Partielle Umkehrbarkeit der Dispersion in heterogenen porösen Medien

Description: Beim Stofftransport in heterogenen porösen Medien unterscheidet sich die Spreizung einer Stoffwolke, die ihre zunehmende Ungleichförmigkeit misst, von der Mischung, die den Stoffaustausch der Wolke mit ihrer Umgebung quantifiziert. Der erste Prozess geht dem zweiten voraus, aber nur der zweite ermöglicht durchmischungskontrollierte Reaktionen. Es fehlen Theorien, die sowohl die großskalige nicht-Ficksche Spreizung als auch die Mischung gut beschreiben. Die bestehenden Theorien geben auch keine praktischen Hinweise, welche großskaligen konservativen Transportexperimente geeignet sind, um die Mischung zu quantifizieren. Das Projekt nützt aus, dass die kinematische Verformung von Wasserpaketen in heterogenen porösen Medien vollständig umkehrbar ist, wohingegen die diffusive Vermischung irreversibel ist. Die Wechselwirkung zwischen Deformation und kleinskaliger Mischung beim Stofftransport in solchen Medien bewirkt eine partielle Umkehrbarkeit der Spreizung: Nach einer Flussumkehr nimmt die räumliche Ausdehnung einer Stoffwolke ab, erreicht aber nicht den ursprünglichen Ausgangszustand. Das Projekt analysiert zweite Zentralmomente von Stoffwolken (, deren halbe zeitliche Veränderung Dispersionskoeffizienten definieren,) in heterogenen porösen Medien mit makroskopisch gleichförmiger Strömung, die umgekehrt wird. Der irreversible Anteil der Dispersion nach gleicher Zeit der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung wird als Maß für die Mischung angenommen. In nicht-radialen “push-pull” Experimenten wird die Varianz der Durchbruchskurve der zurückkommenden Stoffwolke im Zugabe/Entnahme-Querschnitt betrachtet. Die Untersuchungen umfassen Particle-Tracking Random-Walk Simulationen in 3-D virtuellen Medien, stochastische Störungsmethoden für die theoretische Analyse räumlicher Momente, einen neuen korrelierten Continuous-Time Random-Walk Ansatz mit Erinnerung vorangegangener Schritte und zufälligem Austausch mit dem Mittelwert für die Analyse zeitlicher Momente sowie Tracerexperimente in einem ca. 2m × 1m quasi 2-D Versuchsbehälter mit Fluiden, die den gleichen Brechungsindex wie Glas haben, um die Detektion mittels Lichttransmission zu optimieren. Die Experimente erfassen auch die Durchbruchskurven der zurückkehrenden Tracer. Es wird vermutet, dass die lineare stochastische Theorie die Ensemble- und effektiven Momente bei kleiner Heterogenität gut vorhersagen. Die Erhöhung der inversen Péclet-Zahl, der Stärke der Heterogenität und der Anisotropie sollte den irreversiblen Anteil der Dispersion erhöhen. Es wird erwartet, dass die zweiten Zentralmomente nach Strömungsumkehr abnehmen und wieder zunehmen, bevor die Ausgangsposition der Wolke erreicht wird. Die Schrumpfungszeit und der reversible Anteil der Ensemble-Dispersion sollte mit der lokalen Péclet-Zahl skalieren. Das Projekt entwickelt neue theoretische und experimentelle Ansätze um Spreizung von Mischung in heterogenen porösen Medien zu unterscheiden, was das Verhalten reaktiver Stoffe kontrollieren kann.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Glas ? Tracer ? Hydrogeologie ? Dispersion ? Hydrochemie ? Limnologie ? Siedlungswasserwirtschaft ? Strömungsmechanik ? Hydrologie ? Mittelwert ? Lichtdurchlässigkeit ? Integrated Water Resources Management ? Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ? 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

• Eberhard Karls Universität Tübingen, Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (ZAG), Arbeitsgruppe Hydrogeology (Projektverantwortung)
• Institute of Environmental Assessement and Water Research (ID,EA-CSIC) Department of Geosciences (Mitwirkung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2022-01-01 - 2025-08-18

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Partial Reversibility of Dispersion in Heterogeneous Porous Media
  Description: Solute transport in heterogeneous porous media has been the topic of intensive research in the last four decades. It is well established that solute spreading, measuring the increasing irregularity of solute plumes, differs from solute mixing, quantifying the mass exchange of a solute plume with its surrounding. The former precedes the latter, but only the latter facilitates mixing-controlled reactions. To date there is no theory that is good in predicting both large-scale non-Fickian spreading and solute mixing. Neither give existing theories practical advice on performing large-scale conservative-transport experiments to quantify solute mixing. The proposed project builds on the fact that purely kinematic deformation of water parcels carrying solutes in heterogeneous formations is fully reversible, whereas diffusive mixing is irreversible. The interaction between deformation and small-scale diffusive mixing in solute transport in such formations cause partial reversibility of solute spreading: Upon flow reversal the spatial extent of a solute plume shrinks, but does not revert to the original initial state. The project will analyze second-central moments of solute plumes (of which half the rate of change define dispersion coefficients) in heterogeneous porous media with uniform-in-the-mean flow subject to flow reversal. The applicant presumes that the irreversible fraction of dispersion, after equal times of forward and backward motion, can be taken as a metric of solute mixing. In non-radial push-pull experiments the target quantity is the spread of the breakthrough curve of the returning solute in the injection/extraction cross-section. The analysis is done by particle-tracking random-walk simulations in 3-D virtual domains, by first-order stochastic-perturbative methods for the theoretical analysis of spatial moments, by the development of a new correlated Continuous-Time Random-Walk approach with memory of preceding steps and random exchange with the mean for the analysis of temporal moments, and by experiments in a ca. 2m × 1m quasi 2-D flow domain using refractive-index matching fluids to optimize detection by light-transmission imaging. The experiments will include detecting the breakthrough curve of the returning solute. It is hypothesized that linear stochastic theory predicts ensemble and effective moments well for cases with mild heterogeneity. Increasing the inverse Péclet number, the degree of heterogeneity, and its anisotropy should increase the irreversible fraction of dispersion. Second-central moments are expected to shrink upon flow reversal and increase again before the plume center reaches its original position. The shrinking time and the reversible contribution to ensemble dispersion should scale with the local Péclet number. This project develops new theoretical and experimental approaches to distinguish spreading and mixing in heterogenous porous media, which controls the behavior of reactive compounds. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1138979

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/506393436 (Webseite)

Status

Aktiv

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