Modellierung von Porenraumgeometrien und Transport in korngestützten porösen Medien

Abstract

Poröse Medien spielen in der Hydrosphäre eine wesentliche Rolle bei der Strömung und beim Transport von Stoffen. In diesem Raum finden komplexe Prozesse statt: Advektion, Kon-vektion, Diffusion, hydromechanische Dispersion, Sorption, Komplexierung, Ionenaustausch und Abbau. Die strömungsmechanischen- und die Transportverhältnisse in porösen Medien werden direkt durch die Geometrie des Porenraumes selbst und durch die Eigenschaften der transportierten (oder strömenden) Medien bestimmt. In der Praxis wird eine Vielzahl von empirischen Modellen verwendet, die die Eigenschaften des porösen Mediums in repräsentativen Elementarvolumen wiedergeben. Die Ermittlung der in empirischen Modellen verwendeten Materialparameter erfolgt über Labor- oder Feldbestimmungsmethoden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Computer-modell PoreFlow entwickelt, welches die hydraulischen Eigenschaften eines korngestützten porösen Mediums aus der mikroskopischen Modellierung des Fluidflusses und Transportes ableitet. Das poröse Modellmedium wird durch ein dreidimensionales Kugelpackungsmodell, zusam-mengesetzt aus einer beliebigen Kornverteilung, dargestellt. Im Modellporenraum wird die Strömung eines Fluids basierend auf einer stationären Lösung der Navier-Stokes-Gleichung simuliert. Die Ergebnisse der Modellsimulationen an verschiedenen Modellmedien werden mit den Ergebnissen von Säulenversuchen verglichen. Es zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der Strömungs- und Transportparameter von der Porenraumgeometrie sowohl in den Modell-simulationen als auch in den Säulenexperimenten.

Modeling of transport phenomena is a major concern in subsurface aquatic environments. The main processes to be studied are advection, convection, diffusion, hydrodynamic dispersion, sorption, complexation, ion exchange and degradation. Groundwater flow and transport in porous media are linked directly to pore space geometry and fluid properties. In order to predict groundwater flow and subsequently contaminant transport and residence times, we need to parameterise the macroscopic properties of the porous media, e.g. hydraulic conductivity, dispersivity and porosity.In this thesis, the computermodell PoreFlow was developed. This model compute the effectiv hydraulic properties from the microscopic flow and transport through pore spaces. The pore space in PoreFlow will be represented as an 3D sphere-agglomeration modell with well defined variable sphere radius distribution. In the resulting pore space, the fluid flow will be simulate by solving the Navier-Stokes equation for incompressible fluids. The effectiv parameters for such media can be direct compute from the resulting data. The simulation results of various model media will be compare with results from flow- and tracer experiments in columns. The simulated and experimental data shows an highly dependense from variation of pore space geometries, resulting from different grain-size distributions.