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Technical Report NTB 93-36
FRACMESH -A Program for the Generation of Finite-Element Meshes for the Hydrodynamic Modelling of Fractured Rocks
Die Langzeitsicherheit eines existierenden oder potentiellen Endlagers für radioaktive Abfälle wird bestimmt durch die Freisetzung der Nuklide aus der Kaverne und deren Transport durch die umgebenden geologischen Formationen (Geosphäre). Der Transport in der Geosphäre wird durch den Grundwasserfluss kontrolliert. Für die Modellierung dieser hydrodynamischen Prozesse hat sich die Methode der Finiten Elemente bewährt. Dieses Vorgehen beruht auf der Einteilung (Diskretisierung) des zwei- oder dreidimensionalen Raumes in eine Vielzahl von geometrischen Objekten, den Finiten Elementen (FE). Jedes Finite Element repräsentiert homogene Materialeigenschaften.
Der Aufbau der Finite Element-Netze, d. h. die räumliche Diskretisierung und Zuweisung der Materialeigenschaften, erfolgt in der Regel automatisch oder halbautomatisch mit Hilfe von geeigneten Computerprogrammen. Die limitierenden Faktoren hierbei sind die Anzahl der Finiten Elemente und die Netzgeometrie. Die Anzahl der Elemente wird durch die Modellgrösse und die räumliche Diskretisierung bestimmt. Die handhabbare Anzahl von Elementen, aus denen ein Modell aufgebaut ist, wird durch die verfügbare Rechen- und Speicherkapazität des Systems beschränkt. Die halb- oder vollautomatische Generierung der FE-Netze verlangt aus programmtechnischen Gründen eine mehr oder weniger starke Vereinfachung der tatsächlichen geologischen Gegebenheiten. Komplexe geologische und tektonische Verhältnisse, welche das dreidimensionale Grundwasser-Fliessfeld bestimmen, können deshalb vielfach nicht realistisch nachgebildet werden.
Auf dem Gebiet der automatischen Netzgeneratoren stellt das beschriebene Programmpaket FRACMESH/FEMFRAC den derzeitigen Stand der Technik dar. Dessen Entwicklung wurde von zwei Problemstellungen bestimmt:
- Mittels einfacher Vorgaben sollten komplexe, d. h. keinen geometrischen Restriktionen unterliegende Finite Element-Modelle erstellt werden können. Selbsterklärende Befehle (Keywords) und zugehörige Parameter, die in einer Inputdatei zusammengefasst werden, definieren die Modellausdehnung sowie die Geometrie und Materialeigenschaften (Hydraulische Durchlässigkeit, Porosität) der hydrogeologischen Einheiten. In gleicher Weise werden die geographische Lage, räumliche Ausdehnung und Orientierung von einzelnen Störzonen oder Störungssystemen definiert.
- Die zweite Zielsetzung betraf die nachträgliche Veränderung der räumlichen Diskretisierung existierender FE-Modelle. Zum einen erlaubt das Programm FEMFRAC bei spezifischen Fragestellungen, wie z. B. die Simulation transienter oder gekoppelter thermo-hydraulischer Prozesse, die Diskretisierung im gesamten Modell oder nur in definierten Teilbereichen (Tunnelbauten, Umfeld eines Endlagers) zu verfeinern. Zum anderen kann ein existierendes FE-Netz nachträglich mit beliebig orientierten Störungen oder Kluftsystemen verschnitten werden.
Das wichtigste Merkmal am FRACMESH-Konzept ist, dass es – im Vergleich zu ähnlichen Programmpaketen – weder geometrischen noch programmtechnischen Restriktionen unterliegt. So können hydrogeologische Modelle mit komplexen dreidimensionalen Geometrien erstellt werden, die aus explizit definierten und sich beliebig schneidenden Störflächen resultieren. Um die verfügbaren Computer-Ressourcen optimal zu nutzen, können nach Bedarf verschiedene Programm-Optionen aktiviert werden, welche die Grösse und Geometrie der Elemente steuern. Dadurch kann die Gesamtzahl der Elemente möglichst klein gehalten werden. Ferner kann bei Bedarf auch die Bandbreite optimiert werden.
Ohne den Verzicht auf technische und konzeptuelle Details stellt der Bericht eine allgemeine Beschreibung der gegenwärtigen Version des Programmpaketes FRACMESH/FEMFRAC dar. Die praktische Anwendung wird anhand einiger Beispiele dokumentiert; abschliessend werden die daraus resultierenden offenen Fragen und Vorschläge für die Weiterentwicklung diskutiert. Die vollständigen Programmlistings sind im Anhang zu finden.