Modeling and analysis of coupled porous-medium and free flow with application to evaporation processes

Abstract

Exchange processes between fluid-filled porous media and an adjacent free flow occur in a wide range of natural and technical systems. In the course of these processes, the flow dynamics in the porous domain and in the free flow exhibit a strong interdependency, which is often controlled by mechanisms at the common interface. Understanding and modeling these interactions is decisive for divers technical, medical and environmental applications. Prominent technical examples are the drying of products such as food, concrete or clothes. Further technical examples comprise landmine detection, industrial filtration processes, and the flow and transport processes in proton exchange membrane fuel cells (PEM-FC). A possible medical application is the exchange and transport of substances like therapeutic agents between blood vessels and tissue in the human body.

Evaporation from natural soils as an environmental example is an extremely important process, since it constitutes a dominant part of the terrestrial water and energy balance and is actively involved in a variety of climatic processes. On the one hand, evaporation processes are decisively influenced by the prevailing ambient conditions, such as flow velocity, temperature and air humidity, and, on the other hand, by the porous-medium system with its fluid and solid properties and flow dynamics. A good understanding of the ongoing processes and elaborate modeling tools are crucial for climate modeling and water resources management, particularly in arid regions. The main focus of this thesis is on this environmental application: the modeling and analysis of evaporation processes from porous media like bare soils or sands which are exposed to an adjacent free flow.

The objectives of this study are on one hand the development of a detailed coupled model which allows the simulation of a two-phase porous-medium system in conjunction with a single-phase free flow, and on the other hand to conduct a comprehensive analysis of the relevant processes for the mass, momentum and energy transfer of the two flow compartments. A major goal is to advance the development of an elaborate model for evaporation processes from porous media on the REV scale. This model has to take the mutual influence of the two flow compartments and the processes occurring at the common interface into account to allow for a detailed analysis of the influencing quantities. Theoretical and experimental evidence suggests that the interface between free flow and porous medium plays a crucial role for modeling evaporation processes on the REV scale.

Austauschprozesse zwischen fluidgefüllten porösen Medien und einer angrenzenden freien Fluidströmung treten in einer Vielzahl von natürlichen und technischen Systemen auf. Dabei weisen die Strömungs- und Transportprozesse im porösen Gebiet und in der freien Strömung eine starke Abhängigkeit voneinander auf, welche oft maßgeblich durch Mechanismen am gemeinsamen Interface gesteuert wird. Das Verständnis und die Modellierbarkeit der Interaktionen dieser zwei Fließkompartimente ist für verschiedene technische, medizinische und ökologische Anwendungen von großer Bedeutung. Beispiele hierfür finden sich unter anderem im industriellen Bereich, beispielsweise bei der Trocknung von Produkten wie Lebensmittel, Beton oder Kleidung, bei der Detektion von Landminen, bei industriellen Filtrationsprozessen und bei den Strömungs- und Transportvorgängen in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle. Ein Beispiel aus dem medizinischen Bereich ist der Austausch und Transport von Substanzen zwischen Blutbahn und Gewebe.

Die Verdunstung aus natürlichen Böden als ökologisches Beispiel ist ein überaus wichtiger Prozess, weil er einen großen Teil des terrestrischen Wasser- und Energiekreislaufs ausmachtund aktiv an einer Vielzahl von klimatischen Prozessen beteiligt ist. Verdunstungsprozesse sind einerseits durch die vorherrschenden Umgebungsbedingungen wie Windgeschwindigkeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflusst, und andererseits durch das poröse Medium mit seinen Fluid- und Feststoffeigenschaften und der Fließdynamik innerhalb des porösen Mediums und am Interface zur Umgebung. Ein gutes Verständnis der ablaufenden Prozesse und geeignete Modellierungswerkzeuge sind wichtig für die Klimamodellierung und für das Wassermanagement, speziell in ariden Gebieten. Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt auf einer Anwendung aus dem Umweltbereich, nämlich der Modellierung und Analyse von Verdunstungsprozessen aus porösen Medien wie zum Beispiel kahle Böden oder Sande, welche einer angrenzenden freien Strömung ausgesetzt sind. Verdunstungsprozesse weisen eine Vielzahl von komplexen Transportmechanismen und physikalischen und thermodynamischen Wechselwirkungen auf. Trotz der Bedeutung dieser Prozesse für zahlreiche natürliche und technische Anwendungen bleibt die Quantifizierung der Austauschflüsse von Masse, Impuls und Energie über das Interface zwischen dem porösen Medium und der freien Strömung eine Herausforderung.

Ziele dieser Doktorarbeit sind die Entwicklung eines detaillierten, gekoppelten Modells welches es ermöglicht, ein Gesamtsystem bestehend aus einem porösen Medium mit zwei Fluidphasen in Verbindung mit einer einphasigen freien Strömung zu simulieren, und eine umfangreiche Analyse der relevanten Prozesse für den Massen-, Impuls- und Energieaustausch der beiden Kompartimente. Dabei ist ein Hauptaugenmerk auf der Entwicklung eines komplexen Modells für die detaillierte Beschreibung von Verdunstungsprozessen aus porösen Medien auf der REV Skala. Dieses Modell soll die wechselseitigen Einflüsse der beiden Fließkompartimente und die Prozesse, die am gemeinsamen Interface auftreten, berücksichtigen und wird für eine umfangreiche Analyse der Einflussgrößen verwendet. Theoretische und experimentelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass das Interface zwischen freier Strömung und porösem Medium eine entscheidende Rolle bei der Modellierung von Verdunstungsprozessen auf der REV Skala spielt.