Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4972
Main Title: Entwicklung von Modellkonzepten für die Simulation von Zweiphasenströmungen in makroporösen Böden
Translated Title: Development of model concepts for simulating two-phase flow in macro-porous soils
Author(s): Stadler, Leopold
Referee(s): Hinkelmann, Reinhard
Helmig, Rainer
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die Strömungsprozesse in makroporösen Böden spielen für viele wissenschaftliche und technische Fragestellungen eine große Rolle. In der Arbeit werden zwei verschiedene Modellkonzepte zur Simulation von Zweiphasenströmungen (Wasser/Luft) in makroporösen Böden präsentiert und ihre numerische und softwaretechnische Umsetzung erläutert. Um die Entwicklungszeit zu verkürzen, wurde ein Teil der Software zunächst in Python umgesetzt und mittels Embedded Python an die bestehende Software angebunden. Für die Kopplung unterschiedlicher Programme wurde zusätzlich XML-RPC verwendet. Das erste Modellkonzept (Kaskadenmodell) erlaubt es, die Strömung und den Austausch von Wasser und Bodenluft zwischen einer einzelnen Makropore und der sie umgebenden Bodenmatrix zu simulieren. Das Modellkonzept wurde mit Hilfe vorhandener experimenteller Daten überprüft und die Austauschflüsse zwischen Matrix und Makroporen wurden untersucht. Die Bestimmung der für die Simulation notwendigen bodenhydraulischen Parameter erfolgte mit Hilfe von Optimierungsverfahren. Das zweite Modellkonzept stellt eine Erweiterung der weit verbreiteten Dual- Permeability-Modelle auf Basis der Richards-Gleichung dar. Bei diesen Modellen wird der Boden in zwei Kontinua, Matrix und Makroporen, aufgeteilt. Die Strömung in beiden Kontinua wird mit Hilfe separater Bilanzgleichungen beschrieben. Der Wasseraustausch zwischen Matrix und Makroporen wird mit Hilfe eines Austauschterms berechnet. Die vorgestellte Erweiterung für Zweiphasenströmungen kann analog zu den bereits etablierten Zweiphasenmodellen für Kluftsysteme gesehen werden. Die Erweiterung erlaubt es, neben der Wasserphase zusätzlich die Strömung und den Austausch der Gasphase zu simulieren. In der Arbeit wird anhand einfacher Testfälle ein Vergleich zwischen beiden Ansätzen durchgeführt. Dabei wird deutlich, dass die Vernachlässigung der Gasphase bei den Richards-Gleichungen gravierende Auswirkungen auf die Ausbreitung und Strömung der Wasserphase haben kann. Für die untersuchten Fälle treten vor allem dann Unterschiede auf, wenn die Bodenluft innerhalb der Matrix eingeschlossen wird und der Austausch über die Makroporenoberfläche gehemmt ist. Um die Anwendbarkeit des Zweiphasenansatzes zu demonstrieren, wurde das Modellkonzept an einem Berghang untersucht. Die Wasserinfiltration und Exfiltration wurden über speziell entwickelte dynamische Randbedingungen abgebildet. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass der Wassertransport innerhalb des Hangs hauptsächlich über die Makroporen stattfindet. Die Bodenmatrix fungiert im betrachteten System als eine Art Speicher. Bei den Studien wurde jedoch auch deutlich, dass für langfristige Simulationen die Evapotranspiration zu berücksichtigen ist.
Simulating the flow of water and soil air in macroporous soils is important for many technical and scientific problems. In this thesis, two different modelling concepts for simulating two-phase flow (water/gas) in macroporous soils are presented and their underlying numerical methods and implementation are discussed. Python and Embedded Python were used to allow rapid software development and extension of existing simulation programs. Further, an interface (XML-RPC) for the coupling of different computer programs is presented. The first modelling concept allows to simulate the flow in a single macropore and the surrounding soil matrix and the water and gas transfer between the matrix and the macropore. Numerical results are compared with existing measurements and the fluxes between the macropore and the matrix are analyzed. Mathematical optimization was applied for finding reasonable soil hydraulic parameters. The second modelling concept is an extension of the widely used Richards dualpermeability model. For such models, the soil is divided into a matrix and macropore continuum. The flow in both continua is described with separate balance equations. Transfer terms are used to compute the mass exchange between the matrix and macropores. While the classical Richards dualpermeability models only allows the simulation of water flow, the presented twophase dual-permeability model also considers the soil air. Similar model concepts exist for fractured rocks. The presented studies show that the soil air can have a strong influence on the flow and infiltration of water. Hence Richards dualpermeability models may fail to properly describe the flow of water. Differences between the Richards model and the two-phase flow model were mainly observed when the soil air was trapped inside the matrix and the transfer between matrix and macropores was hindered by the macropore surface. The application range of the new two-phase dual-permeability model was tested by simulating the flow processes in a macroporous hill slope. Special dynamic boundary conditions were developed to simulate the infiltration and exfiltration of water. Water flow occurred mainly in the macropores, the matrix acted as a storage volume. From the studies it was concluded that evapotranspiration should be taken into account for long term simulations.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5284
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4972
Exam Date: 4-May-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 2-Feb-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
Subject(s): numerische Simulation
Makroporen
Zweiphasenströmung
Infiltration
numerical simulation
macropores
two-phase flow
infiltration
dual-permeability model
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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