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Flow and transport in saturated and unsaturated fractured porous media: Development of particle-based modeling approaches

dc.contributor.advisorSauter, Martin Prof. Dr.
dc.contributor.authorKordilla, Jannes
dc.date.accessioned2014-10-13T08:48:10Z
dc.date.available2014-10-13T08:48:10Z
dc.date.issued2014-10-13
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0023-9901-9
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-4722
dc.description.abstractDas Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von partikelbasierenden Strömungs- und Transportmodellen zur Charakterisierung von kleinskaligen Strömungsprozessen in gesättigten und ungesättigten Poren- und Kluftsystemen. Aufgrund der unzureichenden Prozessbeschreibung von ungesättigter Strömung in Doppelkontinuummodellen mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern werden innovative Methoden präsentiert um die zugrunde liegenden hochdynamischen Strömungs- und Transportprozesse zu erfassen. Die Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten geklüfteten Aquiferen bildet immer noch ein höchst anspruchsvolles Aufgabenfeld aufgrund von skalenübergreifenden Diskontinuitäten, welche oftmals die Definition eines globalen repräsentativen Einheitsvolumens nicht zulassen. Des Weiteren können die hydraulischen Eigenschaften und potentiellen Parameterräume von geklüfteten Aquiferen oftmals nur durch integrale Ansätze, wie z.B. Pump- und Slugtests, Zeitreihenanalysen von Quellschüttungen und Tracertests ermittelt werden. Doppelkontinuummodelle bieten hierfür einen ausgewogenen Ansatz hinsichtlich der erforderlichen Felddaten und der resultierenden prädiktiven Modellqualität. Der erste Teil dieser Arbeit evaluiert den Doppelkontinuumansatz, welcher die Simulation von Strömung mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern in zwei, durch einen linearen Austauschterm gekoppelten, Kontinua ermöglicht. Ganglinien von Karstquellen weisen eine charakteristischen steilen Abfall nach Niederschlagsereignissen auf, der durch das Modell erfolgreich reproduziert werden kann. Das Röhrensystem bildet die hydraulische Brücke zur Karstquelle und nimmt potentialabhängige Wassermengen des geklüfteten Matrixsystems auf. Um die Simulation von schneller Grundwasserinfiltration durch das Röhrenkontinuum innerhalb der ungesättigten Zone zu vermeiden wurde die entsprechende Randbedingung an die untere Grenze des Kontinuums gesetzt. Ein genereller Nachteil des Doppelkontinuumsansatz ist die potentielle Mehrdeutigkeit von Modellergebnissen. Der duale Parameterraum in Kombination mit schwierig zu ermittelnden Parametern, führt zur Existenz von mehr als einem kalibrierten Modell, wie durch mehrdimensionale Sensitivitätsanalysen aufgezeigt wird.  Insbesondere in Karstaquiferen bilden Diskontinuitäten, wie z.B. Lösungsdolinen, Klüfte und Störungssysteme, bevorzugte hydraulische Elemente für schnelle vertikale Grundwasserneubildungsprozesse, die oftmals nicht durch volumeneffektive Modellansätze erfasst werden können. Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung von zwei Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Modellen um ein adäquates numerisches Werkzeug zur partikelbasierenden Simulation von kleinskaligen Strömungen mit freien Oberflächen und Transportprozessen bereitzustellen. SPH Modelle ermöglichen eine Eulersche Beschreibung eines Strömungsfelds auf Basis der Navier-Stokes Gleichung und Partikelbewegung mittels klassischer Newtonscher Mechanik. Der gitterlose Modellansatz ermöglicht flexible Simulationen von hochdynamischen Phasengrenzen in ungesättigten Klüften und Porenräumen. Das erste SPH Modell wird eingesetzt um durch Oberflächenspannung dominierte Tropfen- und Filmströmungen auf glatten und rauhen Kluftoberflächen zu simulieren. Charakteristische dimensionslose Kennzahlen werden über einen weiten Bereich von Benetzungswinkeln und Reynoldszahlen bestimmt. Modellergebnisse weisen einen hervorragende Übereinstimmung mit dimensionslosen Skalierungsfunktionen auf und kritische Kontaktwinkel folgen der zu erwartenden Entnetzungsdynamik. Die Entstehung von adsorbierten Filmen auf trockenen Oberflächen wird für einen breiten Parameterraum bestimmt. Des Weiteren wird der Einfluss von befeuchteten Oberflächen auf die Geschwindigkeitszunahme von Tropfenströmung aufgezeigt und so die Bedeutung der Koexistenz verschiedener Strömungsmodi gezeigt. Der Effekt von Oberflächenrauhigkeit auf Tropfenströmung wird für verschiedene Rauhigkeiten ermittelt und eine deutliche Geschwindigkeitsabnahme demonstriert. Um die makroskopische Kontinuumsbeschreibung der Navier-Stokes Gleichung und atomistische Effekte eines klassischen Partikelsystems der statistischen Mechanik zu kombinieren wurde ein zweites mesoskopisches SPH Modell entwickelt. Diese neue Diskretisation der vollständig gekoppelten Landau-Lifshitz-Navier-Stokes und Advektions- Diffusionsgleichung ermöglicht die Simulation von Strömung und Transport bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Fluktuationsdynamiken, welche sich korrekt der Systemskala anpassen. Die Verbindung von klassischer Fickscher Diffusion und thermodynamischen Fluktuationen wird hierbei durch einen effektiven Diffusionskoeffizienten beschrieben. Numerische Experimente zeigen die Präzision des Modells. Grenzflächen zwischen zwei Fluiden unterschiedlicher Konzentration weisen eine korrekte Wellenzahldivergenz entsprechend aktuellen Laborergebnissen auf.de
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc910de
dc.subject.ddc550de
dc.titleFlow and transport in saturated and unsaturated fractured porous media: Development of particle-based modeling approachesde
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeSauter, Martin Prof. Dr.
dc.date.examination2014-06-23
dc.description.abstractengThe main objective of this thesis is the development of particle-based flow and transport models to assist in the characterization of small-scale flow features and provide insight into the complex flow and transport dynamics on core- and fracture scales. Based on the evaluation of the simulation of flow in a fractured karst aquifer using a double continuum model and the Richards equation to describe unsaturated flow, the fundamental weaknesses of the approach are identified and new innovative methods are presented to capture the underlying preferential flow and transport features. The simulation of flow and transport in unsaturated fractured aquifers is extremely challenging due to the multitude of scales involved in the description of geometrical features, which often restrict the definition of a global representative elementary volume. Furthermore the hydraulic characteristics of a fractured aquifer can often only be obtained from integral approaches such as pumping and slug tests, spring discharge analyses and tracer tests in order to constrain the hydraulic parameter space. Double-continuum models provide a well-balanced approach in terms of the required field information and the resulting predictive modeling capacity. The first part of this thesis deals with the simulation of a fractured karst aquifer with a double-continuum model, where flow is governed by the Richards equation, van Genuchten parameters and inter-continua exchange is controlled by a linear exchange term. The steep recessions following a recharge event are the characteristic feature of karst springs and can be very well reproduced by the model. The secondary conduit continuum acts as the main connection to the spring and receives varying amounts of discharge from the fractured matrix system depending on the head difference. In order to avoid the simulation of rapid recharge through the unsaturated zone of the conduit continuum, the respective recharge boundary has been added to the bottom of the conduit continuum, essentially creating a bypass. A general drawback of the double-continuum approach has been the ambiguity of model results. The dualistic parameter space in combination with parameters that are difficult to determine, provokes the existence of several well calibrated systems, as demonstrated by extensive multidimensional sensitivity analyses. Especially in karst aquifers the vertical rapid recharge flow features, such as dissolution shafts and wide fractures or fault systems, contribute to the fastest components of the travel time spectrum and cannot be adequately represented by common volume effective modeling approaches, such as the Richards equation and van Genuchten relationships. Therefore the main part of the thesis is devoted to the development of two Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)codes to provide innovative numerical tools for the particle based simulation of small-scale free-surface flow and transport. SPH models rely on a Eulerian description of a flow field governed by the Navier-Stokes equation with particles moving according to classical Newton mechanics. The meshfree modeling approach allows a flexible treatment of the highly dynamic boundaries encountered on unsaturated fractures and porous media. A free-surface SPH model including the effect of surface tension has been employed to simulate droplet and film flow on smooth and rough fracture surfaces. A wide range of wetting conditions and Reynolds numbers is covered to obtain a set of characteristic dimensionless parameters. The model is shown to satisfy general scaling laws and dewetting dynamics governed by critical-state contact angle behavior. The generation of adsorbed films on initially dry surfaces is delineated and prewetted surfaces are shown to increase the velocities of droplets, thus highlighting the importance of co-existing flow modes. Several types of macroroughness are implemented to demonstrate the decline of droplet velocities compared to smooth surfaces. In order to bridge the gap between the macroscopic continuum description of the Navier-Stokes equation and the underlying atomistic effects described by statistical mechanics, a mesoscopic SPH model has been developed. This new discretization of the fully-coupled Landau-Lifshitz-Navier-Stokes and advection-diffusion equations allows to simulate advective flow and transport including the effects of fluctuating hydrodynamics which can dynamically adapt to the model scale. The combination of classical Fickian diffusion and thermodynamic fluctuations is described by an effective diffusion coefficient. Various numerical experiments show the accuracy of the model and wavenumber divergencies of interface concentration fields agree with recent laboratory experiments.de
dc.contributor.coRefereeTartakovsky, Alexandre Prof. Dr.
dc.contributor.thirdRefereeNeuweiler, Insa Prof. Dr.
dc.subject.gerUngesättigte Strömungde
dc.subject.gerPoröse geklüftete Mediende
dc.subject.gerSmoothed particle hydrodynamicsde
dc.subject.gerStrömungs- und Transportmodellierungde
dc.subject.gerLandau-Lifshitz-Navier-Stokes Gleichungde
dc.subject.gerDoppelkontinuumsmodellierungde
dc.subject.gerFreie Oberflächenströmung in Klüftende
dc.subject.engUnsaturated flowde
dc.subject.engPorous fractured mediade
dc.subject.engSmoothed particle hydrodynamicsde
dc.subject.engFlow and transport simulationde
dc.subject.engLandau-Lifshitz-Navier-Stokes equationde
dc.subject.engDouble-continuum modelingde
dc.subject.engFree surface fracture flowde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0023-9901-9-8
dc.affiliation.instituteFakultät für Geowissenschaften und Geographiede
dc.subject.gokfullHydrologie (PPN613605179)de
dc.identifier.ppn798381701


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