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Autor(en): Niessner, Jennifer
Titel: The role of interfacial areas in two-phase flow in porous media : bridging scales and coupling models
Sonstige Titel: Die Rolle von Grenzflächen bei Zweiphasenströmung in porösen Medien : Überbrückung von Skalen und Kopplung von Modellen
Erscheinungsdatum: 2010
Dokumentart: Habilitation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-63055
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/381
http://dx.doi.org/10.18419/opus-364
Zusammenfassung: This habilitation deals with a thermodynamically consistent modeling of two-phase flow in porous media which is extremely relevant for the understanding, the prediction, and optimization of the processes in many environmental, technical, and biological systems. Among these are the storage of carbon dioxide in the subsurface, methane migration from abandoned coal mines, the migration of radioactive gases from nuclear waste disposal sites (environmental systems), the processes in fuel cells and heat exchangers (technical systems) or the interaction between blood vessels and interstitial space (biological systems) which is very important for cancer therapy. The presented thermodynamically consistent model of two-phase flow in porous media is the first to numerically account for the extremely important role of phase-interfacial areas. This is put into practice through use of a rational thermodynamics approach by Hassanizadeh and Gray [1990] which not only includes interfaces as parameter in the equations, but additionally as entities allowing the formulation of conservation equations for interfaces. To be exact, conservation equations of mass, momentum, energy, and entropy are formulated on the pore scale for phases and interfaces and volume-averaged to the macro scale. The entropy productions of the entropy conservation equations are used to formulate the second law of thermodynamics. A speciality of the approach is the fact that thus, constitutive relationships do not need to be empirically formulated, but can be obtained by exploiting the residual entropy inequality. The aim of this work is to make the thermodynamically consistent and physically-based model accessible to numerical modeling allowing to represent effects which could otherwise not (or only using completely empirical approaches) be described. Among these are capillary hysteresis as well as the kinetics of mass and energy transfer between phases as these transfer processes take place across interfaces and thus, are highly dependent on them. Based on indicators and dimensionless quantities, the integration of the interfacial-area-based model into a multi-scale multi-physics framework is shown. This allows for the solution of the physically-based and thermodynamically consistent model whenever this is necessary and the solution of the empirical, but less costly, classical model wherever and whenever the physical situation allows. With such an approach, computing times and the amount of data needed can be drastically reduced.
Meine Habilitation beschäftigt sich mit einer thermodynamisch konsistenten Modellierung von Zweiphasenströmung in porösen Medien, die für das Verständnis, die Vorhersage und Optimierung der Prozesse in vielen umweltbezogenen, technischen und biologischen Systemen extrem relevant ist. Hierzu gehören die CO2-Speicherung im Untergrund, die Methanmigration aus stillgelegten Kohlebergwerken, die Migration radioaktiver Gase aus nuklearen Endlagern (umwelttechnische Systeme), die Vorgänge in Brennstoffzellen und Wärmetauschern (technische Systeme) oder die für die Krebstherapie wichtige Interaktion zwischen Blutgefäßen und Interstitium (biologische Systeme). Bei der präsentierten thermodynamisch konsistenten Modellierung von Zweiphasenströmung in porösen Medien wird erstmals in numerischen Modellen und Simulationen der äußerst wichtigen Rolle von Phasengrenzflächen Rechnung getragen. Dies wird durch Verwendung eines auf rationaler Thermodynamik basierenden Ansatzes von Hassanizadeh und Gray [1990] umgesetzt, bei dem die Grenzflächen nicht nur als Parameter in den Gleichungen auftreten, sondern auch als zusätzliche Entitäten, so dass die Formulierung von Erhaltungsgleichungen für Grenzflächen möglich ist. Genau gesagt werden Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls, Energie und Entropie für Phasen und Grenzflächen auf der Porenskala formuliert und durch Volumenmittelung auf die Makroskala übertragen. Die Entropieproduktionen der Entropiebilanzgleichungen werden verwendet, um den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu formulieren. Eine Besonderheit am verwendeten Ansatz ist, dass Konstitutivbeziehungen nicht empirisch formuliert werden müssen, sondern durch Auswertung der residuellen Entropieungleichung erhalten werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, dieses thermodynamisch konsistente und physikalisch basierte Modell der numerischen Modellierung zugänglich zu machen, um damit Effekte abzubilden, die sonst nicht oder nur unter Verwendung komplett empirischer Ansätze beschrieben werden können. Hierzu gehören Kapillardruckhysterese sowie die Kinetik von Massen- und Energietransfer zwischen den Phasen, da diese Transferprozesse über die Grenzflächen hinweg stattfinden und somit sehr stark von diesen abhängen. Basierend auf Indikatoren und dimensionslosen Größen wird die Einbindung des grenzflächenbasierten Modells in eine multi-scale-multi-physics-Umgebung gezeigt. Dies erlaubt dies die Lösung des physikalisch basierten thermodynamisch konsistenten Modells, wo und wann dies erforderlich ist und die Lösung des empirischeren, aber weniger aufwändigen, klassischen Modells, wo und wann die physikalischen Gegebenheiten dies erlauben. Mit solch einem Ansatz lassen sich Rechenzeiten und die zu erhebende Datenmenge drastisch reduzieren.
Enthalten in den Sammlungen:02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften

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