Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2133
Main Title: Application of Different Model Concepts for Simulation of Two-Phase Flow Processes in Porous Media with Fault Zones
Translated Title: Anwendung unterschiedlicher Modelkonzepte zur Zweiphasenströmungssimulationen in porösen Medien mit Störungszonen
Author(s): Pham Van, Song
Advisor(s): Hinkelmann, Reinhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung von Zweiphasenströmungen der Phasen Wasser und Gas in porösen Medien mit Störungszonen, wobei Klüfte und Makroporen berücksichtigt werden. Die Zielstellung der Arbeit besteht aus der Anwendung und dem Vergleich unterschiedlicher Modellkonzepte, um auf der einen Seite das Prozessverständnis zu verbessern und um auf der anderen Seite die Möglichkeiten und Grenzen der verwendeten Modellkonzepte sowie das Potential von Zweiphasenströmungssimulationen in porösen Medien mit Störungszonen aufzuzeigen. Es werden hier drei unterschiedliche Modellkonzepte untersucht: 2D–Kluft-Modellkonzept, 1D-Kluft-Modellkonzept und Kluft mit Rohrströmungsmodellkonzept. Im Allgemeinen hängt die Wahl des Modellkonzepts stark von den Eigenschaften des Systems und der Problemstellung ab, beispielsweise von den zu berücksichtigenden Skalenbandbreiten. Daher wurden Untersuchungen auf unterschiedlichen Skalen (kleine Skala (<1m), Laborskala (1-10m) und kleine Feldskala (10-100m)) durchgeführt. Im ersten Anwendungsbeispiel werden Wasserinfiltrationsprozesse in einer vertikalen Kluft auf einer kleinen Skala analysiert. Die numerischen Simulationen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem 2D- und dem 1D-Kluft-Modellkonzept. Das Rohrströmungsmodellkonzept ist in diesem Fall nicht geeignet. Das zweite Anwendungsbeispiel befasst sich mit der Durchsickerung von Deichen auf der Laborskala, wobei eine horizontale Störungszone jeweils an verschiedenen Stellen land- und seeseits angeordnet wurde. Die numerischen Untersuchungen wurden mit Laborexperimenten verglichen. In diesen Untersuchungen konnten gute Übereinstimmungen zwischen den numerischen Berechnungen mit dem 2D- und 1DKluft- Modellkonzept sowie mit den Experimenten erzielt werden. Das Rohrströmungsmodellkonzept führt zu einer Überschätzung der Durchsickerung, so dass dieses Modellkonzept nicht weiter empfohlen wird. Im letzten Anwendungsbeispiel wird ein idealisierter Ausschnitt eines natürlichen Hanges aus den Vorarlberger Alpen auf der kleinen Feldskala betrachtet. Die Ergebnisse belegen den großen Einfluss der preferentiellen Strömungen in Makroporen auf die Wasserinfiltration am Hang. Aufgrund der Makroporen wird die Infiltration stark beschleunigt, jedoch ist der maximale Wasserdruck im System etwas kleiner. Der schnelle Anstieg des Wasserdrucks in den unteren Bereichen geschichteter Hänge hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Stabilität solcher Hänge. Die numerischen Ergebnisse sind in prinzipieller Übereinstimmung mit Beobachtungen aus dem Feld. Auswirkungen von kleinskaligen Heterogenitäten auf die Simulationsergebnisse werden mit geostatistisch generierten Permeabilitätsfeldern abgeschätzt. Vergleichende Studien zu unterschiedlichen Korrelationen, Varianzen und Anisotropien zeigen teilweise große und teilweise kaum Einflüsse der kleinskaligen Heterogenitäten auf die Sättigungs- und Druckverteilungen im Hang
This dissertation focuses on the modeling of two-phase flow processes including the water and gas phase in porous media with fault zones which consist of fractures or macropores. The aim of the thesis is to make applications and comparisons of different model concepts in order to improve the process understanding and to reveal possibilities and limitations of the different approaches as well as to provide knowledge related to the potential for investigations of two-phase flow modeling in porous media with fault zones. Here, three different model concepts were investigated: 2D fracture model concept, 1D fracture model concept and fracture with pipe model concept. Generally, the choice of model concept is strongly depending on the characteristics of the problems being considered, for example, the scales of the problem. The modeling of two-phase flow processes in porous media with fault zones has been applied to domains with different scales (small scale (<1m), laboratory scale (1-10m) and small field scale (10-100m)). The first application is carried out in a small scale domain. Water infiltration processes in a single vertical fracture are analyzed. The numerical simulation results show an overall very good agreement between two model concepts: 2D fracture model concept and 1D fracture model concept. The pipe model concept is not suitable in this case. The second application is carried in a laboratory scale domain. Seepage processes through a dike are investigated for systems with one horizontal fault zone on different locations ont the land or sea side. To check the model concepts, experiments from the laboratory were compared to the numerical simulations. The 2D fracture model concept and 1D fracture model concept are suitable for numerical model in this case, as a good agreement between the experimental and numerical results was obtained. However, the results show an over-estimation of the seepage processes for the pipe model concept. Therefore, this model concept is not further recommended. The last application is carried out in a small field scale domain. A slope which is idealized from a natural hillslope in Vorarlberg Alps is chosen as a case study for the simulation. The results show considerable influences of the preferential flow in macropores on the water infiltration processes in the slope. Due to the property of macropores, the infiltration is strongly speeded up. However, the maximum water pressure in the system is somewhat smaller due to the macropores. The fast pressure increase in lower parts of a layered hillslope is one main factor influencing the slope stability. The numerical results are in principal agreement with observations in the field. For investigation the influences of small-scale heterogeneities, geostatistical methods are used to generate permeability fields. Comparative studies have been carried out and analyzed for cases with different parameters like correlation lengths, variances, and anisotropies. The simulation results illustrate a more or less strong influence of smallscale heterogeneities on the saturation and pressure
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-22042
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2430
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2133
Exam Date: 9-Feb-2009
Issue Date: 6-Apr-2009
Date Available: 6-Apr-2009
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Durksickerung von Deichen
Geostatistische Methode
Kluftmodellkonzepte
Makroporöse Medien
Zweiphasenströmungen in porösen Medien
Fracture model concepts
Geostatistical methods
Macroporous media
Seepage through dikes
Two-phase flow in porous media
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