Porous Media Mechanics / Mechanik poröser Medien

Maschinenbau, Master (PO-2023)

Modulnummer / Modulcode WP-PMM
Modulname Porous Media Mechanics / Mechanik poröser Medien
Art des Moduls Wahlpflicht
Lernergebnisse, Kompetenzen, Qualifikationsziele

Poröse Festkörper mit einem oder mehreren Porenfluiden gehören zur Klasse der mehrphasigen Materialien. Die kontinuumsmechanische Beschreibung multiphasiger Medien ermöglicht die Darstellung der Deformationen der Festkörpermatrix sowie der Strömung von Fluiden und der damit verbundenen Wechselwirkungen. Damit steht ein theoretisches und numerisches Instrument zur Verfügung, mit dem eine große Bandbreite von Materialien und Prozessen, von Geomaterialien über Polymer- und Metallschäume sowie Beton und Holz bis hin zu biologischem Gewebe, mathematisch beschrieben und analysiert werden kann. Für die numerische Anwendung sind dabei gekoppelte Bilanzgleichungen zu lösen.

Im Rahmen der Veranstaltung erwerben die Studierenden folgende Kompetenzen:

  • Umfassendes Verständnis der Grundlagen der kontinuumsmechanischen Modellierung poröser Materialien.
  • Verständnis multiphysikalisch gekoppelter Prozesse in porösen Medien.
  • Fähigkeit, gekoppelte Probleme in porösen Materialien für ingenieurwissenschaftliche Anwendungen zu modellieren und numerisch zu simulieren.
Lehrveranstaltungsarten 2 SWS VL (30 Std.), 2 SWS HÜ/Ü (30 Std.), Selbststudium (90 Std.)
Lehrinhalte
  • Definition und Klassifikation multiphasiger poröser Materialien anhand von Beispielen natürlicher und synthetischer Werkstoffe sowie Erläuterung der Bedeutung der Mechanik poröser Medien für Anwendungen im Ingenieurwissen.
  • Grundlagen der Kontinuumsmechanik für multiphasige poröse Medien: Kinematik (Deformation, Verzerrungsmaße, Sicker- bzw. Porenströmungsgeschwindigkeit), Bilanzgleichungen (Masse, Impuls, Energie) sowie konstitutive Beziehungen.
  • Numerische Behandlung gekoppelter Probleme in porösen Medien: Finite-Elemente-Formulierung von Anfangs-Randwertproblemen mit gemischten Finite-Elemente-Methoden.
  • Stabilisierungstechniken für niedrigordentliche Finite Elemente sowie Lösungsstrategien für gekoppelte Probleme (monolithische und gestaffelte Verfahren).
  • Aktuelle Entwicklungen: Mehrskalenmodellierung und datengetriebene Ansätze in porösen Medien.
  • Rechnergestützte Modellierungs- und Simulationsübungen zu ingenieurwissenschaftlichen Problemstellungen mit porösen Materialien unter Einsatz von Finite-Elemente-Software (Abaqus sowie Python-/Jupyter-Notebook-Umgebungen).
Titel der Lehrveranstaltungen Porous Media Mechanics
Lehr- und Lernmethoden (Lehr- und Lernformen) Vorlesungen zur Vermittlung theoretischer Grundlagen sowie rechnergestützte Übungen im Computerpool des CEC (Computational Engineering Center) zur Anwendung und Vertiefung der Inhalte. Projektorientiertes Lernen im Rahmen einer eigenständigen Projektarbeit mit Anleitung und Feedback. Präsentation und Diskussion von Ergebnissen zur Förderung fachlicher und methodischer Kompetenzen.
Verwendbarkeit des Moduls M. Sc. Maschinenbau
M. Sc. Bauingenieurwesen
Dauer des Moduls ein Semester
Häufigkeit des Angebotes jährlich im Sommersemester
Sprache englisch
Empfohlene (inhaltliche) Voraussetzungen für die Teilnahme am Modul • Finite Elemente Methode - Grundlagen und Anwendung;
• Technische Mechanik 3 - Lineare Kontinuumsmechanik
• Nichtlineare Kontinuumsmechanik
Voraussetzungen für die Teilnahme am Modul keine
Studentischer Arbeitsaufwand VL (30 Std.), HÜ/Ü (30 Std.), Selbststudium (90 Std.)
Studienleistungen keine
Voraussetzung für Zulassung zur Prüfungsleistung keine
Prüfungsleistungen Projektarbeit (40 %): Bericht + kurze Präsentation mit Diskussion (15-20 Min). Mündliche Prüfung (60 %): Inhalte aus Vorlesung und Übung (25 -30 Min)
Anzahl Credits (ECTS) 6 cp
Lehreinheit Maschinenbau
Modulverantwortliche/r Prof. Dr.-Ing. Yousef Heider
Lehrende Prof. Dr.-Ing. habil. Yousef Heider/ Dr.-Ing. Rodolfo J. Williams M.
Medienformen Vorlesungs- und Übungsfolien, rechnergestützte Arbeitsumgebungen (PC, Jupyter Notebook, Abaqus), Beamer, Lernplattform Moodle zur Bereitstellung von Materialien und Aufgaben, digitale Quizformate zur Lernkontrolle.
Literatur
  • Ehlers & J. Bluhm (Ed.): Porous Media: Theory, Experiments

 and Numerical  Applications. Springer Berlin, Heidelberg. 2002

  • Coussy (2004) Poromechanics, John Wiley & Sons. 
  • de Boer (2000): Theory of Porous Media, Springer Verlag, Berlin. 
  • Markert, B.: A survey of selected coupled multifield problems in computational mechanics. Journal of Coupled Systems and Multiscale Dynamics 1 (2013), 22–48 (review article).
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