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Teilprojekt SP5

Characteristics of displacement fluid fronts - from rapid interfacial jumps to steady capillary flows

Das Eindringen eines Fluides in ein poröses Medium spielt sich als Abfolge von schnellen, sprunghaften Bewegungen von Grenzflächen auf der Porenskala ab. Diese Grenzflächen zwischen zwei Fluiden können für einige Zeit stationär sein, bis der Eindring-Widerstand an einer engen Stelle überwunden wird und sich die Grenzflächen in Folge von Druck- und Kraftausgleich neu anordnen. Diese diskreten 'Sprünge` können nicht durch die gängigen Theorien basierend auf der Richards-Gleichung und dem durch Buckingham verallgemeinerten Darcy-Gesetz auf der größeren Skala wiedergegeben werden. Um die Vorgänge an der Invasionsfront beschreiben zu können, werden wir daher alternative Modellkonzepte aus der Perkolationstheorie oder zur Beschreibung von Wasserfluss in Schäumen ('foam drainage equation`) anwenden. In Bereichen hinter der eindringenden Front kann sich das Fluid in Einklang mit der Richards-Gleichung entlang von stabilen Grenzflächen bewegen. Wir werden für verschiedene Prozesse und poröse Medien untersuchen, unter welchen Bedingungen die Richards-Gleichung versagt und charakteristische Zeiten und Längen als Schwellenwerte für die Gültigkeit der Richards-Gleichung definieren. Wir bestimmen diese Schwellenwerte in Laborexperimenten mittels zeitlich hochauflösender Kamera und Neutronentransmissionsmessungen. Die aus diesen Experimenten und aus Modellvorhersagen abgeleiteten Schlussfolgerungen bezüglich der Fluid-Verlagerung testen wir mittels Gitter-Boltzmann Verfahren in Zusammenarbeit mit SP1. Unsere Ergebnisse stellen wir den Teilprojekten SP6 und SP7 zur Verfügung, um die Übertragung unserer Erkenntnisse auf einer größeren Skala zu testen. Die Resultate zu Verdunstungsexperimenten werden zudem in den Teilprojekten SP1 und SP2 verwendet, um Modellansätze zur Beschreibung der Kopplung zwischen Atmosphäre und porösen Medien zu prüfen.

 

Institution:

ETH Zürich

Institut für Umweltwissenschaften

Projektleiter:

Prof. Dr. Dani Or

Webseite:

www.step.ethz.ch