A phenomenological model for the numerical simulation of multiphase multicomponent processes considering structural alterations of porous media

Abstract

In this thesis, a conceptual model is developed and implemented in a numerical model that is capable of modelling flow and transport processes considering structural alterations of the porous medium phenomenologically. Thus, the model bridges the gap between pure flow and transport models on the one hand and structural mechanics models on the other hand. The flow and transport model is a non-isothermal two-phase two-component model including advection and convection, diffusion, thermal conduction, vaporisation and condensation as well as dissolution and degassing. The structural alterations are accounted for phenomenologically by constitutive relations describing the impact of the structural alterations on the flow and transport behaviour. The following effects of the structural alterations are considered: immobilisation and mobilisation of water in the soil matrix, change in total volume and porosity as well as the impact the changes in total volume and porosity have on the hydraulically relevant processes. Based on a model-intercomparison study, it could be shown that the model can reproduce the flow and transport processes in a swelling soil and that the correct parameters can be determined by inverse modelling.

Strömungs- und Transportprozesse in schwellenden / schrumpfenden Böden, wie sie zum Beispiel in tonhaltigen Deponiebasisabdichtungen auftreten, werden maßgeblich von den Strukturveränderungen des porösen Mediums beeinflusst. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Modellkonzept entwickelt und in einem numerischen Modell implementiert, das sowohl Mehrphasenströmungs- und -transportprozesse in porösen Medien als auch Strukturveränderungen des porösen Mediums umfasst. Dabei handelt es sich um ein nichtisothermes Zweiphasen-Zweikomponenten-Model, das die Strömungs- und Transportprozesse Advektion und Konvektion, Diffusion, Wärmeleitung, Verdunstung und Kondensation der Flüssigphase sowie Lösung und Entgasung der Gasphase einbezieht. Die Strukturveränderungen, deren Auswirkungen auf das Strömungs- und Transportverhalten phänomenologisch mittels konstitutiver Beziehungen berücksichtigt werden, sind Immobilisierung und Mobilisierung von Wasser in der Bodenmatrix, Änderung des Gesamtvolumens und der Porosität sowie deren Einfluss auf die hydraulisch relevanten Prozesse. Zur Validierung des Modells wird eine Modellvergleichsstudie durchgeführt, die zeigt, dass erstens das Modell geeignet ist, die Strömungs- und Transportprozesse in schwellenden Böden zu simulieren, und zweitens alle dafür benötigten Parameter mittels inverser Modellierung korrekt bestimmt werden können.