An introduction into the theory of heat transfer and Finite Element Modeling is presented. Then simulations for cylindrical configurations with the software Feflow where run to simulate heat transfer in soil. Reality was stepwise approximated by pure conduction, free conduction in saturated soil and finally free convection in unsaturated soil. Mualem and Van Genuchten empiric models where used.
Results from Feflow where compared with older data from COMSOL simulations. Results where similar for conduction and for convection where the Brinkmann-equation provided for strong retardation of fluid flow within the solid matrix.
An experiment under construction was also simulated. As soon as it delivers measurements observation points
should be added to the model to adapt model parameters to fit the measurements.
Inhaltsverzeichnis
- 1. Einleitung und Zielsetzung
- 2 Theorethische Grundlagen
- 2.1 Numerische Modellierung und Simulation
- 2.2 Theorie des Wärmetransports
- 2.2.1 Konduktion
- 2.2.2 Konvektion
- 2.2.3 Dispersion
- 2.3 Linienquellentheorie
- 2.4 Wärmeübertragung im Boden als poröses Mischungsmedium
- 2.4.1 Wärmeleitfähigkeitsmessungen an Lockergesteinen und Böden
- 2.4.2 Wasserverteilung und -bewegung in teilgesättigten Böden
- 2.4.3 Van Genuchten-Modell der Wasser-Rückhalte-Kurve
- 2.4.4 Hydraulische Durchlässigkeit aus der Wasser-Rückhalte-Kurve nach Mualem
- 2.4.5 Richards-Gleichung für ungesättigte poröse Medien
- 2.5 Analytische Berechnung der Wärmeleitfähigkeit an Zylindern
- 2.6 Vergleich zwischen Erdkabel und Freileitung
- 3. Methoden
- 3.1 Feflow-Eigenschaften
- 3.2 Numerische Simulation konduktiven Wärmetransports
- 3.3 Numerische Simulation freier Konvektion im gesättigten Boden
- 3.4 Numerische Simulation freier Konvektion im ungesättigten Boden
- 3.5 Analytische Berechnung effektiver Wärmeleitfähigkeiten
- 4 Ergebnisse und deren Interpretation
- 4.1 Feflow-Eigenschaften
- 4.2 Simulationsergebnisse für konduktiven Wärmetransports
- 4.2.1 Konduktiver Wärmetransport in H1K-Konfigurationen
- 4.2.2 Konduktiver Wärmetransport in TxK-Konfigurationen
- 4.3 Simulationsergebnisse für freie Konvektion im gesättigten Boden
- 4.3.1 Ergebnisse freier Konvektion im gesättigten Boden der H1Gxxx-Konfigurationen
- 4.3.2 Ergebnisse freier Konvektion im gesättigten Boden der TOG-Konfiguration
- 4.4 Simulationsergebnisse für freie Konvektion im ungesättigten Boden
- 4.4.1 Ergebnisse freier Konvektion im ungesättigten Boden von H3U-Konfigurationen
- 4.4.2 Ergebnisse freier Konvektion im ungesättigten Boden von TOU-Konfigurationen
- 4.5 Ergebnisse der Berechnungen der effektiven Wärmeleitfähigkeit
- 4.5.1 Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit für H-Konfigurationen
- 4.5.2 Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit für T-Konfigurationen
- 5 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Arbeit befasst sich mit der numerischen Modellierung und Simulation von Wärme- und hydraulischen Prozessen im Nahbereich eines erdverlegten Stromkabels. Ziel ist es, die Wärmeübertragung im Boden mithilfe von Finite-Elemente-Methoden zu modellieren und zu simulieren, wobei verschiedene Szenarien betrachtet werden, von reiner Wärmeleitung bis hin zur freien Konvektion in ungesättigten Böden.
- Wärmeübertragung in Böden
- Finite-Elemente-Modellierung
- Konduktion, Konvektion und Dispersion
- Numerische Simulation mit Feflow
- Analyse von Wärmeleitfähigkeiten und hydraulischen Eigenschaften
Zusammenfassung der Kapitel
Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in die Theorie der Wärmeübertragung und die Finite-Elemente-Modellierung. Im zweiten Kapitel werden die theoretischen Grundlagen des Wärmetransports im Boden behandelt, wobei die verschiedenen Transportmechanismen wie Konduktion, Konvektion und Dispersion erläutert werden. Es wird auch die Linienquellentheorie vorgestellt, die für die Modellierung der Wärmeübertragung von Erdkabeln relevant ist. Anschließend werden die Besonderheiten der Wärmeübertragung in porösen Medien, wie beispielsweise Böden, diskutiert, und Modelle zur Beschreibung der Wasserverteilung und -bewegung in teilgesättigten Böden werden vorgestellt. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion der analytischen Berechnung der Wärmeleitfähigkeit an Zylindern ab.
Das dritte Kapitel behandelt die Methoden, die für die numerischen Simulationen verwendet wurden. Es wird die Software Feflow vorgestellt, die für die Simulationen eingesetzt wurde, und die verschiedenen Modellierungsansätze für die Simulation von Wärmeleitung, freier Konvektion in gesättigten und ungesättigten Böden werden erläutert.
Das vierte Kapitel präsentiert die Ergebnisse der Simulationen. Die Ergebnisse für den konduktiven Wärmetransport werden zunächst für verschiedene Konfigurationen gezeigt und analysiert. Anschließend werden die Ergebnisse für die freie Konvektion in gesättigten und ungesättigten Böden präsentiert und diskutiert. Das Kapitel schließt mit der Analyse der Ergebnisse der Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeiten ab.
Schlüsselwörter
Wärmeübertragung, Erdkabel, Boden, Finite Elemente Modellierung, Feflow, Konduktion, Konvektion, Dispersion, Wassergehalt, Wärmeleitfähigkeit, hydraulische Leitfähigkeit, Mualem-Modell, Van Genuchten-Modell, Richards-Gleichung.
- Quote paper
- Dipl.-Ing., MSc, Rainer Stickdorn (Author), 2016, FE-Modellierung thermischer und hydraulischer Vorgänge im Nahbereich eines erdverlegten Stromkabels, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/433461
