Berechnung der instationären Strömung
Die Berechnung erfolgt in zwei oder mehr Phasen ("Wasserströmung"), wobei in der ersten Phase werden die Anfangsbedingungen eingestellt, d. h. die Porendruckverteilung, der Druckhöhe, des Sättigungsgrades und des relativen Permeabilitätskoeffizienten zu Beginn der Berechnung. Die Anfangswerte der Porendrücke können auf verschiedene Arten eingestellt werden:
- Mit der Grundwasserspiegel (GWSp)
- Eingabe direkt mithilfe der Schnittstelle des Porenwasserdrucks
- Berechnungsausführung der stationären Strömung
Im ersten Fall wird eine hydrostatische (lineare) Verteilung des Porendrucks über die Höhe betrachtet. Während unter GWSp positive Porendrücke erzeugt werden, werden negative Porendrücke (Saugung) oberhalb des GWSp-Niveaus erzeugt. Der zweite Fall ermöglicht die Definition von trockenem Boden, z. B. durch Eingabe negativer Porendrücke im gesamten infiltrierten Bereich. Die dritte Option erfordert eine Lösung der Aufgabe der stationären Strömung. Abhängig von der Auswahl des Materialmodells werden den jeweiligen Porendrücken Anfangswerte des Sättigungsgrades und des relativen Permeabilitätskoeffizienten zugeordnet. Die Porendruckverteilung in der ersten Berechnungsphase entsprechend der Lösung der Aufgabe der stationären Strömung mit entsprechenden Randbedingungen ist in der Abb. 1 dargestellt. Wie in dieser Abbildung ersichtlich, werden negative Porendrücke über HPV nicht angezeigt. Der Anfangszustand im Bereich des ungesättigten oder teilgesättigten Bodens kann zum Beispiel durch die Verteilung des anfänglichen Sättigungsgrades beurteilt werden ( siehe Abb. 2). Wenn "kein Wasser" ausgewählt ist, werden die anfänglichen Porendrücke auf Null gesetzt.
Abb. 1 - Erste Berechnungsphase: Verteilung der anfänglichen Porendrücke
Abb. 2 - Erste Berechnungsphase: Verteilung des anfänglichen Sättigungsgrades
Die Berechnung des instationären Strömung lauft ab der zweiten Phase durch, wobei sich die einzelnen Phasen anschließen. In jeder Phase werden die Berechnungszeit, der zeitliche Verlauf der (hydraulischen) Randbedingungen und die Länge des Zeitschritts gewählt. Die aktuelle Programmversion geht davon aus, dass entweder die gesamte Belastung zu Beginn der Phase hingetragen wird oder linear während der Phase ansteigt ("Strömung"). Im ersten Fall wird der anfängliche Zeitschritt als 1/10 des angegebenen Schritts ausgewählt. Dann fährt die Berechnung mit dem bereits eingegebenen Zeitschritt fort. Die Länge des Zeitschritts sollte während der Analyse angepasst werden. Zu Beginn der Lösung wird ein kürzerer Zeitschritt empfohlen. Mit der zunehmenden Zeit, wann sich die Lösung schon dem stationären Zustand nähert, kann der Zeitschritt mehrfach erhöht werden (z. B. von 1/10 des Tages auf mehrere Tage). Die Abb. 3 und 4 zeigen einen Zwischen- und stationären Zustand, der einem plötzlichen Anstieg von GWSp in der zweiten Phase der Berechnung entspricht. Die Abb. 5 und 6 abbilden dann ähnliche Zustände bei der wiederholten Absenkung von GWSp auf das ursprüngliches Niveau in der sechsten Berechnungsphase.
Abb. 3 - Zweite Berechnungsphase: Verteilung der Porendrucke im bestimmten Berechnungszeitunkt
Abb. 4 - Sechste Berechnungsphase: Verteilung der statioären Porendrucke
Abb. 5 - Siebte Berechnungsphase: Verteilung der Porendrucke im bestimmten Berechnungszeitunkt
Abb. 6 - Achte Berechnungsphase: Verteilung der statioären Porendrucke