Description: Das Ziel dieses Antrags ist die Entwicklung eines partikel-basierenden skalenübergreifenden Modells zur Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten Klüften und angrenzender poröser Matrix. Die Beschreibung von Strömung- und Transportprozessen in ungesättigten geklüftet-porösen Medien stellt immer noch große Herausforderungen an die Wissenschaft, ist jedoch in vielen Anwendungsbereichen von großer Bedeutung wie z.B. im Zusammenhang mit der Quantifizierung der Infiltration durch mächtige ungesättigte Felsmaterialien (Endlagerforschung), mit der Prognose der Grundwasserneubildung durch geklüftete Festgesteine und Aquifervulnerabilität. Strömungs- und Transportprozesse in ungesättigten geklüfteten Grundwasserleitern werden häufig durch ihre heterogene Geometrie und hohen Kontraste in den hydraulischen Eigenschaften dominiert. Strömungen in ungesättigten Klüften sind aufgrund des komplexen Zusammenspiels von Gravitations-, Trägheitseffekten, Kapillarkräften, Oberflächenspannung, Benetzungsdynamiken und der hochvariablen Kluftgeometrie schwer zu prognostizieren. Laborexperimente und numerische Modelle sind häufig eine der wenigen Möglichkeiten die höchst nichtlinearen Strömungsprozesse und den Effekt der Wechselwirkung an komplexen Mehrphasengrenzflächen innerhalb der Klüfte zu erfassen. Insbesondere starke Deformationen der Grenzflächen können mit grid-basierenden Modellen nur unter hohem Aufwand umgesetzt werden. Eine einfachere Methode zur Simulation bieten jedoch partikel-basierte Methoden. Freie Oberflächen und Phasengrenzen bewegen sich hierbei mit den Partikeln, so dass keine komplexen front-tracking Algorithmen notwendig sind.In der Regel sind Kluftsysteme in eine poröse Matrix eingebettet, die in Modellierungsansätzen explizit erfasst werden muss. Die Kluft-Matrix Grenzfläche bildet somit eine wesentliche Schnittstelle zwischen der porösen Matrix, die als Hauptspeicher wirkt, und den Klüften, welche die dominierende hydraulische Verbindung durch die ungesättigte Zone bilden. Um die Verknüpfung dieser beiden Komponenten auf Prozessebene simulieren zu können sind skalenübergreifende Modellansätze notwendig. Im Rahmen des hier beantragten Vorhabens soll ein skalenübergreifendes Smoothed Particle Hydrodynamics Modell entwickelt werden. Die ungesättigte Strömung und der Transport innerhalb der porösen Matrix soll durch klassische Ansätze (Richards) abgebildet und mit den hochdynamischen Strömungs- und Transportprozessen (z.B. adsorbierte Filme, Tropfen, Rinnsäle) auf den Kluftoberflächen gekoppelt werden. Das Modell wird in ein einzigen numerisches Framework eingebunden, so dass Kopplungsmethoden vereinfacht und unterschiedliche Lösungsalgorithmen vermieden werden. Das Modell wird durch numerische Experimente und Laborexperimente validiert und eingesetzt um Effekte komplexer ungesättigter Kluftströmung auf Befeuchtungs- und Transportdynamiken an der Kluft-Matrix-Grenzfläche quantitativ und physikalisch basiert beschreiben zu können.
Types:
SupportProgram
Tags:
Grundwasserneubildung
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Ingenieurgeologie
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Adsorption
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Ungesättigte Zone
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Berechnungsverfahren
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Geologie
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Grundwasserleiter
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Hydrochemie
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Hydrogeologie
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Limnologie
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Management
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Mathematisches Modell
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Siedlungswasserwirtschaft
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Simulation
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Simulationsmodell
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Laborversuch
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Oberflächenspannung
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Festgestein
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Grenzschicht
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Hydrologie
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Partikel
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Versickerung
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Integrierte Wasser-Ressourcen Bewirtschaftung
?
Kapillarität
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Wechselwirkung
?
Region:
Niedersachsen
Niedersachsen
Bounding boxes:
6.3459138° .. 11.598118° x 51.295069299999994° .. 54.1378463°
6.34585436170082° .. 11.598078494585739° x 51.295231899260386° .. 54.137910176972056°
License: Creative Commons Namensnennung-keine Bearbeitung-Nichtkommerziell 4.0
Language: Deutsch
Organisations
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Battelle Pacific Northwest Laboratories (Mitwirkung)
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Deutsche Forschungsgemeinschaft (Finanzielle Förderung)
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Georg-August-Universität Göttingen, Geowissenschaftliches Zentrum, Abteilung Angewandte Geologie (Projektverantwortung)
-
Umweltbundesamt (Bereitstellung)
-
Universität Göttingen, Geowissenschaftliches Zentrum (Mitwirkung)
Last harvest: 17.09.2026 23:53
Time ranges:
2016-01-01 - 2026-09-29
Alternatives
-
Language: Englisch/English
Title: Multi-scale Smoothed Particle Hydrodynamics model for flow and transport in unsaturated fractured porous media
Description: The main goal of this proposal is the development of a particle-based multi-scale modelling tool to simulate flow and transport dynamics in unsaturated fractures embedded in a porous matrix. The characterization of flow and transport in unsaturated fractured porous media remains one of the most challenging problems in hydrogeology and is of importance for a wide range of applications, such as the quantification of infiltration through thick unsaturated zones of fractured media (nuclear waste repositories), prediction of groundwater recharge and aquifer vulnerability. Flow and transport dynamics in unsaturated fractured porous aquifers are often dominated by a strong heterogeneous geometry and large contrasts in hydraulic properties. Flow dynamics in fractures are difficult to describe quantitatively because of the complex interplay between gravitational, inertial and capillary forces, surface tension, wetting dynamics and the fracture geometry. Small-scale laboratory experiments and numerical models are commonly the only feasible way to capture the highly non-linear flow dynamics and complex interface movements. In particular, strong deforming interfaces pose a challenge to most grid-based modelling approaches, problems that can easily be solved by particle-based models, as particles simply move with the interfaces and/or free surfaces and do not require complex front-tracking schemes. In many cases fractures are embedded in a porous matrix, which does not behave as an impervious medium. The matrix-fracture interface therefore forms an essential connection between the porous matrix, which provides the main storage and the fractures, that acts as the dominating hydraulic pathway through the vadose zone. To model the coupling between these two elements and to simulate the potential feedback mechanisms at the process scale, appropriate modelling approaches are required to reproduce the scale-dependent flow and transport processes. In terms of model discretization it is not feasible to resolve the pore-space and fracture geometry in detail using a single modelling approach as pore throat and fracture apertures are several orders of magnitude apart. Therefore we propose the development of an adapted multi-scale Smoothed Particle Hydrodynamics code. Flow and transport within the porous matrix will be simulated via classical approaches for unsaturated flow such as the Richards equation, which shall be coupled to the discrete free-surface flow dynamics (e.g. adsorbed films, droplets, rivulets) in the fracture. The fully-coupled model will be embedded in a single numerical framework and thus does not require the management of a complex combination of solver routines and coupling methods. The model will be validated by laboratory and numerical experiments and employed to study the effects of the complex free-surface flows and the wetting and transport dynamics at the matrix-fracture interface.
URL: https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1083818
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