Modellierungsergebnisse an Position 3
[Bearbeiten]Das Schiff befindet sich in Position 3 nahe des des modellierten Ausflusses. Es bewegt sich 24,993s rheinabwärts.
Geschwindigkeit
[Bearbeiten]Druck
[Bearbeiten]Schadstofftransport
[Bearbeiten]Vergleich der Ergebnisse
[Bearbeiten]- Unabhängig von den Positionen des Schiffs sind Druck, Geschwindigkeit und Schadstofftransport im Zeitpunkt 0 gleich.
- Der Druck ist nur um das Schiff unterschiedlich. Jedoch ist sowohl das Verhalten des Drucks als auch der Geschwindigkeit um das Schiff in allen Positionen sehr ähnlich.
- Im Auffangbecken ist der Druck am höchsten. Jedoch erreicht er in Position 2 sein Maximum.
- An den Randstellen stimmen die Stellen mit hohem Druck und langsamer Geschwindigkeit überein. Genauso stimmen umgekehrt die Stellen mit niedrigem Druck und hohem Druck überein.
- Bei allen drei Positionen des Schiffs bleibt das austretende Öl vorerst nahe am Schiff. Nach kurzer Zeit verformt es sich in Richtung des Schiffsendes.
Die Modellierungen der drei Positionen unterscheiden sich nicht wesentlich. Der größte Unterschied entsteht bei Position 2 durch die Nähe des Schiffs zum Rand des Rheins. Aber selbst dort verändert sich der untersuchte Austritt des Öls nicht. Das heißt allerdings nicht, dass ausgeschlossen werden kann, dass sich im weiteren Zeitverlauf das Austreten des Öls nicht unterschiedlich entwickeln kann.
Schlussfolgerungen
[Bearbeiten]Das Projekt zeigt, dass in den ersten Sekunden nach Austreten des Öls kein Unterschied zwischen den verschiedenen Positionen besteht. Es ist somit davon auszugehen, dass sich die Strömung nicht stark auf das Ausfließen des Öls auswirkt (jedenfalls nicht in den ersten Sekunden). Da das Öl sich langsam vom Schiff wegbewegt, aber anfangs nah beim Schiff bleibt, ist davon auszugehen, dass bei einem Unglück schnell der Ausfluss des Öls in der Nähe des Schiffs gestoppt werden muss, da es sich vermutlich schnell verbreitet und ein größeres Gebiet im Fluss einnimmt. Die Modellierung lässt vermuten, dass sich auch bei längerem Fahren des Schiffs das Öl sich gleich im Rhein ausbreiten würde und nicht durch die Position beeinflusst wird. Dies müsste jedoch noch genauer modelliert werden. Gerade Position 2 sollte eine längere Modellierung erhalten, da dort die Geschwindigkeit und der Druck in der Nähe des Schiffs sich von den anderen Positionen unterscheidet. Die Nähe zum Rand des Rheins verändert beide Werte. Jedoch spielt entgegen unserer Vermutung das Auffangbecken keine Rolle. Es entsteht weder ein Sog in es hinein, noch beeinflusst es in anderer Weise den Ausfluss des Öls. Der ausschlaggebende Faktor für eine mögliche Veränderung der Art und Weise wie das Öl ausfließt, scheint der Rand des Rheins zu sein.
Optimierung des Projekts
[Bearbeiten]- Fahrtzeit des Schiffs: Um aussagekräftiger zu werden, müsste das Projekt einen längeren Zeitraum umfassen, in dem sich das Schiff vorwärts bewegt. Wie eben erwähnt kommt es in den ersten Sekunden nach einem Schiffsleck im Rhein zwar zum Austritt des Öls, jedoch verhält sich das austretende Öl an allen Stellen recht gleich. Bei einer längeren Austrittszeit könnte festgestellt werden, ob das Öl an verschiedenen Stellen des Rheins durch Sogwirkungen in bestimmte Richtungen gezogen wird. Auf diese Art wäre eine Auswertung im Sinne des Naturschutzes möglich.
- Fahrtrichtung des Schiffs: Das Schiff könnte anstelle einer geraden Linie auch eine leichte Kurve durch den Rhein fahren, um sich dem natürlichen Verlauf des Flusses anzupassen. Diese Modellierung wäre realitätsnäher. Außerdem könnten Daten eingepflegt werden, welche die tatsächlichen möglichen Fahrtrouten eines Tankschiffs in der Nähe von Germersheim zu modellieren. Diese müssen an Stellen des Rheins fahren, welche genügend Tiefe aufweisen. Der Austritt des Öls wäre somit an reale Situationen gekoppelt.
- Dimension: Anstelle einer zweidimensionalen Modellierung, könnte das Projekt dreidimensional modelliert werden. Dazu könnte in einem ersten Schritt eine Durchschnittstiefe des Rheins angenommen werden. In weiteren Modellierungsschritten könnten realitätsgetreue Daten eingeholt werden, welche die Rheintiefe bei Germersheim beschreiben. Jedoch sind solche Daten nicht einfach einzuholen.
- Modellierung des Schiffsverkehrs auf dem Rhein: Auf dem Rhein befinden sich zur selben Zeit nicht nur ein Schiff. Weitere Boote und Schiffe könnten in die Modellierung hinzugenommen werden, da diese ein Hindernis darstellen, welche den Fluidfluss des Wassers und den darin geschehenden Schadstofftransport beeinflussen. Diese Beeinflussung kann zwar nicht komplett realitätsnah modelliert werden, da es nicht möglich ist genau zu wissen, wann ein anderes Schiff wo die selbe Strecke durchfährt, jedoch können so in mehreren Modellierungsschritten weitere Faktoren ausgetestet und in die Auswertung mit aufgenommen werden.