Physical and numerical experiments of flow and transport in heterogeneous fractural media : single fracture flow at high Reynolds numbers, and reactive particle transport

Spiller, Martin Werner; Köngeter, Jürgen

doi:1006

Physical and numerical experiments of flow and transport in heterogeneous fractural media : single fracture flow at high Reynolds numbers, and reactive particle transport

Spiller, Martin Werner (Author)

2004 & 2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Werner Spiller

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangXXVII, 252 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Prüfungsjahr: 2004. - Publikationsjahr: 2005

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Köngeter, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-10-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-10069
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62099/files/62099.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Grundwasserleiter (Genormte SW) ; Klüftung (Genormte SW) ; Permeation (Genormte SW) ; Grundwasserstrom (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Einzelkluft (frei) ; reaktiver Transport (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Ziel der hier vorgestellten Dissertation ist, einen Beitrag zur Verbesserung des Prozessverständnisses bei reaktiven Transportprozessen in Einzelklüften mit angrenzender permeabler Matrix zu leisten. Dazu sind umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt worden. Die experimentellen Untersuchungen konzentrierten sich auf die Identifikation von Strömungsprozessen in einer heterogenen Einzelkluft. Es wurde ein transparenter Epoxydharzabguss einer realen Granit-Einzelkluft verwendet, wobei die Ober- und Unterseite der Kluft in Strömungsrichtung gegeneinander verschoben werden können und sich somit verschiedene Scherversatzbeträge einstellen lassen. Das Öffnungsweitenfeld ist mit zwei unabhängigen Messmethoden (Absorptionsmethode und 3D-Scan Methode) vermessen worden, womit ein Vergleich zwischen experimentell gemessenen Strömungsverlusten und Stromlinien mit Ergebnissen numerischer Simulationen möglich ist. Während die Stromlinien eine sehr gute Übereinstimmung zeigen, gibt es signifikante Abweichungen bei der Bestimmung der effektiven hydraulischen Durchlässigkeit der Einzelkluft: Die experimentell gemessene Permeabilität ist ca. 25% geringer als die mit dem Ansatz eines lokalen "Cubic Laws" simulierte Permeabilität. Diese Abweichungen stimmen mit aus der Literatur bekannten Ergebnissen experimenteller und numerischer Studien überein. Es konnte in numerischen und experimentellen Untersuchungen gezeigt werden, dass in dem Bereich der untersuchten Reynoldszahlen zwischen Re = 5 und Re = 180 der Einfluss inertieller Strömungseffekte mit dem Fließgesetz von Darcy-Ward-Forchheimer beschrieben werden kann. Die zusätzlichen hydraulischen Verluste reduzieren die hydraulische Heterogenität der Einzelkluft, was zu dem makroskopisch beobachteten Effekt einer mit zunehmender Reynoldszahl abnehmenden Krümmung (Tortuosität) der Stromlinien führt. Ferner wurde experimentell gezeigt, dass die dimensionslose Ward-Konstante, welche in der Darcy-Ward-Forchheimer-Gleichung die sekundären Strömungseffekte charakterisiert, mit steigender Temperatur zunimmt. Dieses Verhalten ist bislang nur für Strömungen in porösen Medien bekannt. Auf Grundlage einer auf den Navier-Stokes-Gleichungen basierenden Skalenanalyse und den experimentell ermittelten Werten der Ward-Konstante kann ein einfacher Zusammenhang zwischen statistischen Parametern des Öffnungsweitenfeldes und der dimensionslosen Ward-Konstante abgeleitet werden. Im Bereich der Numerik ist die Entwicklung eines Algorithmus gelungen, der effizient die unentkoppelten Advektions-Diffusions-Reaktions-Gleichungen simuliert. Die Kopplung von kinetischen Reaktionen beliebiger Ordnung mit Transportprozessen geschieht durch die Einführung verallgemeinerter Reaktionen, die Transportprozesse durch den Austausch von Partikeln mit benachbarten Zellen abbilden. Die zeitliche Entwicklung des Systems wird durch die stochastische Folge einzelner Reaktionsschritte simuliert, wobei der Zeitraum zwischen zwei aufeinander folgenden Reaktionen durch exponentiell verteilte Wartezeiten gegeben ist, welche im Mittel den Kehrwert der Gesamtreaktivität des Reaktionssystems betragen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass kein externer Zeitschritt vorgegeben werden muss, sondern sich das System auf der Zeitskala der beteiligten Prozesse entwickelt. Anhand von drei ausgewählten Beispielen ist die prinzipielle Anwendbarkeit des entwickelten Algorithmus auf komplexe Anwendungen gezeigt worden. Die gewonnenen Erkenntnisse zu Strömungsprozessen in Einzelklüften zusammen mit den im Rahmen dieser Dissertation entwickelten numerischen Methoden können in Zukunft auf reaktive Stofftransportprozesse in Kluft-Matrix-Systemen angewendet werden mit dem Ziel, die bisher an stark vereinfachten numerischen Modellen abgeleiteten nicht-linearen Zusammenhänge zwischen dimensionslosen Parametern der diskreten Modellierung und denen der Kontinuum Modellierung zu überprüfen.

The first part of the thesis is focusing on an experimental study of single phase flow processes in a single granite fracture. In order to obtain the aperture field, two different measurement methods were developed and evaluated. The effect of heterogeneities of the aperture field was shown by a visualization of streamlines. The flow experiments revealed that inertial effects lead to a correction of the effective permeability which is of second order in the mean flux. The comparison of results of the experiment with numerical simulations performed on the basis of the local Cubic Law is discussed. The second part of the thesis is about numerical modeling of reactive transport processes. Two different models have been developed. The first one is based on a Lagrangian approach, whereas the second one is based on a microscopic description of reactions and transport using a Master equation approach. A comparison of the two algorithms is discussed based on three selected application examples.

Fulltext:
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