Simulation der Ausbreitung radioaktiver Schadstoffe Ausbreitungsphänomene, Modellierung physikalischer Prozesse W. Scheuermann Universität Stuttgart - Kontext der Ausbreitung - Mrz-17

Inhalte der Vorlesung Ziele und Kontext von Ausbreitungsrechnungen Ausbreitungsphänomene, Modellierung physikalischer Prozesse Freisetzung, Zerfall Topographie, Geländemodelle, Koordinatensysteme Windfeldmodelle Transportmodelle Dosisberechnung, chemische Prozesse in der Atmosphäre Simulationssysteme Softwareparadigmen / Frameworks Werkzeuge zur Modellierung (UML) Architektur von ABR_V2.0 Modelle in der ABR_V2.0 Benchmarks / Validierung W. Scheuermann Universität Stuttgart - Kontext der Ausbreitung - Mrz-17

VDI-Definitionen: Modellierung durch Simulation -1- VDI-Richtlinie 3633 (Beuther Verlag, Berlin 1996) definiert den Begriff des Systems: “Abgegrenzte Anordnung von Komponenten, die miteinander in Beziehung stehen.“ Es ist gekennzeichnet durch: - Systemgrenze, Systemein- und ausgangsgrößen - Subsysteme, Systemelemente, - Aufbaustruktur - Ablauflogik - Zustandsübergänge und -größen“, Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

VDI-Definitionen: Modellierung durch Simulation -3- Den Prozess der Modellierung „Die Modellierung umfasst bei der Simulation das Umsetzen eines existierenden oder gedachten Systems in ein experimentierbares Modell“, und der Begriff der Simulation: „Simulation ist ein Verfahren zur Nachbildung eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen in einem experimentierbaren Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind.“ Im weiteren Sinne wird unter Simulation das Vorbereiten, Durchführen und Auswerten gezielter Experimente mit einem Simulationsmodell verstanden. Mit Hilfe der Simulation kann das zeitliche Ablaufverhalten komplexer Systeme untersucht werden“. W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

VDI-Definitionen: Modellierung durch Simulation -2- den Begriff des Modells „Ein Modell ist eine vereinfachte Nachbildung eines existierenden oder gedachten Systems mit seinen Prozessen in einem anderen begrifflichen oder gegenständlichen System. Es unterscheidet sich hinsichtlich der untersuchungs-relevanten Eigenschaften nur innerhalb eines vom Untersuchungsziel abhängigen Toleranzrahmens vom Vorbild“. Es wird genutzt, um eine bestimmte Aufgabe zu lösen, deren Durchführung mittels direkter Operationen am Original nicht möglich oder zu aufwendig wäre. - Gedankliches Modell: Modell, das noch nicht in ein Simulationsmodell umgesetzt wurde. - Experimentierbares Modell / Simulationsmodell: Reales Modell, das aus dem gedanklichen Modell entstand und mit dem Experimente durchgeführt werden können.“ W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Vorgehensweise bei der Modellbildung Aufgabenstellung physikalisches Modell mathematisches Modell Analyse des mathe- matischen Modells Existenz und Lösungen numerisches Modell Konsistenz, Konvergenz Entwurf und Implementierung eines Programms Simulation Daten- Beschaffung Modul Verknüpfung Analyse und Darstellung der Ergebnisse Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Aufgabenstellung: Berechnung des Wärmebedarfs Ta Transmissions- verluste Solare Wärmegewinne Lüftungs- Ti Interne Wärmebedarf Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Physikalisches Modell Zonenweise stationäre Energiebilanz bei vorgegebener Sollinnentemperatur : Transmissionsverluste : Lüftungsverluste : Interne Wärmegewinne : Solare Wärmegewinne : Ausnutzungsgrad Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Mathematisches Modell Berechnung mit folgenden Gleichungen: Transmissionsverluste: Lüftungsverluste: Interne Wärmegewinne: Solare Wärmegewinne: Mittlere interne Wärmegewinne auf der Basis eines durchschnittlichen 2,7-Personenhaushaltes bezogen auf die Wohnraumfläche n: Luftwechsel F: Abminderungsfaktoren für Verschattung, Sonnenschutz und Rahmenanteil Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Mathematisches Modell Gleichungen: Vereinfacht als Punktmodell Transmissionsverluste: Lüftungsverluste: Interne Wärmegewinne: Solare Wärmegewinne: Ausnutzungsgrad: Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Modellierung Fragestellungen Bedeutung von Modellen Kontext der Anwendung Zeitliche und räumliche Auflösung Zu erfassende Prozesse und Abläufe Detaillierungsgrad Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Charakteristika von Modellen beschreiben Ausschnitt der Welt haben beschränkte Gültigkeit unterliegen vielen Fehlerquellen Modelle sind nicht wahr, aber brauchbar nicht verifizierbar, aber validierbar nicht richtig, aber nützlich Modellergebnisse benötigen Interpretation Validierung Daten Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Kontext der Anwendung Wissenschaft Begleitung von Experimenten Charakteristika Aufwändige Modelle Hoher Detaillierungsgrad Rechenzeiten ohne Bedeutung Nutzung von Supercomputern W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Kontext der Anwendung Ersatz von Versuchen Industrie Automobilindustrie Charakteristika Aufwändige Modelle Hoher Detaillierungsgrad Rechenzeiten ohne Bedeutung Nutzung von Supercomputern W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Kontext der Anwendung Planung Untersuchungen zur Auswirkung von Maßnahmen Hoch- und Tiefbau Fabrikbauten Charakteristika Flexible Modellierung (Untersuchung von Alternativen) Flexible Modelle Bearbeitungszeit und Rechenzeit von untergeordneter Bedeutung W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Kontext der Anwendung Notfallschutz Zur Beurteilung der Bedrohungssituation bei Unfällen in Chemischen Fabriken Kernkraftwerken Gewässerverschmutzung Charakteristika Anwendung unter Stress Stabile Modelle Standardisierte Ein- und Ausgabe kurze Rechenzeiten W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Kontext: Notfallschutz Einsatz von Ausbreitungsrechnungen Prognose Prognose und Diagnose BfS- Aerogamma LUBW ABC-Erkunder Stationäre Messungen, Ausbreitungsrechnungen Maßnahmen Stationäre und mobile Messungen, Langfristige Maßnahmen W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Im Kontext anderer Anwendungen Kernkraftwerke Katastrophenschutz KFÜ-Client Terminal Server UM Lokale Datenbank Betreiber Meteorologie Mobile Messungen Immissions- Messnetze Externe Telefonisches Alarmierungs-System Kommunikations- Server Zentrale Datenbank (Oracle RAC) Ausbreitungs- Rechnung Rufbereitschaft KFÜ WebServer Internet LUBW Karlsruhe Rohdaten Erfassung, Verarbeitung, Alarmierung Auswertungen Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Räumliche Auflösung Modellgebietsgröße Globalmodell Europa- und Weltweit Lokalmodell Bis ca. 200 km Geländemodellierung Detailmodell Nur wenige Kilometer Ausdehnung Modellierung von Gebäuden Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Schadstoffkonzentrationen PM10 NO2 Quelle: Proceedings zur HARMO14 Konferenz W. Scheuermann Universität Stuttgart - Kontext der Ausbreitung - Mrz-17

Schadstoffkonzentrationen Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Schadstoffkonzentrationen Quelle: Proceedings zur HARMO14 Konferenz W. Scheuermann Universität Stuttgart - Kontext der Ausbreitung - Mrz-17

Schadstoffkonzentrationen Bild: Google maps Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Atmosphärische Prozesse und ihre Zuordnung zur Raumskala Makro-Skala Meso-Skala Mikro-Skala α β γ von 40000 10000 2000 200 20 2 0,2 0,02 bis 0,002 Makro-Skala große dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete Meso-Skala: Kleinräumige Sturmtiefs, Gewitter Micro-Skala: Grenzschichtturbulenz, Thermik, Sandteufel Quelle: Meteorologie, Prof. Dr. Birgit Klose W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Zeitliche Auflösung Meteorologische Prozesse Messdatenzyklus Numerik Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Proportionalität von Raum- und Zeitskala Bewegungssystem Horizontale Erstreckung Zeitliche Dauer Schwache Konvektion 50 – 500 m 10 – 30 min Mäßige Konvektion 500 – 2000 m 20 – 60 min Starke Konvektion 2 – 20 km 30 – 180 min Wolkencluster 20 – 200 km 3 – 18 h Zyklone, Antizyklone 200 – 30000 km 1 – 3 d Lange Wellen 3000 – 10000km 2 – 8 d Quelle: Meteorologie, Prof. Dr. Birgit Klose W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Modell des Schadstofftransports W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Emission Freigesetzte Aktivität Inventar im Reaktor Betriebsparameter Abschaltzeitpunkt Unfallverlauf Freisetzungsort Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Transport Konzentration in der Wolke Meteorologie Sonneneinstrahlung Bewölkung Wind Regen Geländeformation Bebauung / Bewuchs W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Auswirkung der Geländeformation Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Einfluss der Bodenrauigkeit Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Immission Dosisbestimmung Ablagerung am Boden Bodenverhältnisse Deposition Trocken Feucht Regen Inhalation Atemrate Konstitution, Alter Ingestion Nahrungsmittelaufnahme W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Auswaschung durch Regen W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Simulationsmodell Simulations- programme Eingangsdaten Simulations- ergebnisse Strömungsmodelle Konstantes Windfeld Interpoliertes Windfeld Diagnostisches Windfeld Prognostisches Windfeld Ausbreitungsmodelle Gauß-Fahnen-Modell Puff-Modell Euler-Modell K-Modell Lagrange-Modell Imissionsmodelle Dosisberechnung Strahlenbelastung Meteorologie Wind Temperatur Druck Diffusion Feuchte Rad. Belastung Dosis Strahlung Immission Luftkonzentration Bodenkonz. Deposition Gelände Orographie Landnutzung Rauigkeit Meteorologie Wind Temperatur Druck Stabilität Feuchte Regen Stoffdaten Emission Deposition Chemie Auswertung Visualisierung Grafik Bericht Euler: reibungsfreie Strömung K-Modell: turbulente kin. Energie Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Schadstoffkonzentration und -transport Diffusions-Advektionsgleichung Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Schadstoffkonzentration und -transport Gauß‘sches Fahnenmodell Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Schadstoffkonzentration und -transport Puff-Modell Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Schadstoffkonzentration und -transport Lagrangesches Partikelmodell: t = t0 Ortsvektor: Z Z mA(t0) mB(t0) [x(t0),y(t0),z(t0)] mC(t0) mD(t0) [x(tn),y(tn),z(tn)] Kamin Kamin X X Y Y Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Schadstoffkonzentration und -transport Lagrangesches Partikelmodell: tn = t + dt Z mA(t2) mB(t2) mC(t2) mD(t2) [x(tn),y(tn),z(tn)] Kamin X Y Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17