Transverse mixing of stratified flows in porous media

Abstract

The paper describes a systematic experimental and numerical investigation which explores the transverse vertical mixing across an initially sharp density interface between water containing salt (or high contaminant concentration) and fresh water in a porous medium under nearly horizontal flow conditions. The transversal spreading tendency due to the pore matrix is decreasing with increasing density difference due to gravity action. For a sand of uniform grain size and for a sand with a pronounced grain size distribution, systematic experiments and numerical calculations have been carried out in order to quantify the effects of density differences upon the transverse dispersion coefficient. It was found that in a uniform sand the mixing characteristics are essentially unaffected, whereas the sand mixture exhibits a significant density effect. From an analysis, an approximate relationship for the dispersion coefficient has been derived. The results indicate that density effects on transverse dispersion may be even more pronounced in natural aquifers with smaller velocities and larger inhomogeneities.

Cette communication présente une recherche experiméntale et numérique méthodique qui porte sur les échanges transversaux à travers un interface très marqué entre une eau salée de forte densité (ou de haute concentration ·en contaminant) et une eau douce dans un milieu poreux soumis à un écoulement à peu près horizontal. Sous l'action des forces de gravité la dispersion transversale due á la matrice poreuse diminue lorsque le contraste de densité augmente. Afin de quantifier les effects du contraste de densité sur le coefficient de dispersion transversale, des expériences systématiques et des calculs numériques ont été effectués à partir d'un sable de granulométrie étendue. Il a été montré que, pour un sable de granulométrie uniforme, les échanges transversaux sont peu modifiés, alors que, dans le cas d'un mélange de plusieurs sables, ces échanges sent modifiés de façon significative. A l'aide d'une approche analytique, une équation appropriée pour le caltul du coefficient de dispersion transversale a étè établie. Les résultats indiquent que les effects du contraste de densité sur la dispersion transversale peuvent être encore plus prononcés dans un aquifére naturel avec des faibles vitesses d'écoulement et contenant des inhomogénéités de grandes tailles.