Präferenzielle Strömung im weak inertia Regime, visualisiert durch Mikro-PIV und Magnetresonanz-Geschwindigkeits-Bildgebung

Description: Unser grundlegendes Verständnis über die Entwicklung physikalischer Prozesse, die während der ein- und mehrphasigen Strömung in zerklüfteten porösen Medien ablaufen, ist für die Wissenschaft von großer Bedeutung. Im Hinblick auf die praktischen Auswirkungen bedeutet es verbesserte Anwendungen in den Bereichen unterirdischer Hydrologie, Geophysik, Reservoir Engineering und Biomechanik. Während niedrige Geschwindigkeiten im Bereich von Kriechströmungen am besten durch die Darcy-Gleichung beschrieben werden, muss man für deutlich höhere Geschwindigkeiten Terme höherer Ordnung zusätzlich berücksichtigen, wie von Forchheimer vorgeschlagen. Es gibt eine große Anzahl von Arbeiten über das reine Kriechströmungs- und das rein turbulente Strömungsregime, aber nicht für den Bereich dazwischen, d.h. für das „weak-inertia“ Regime. In Anbetracht dieses Mangels an experimentellen Beweisen wollen wir genau für diesen Bereich Fließfelder in Systemen zunehmender Komplexität von 2D bis 3D räumlich hochaufgelöst abbilden. Zunächst untersuchen wir 2D-Micromodelle mit einem einzelnen Kanal, einer sich wiederholenden Kanal-Poren-Einheit und einem 2D-Riß mit rauen Porenoberflächen. Diese Micromodelle erlauben die Kombination der 2D Mikro-Partikel-Imaging-Velocimetry (micro-PIV) mit 3D flusssensitiver Magnetresonanztomographie (MRT). Um die Auflösungen beider Methoden anzupassen, werden mit der MRT auch ortsaufgelöste Propagatoren bestimmt, die eine Auflösung der Geschwindigkeitsfelder innerhalb eines Voxels erlauben. Sie dienen dann als Proxys für Geschwindigkeitsfelder und können auf 3D- und undurchsichtige Systeme angewendet werden. In einem zweiten Schritt untersuchen wir das erste 3D-System, einen homogenen porösen Glaszylinder. Bei kleinen Geschwindigkeiten erwartet man „bulk“-Effekte durch alle Poren im Sinne der Darcy-Beziehung. Steigen die Reynoldszahlen an, bilden sich immer größere Strömungsschatten kombiniert mit gestreckten Fließpfaden aus. Die bisher gewonnenen Erkenntnisse werden nun im 2. Hauptteil des Projekts für die Untersuchung von Bohrkernen mit Rissen genutzt. Um die Strömung zu untersuchen, wird ein natürlicher Gesteinskern vertikal gefrackt, eine Technik, die an der Universität Stuttgart nun zur Verfügung steht. In Bezug auf die MRT wird die Verwendung einer multi-slice Pulssequenz mit bipolaren Gradientenpaaren notwendig. Der Unterschied zu den bisher untersuchten Modellsystemen besteht darin, dass die Strömung durch Wasseraustausch zwischen Porensystem und Riß kontrolliert wird. Es ist daher zu erwarten, daß sich beim Übergang vom Darcy- zum „weak-inertia“ Regime präferentielle Fließmuster neben stationären Bereichen entwickeln. Diese experimentell gewonnenen 3D-Fließfelder stehen dann zur Verfügung, um theoretische Ansätze wie die Forchheimer-Relation auf ihre Gültigkeit und ihre Grenzen zu prüfen und weiter zu entwickeln.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Main ? Stuttgart ? Lack ? Hydrogeologie ? Bohrkern ? Evolution ? Geophysik ? Hydrochemie ? Limnologie ? Siedlungswasserwirtschaft ? Strömungsmechanik ? Hydrologie ? Physikalischer Vorgang ? Integrated Water Resources Management ? Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ? Mechanics ? Mechanik ? Urban Water Management ? Water Chemistry ?

Region: Baden-Württemberg

Bounding boxes: 9° .. 9° x 48.5° .. 48.5°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Bio-und Geowissenschaften (IBG), IBG-3 Agrosphäre (Mitwirkung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Universität Stuttgart, Institut für Mechanik (Bauwesen), Lehrstuhl II (Kontinuumsmechanik) (Projektverantwortung)
• Universität Stuttgart, Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung (Projektverantwortung)
• Victoria University of Wellington, School of Chemical and Physical Sciences (Mitwirkung)

Time ranges: 2023-01-01 - 2025-08-19

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Flow in porous media in the weak inertia regime visualized by µ-PIV and MRI velocimetry
  Description: Our fundamental understanding of the evolution of the physical processes taking place during single- and multi-phase flow in fractured porous media is of elevated importance for the scientific community. In terms of real-life implications, a thorough understanding of such processes will enhance our applications inventory in the fields of subsurface hydrology, geophysics, reservoir engineering, and biomechanics. While low flow velocities in the creeping flow regime are best described by Darcy´s relation, additional terms of higher order must be considered for significantly increased velocities as proposed by Forchheimer. There has been a waste number of works for the purely creeping flow regime and the purely turbulent one, but not in between, and more specifically in the weak inertia regime, i.e. the transition between the two extremes. Given this lack of experimental evidence, we aim to map flow fields in the weak inertia regime in systems of increasing complexity from 2D to 3D at high spatial resolution. First, we investigate 2D micromodels with a single channel, a repeating channel-pore unit, and a 2D model fracture with rough pore surfaces. These systems allow the combination of 2D micro-particle imaging velocimetry (micro-PIV) with 3D flow-sensitive magnetic resonance imaging (MRI). To match the resolutions of both methods, MRI is also used to determine spatially resolved propagators that allow resolution of velocity fields within a voxel. They then serve as proxies for velocity fields and can be applied to 3D and opaque systems. In the second step, we investigate the first 3D system, a homogenous porous glass cylinder. At low velocities, one expects bulk effects through all pores in the sense of the Darcy relationship. As the Reynolds numbers increase, larger wake areas appear combined with stretched flow paths. The knowledge gained so far will now be used in the 2nd main part of the project for the investigation of fracked natural cores. To study flow, a natural rock core will be fractured vertically, a technique now available at the University of Stuttgart. With respect to MRI, this natural porous medium requires the use of a multi-slice bipolar gradient pair pulse sequence to minimize internal gradient effects. The difference to the model systems investigated so far is that the flow is controlled by water exchange between the pore system and the fracture. It is therefore to be expected that preferential flow patterns develop along with stationary areas with the transition from Darcy to weak inertia flow regime. These experimentally obtained 3D flow fields are then available to test and further develop theoretical approaches such as Forchheimer´s relation for their validity and limitations. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1138963

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/524644451 (Webseite)

Status

Aktiv

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