Eine neuartige Beschreibung des Wärmetransports zwischen Flüssigkeiten und rauen Rissflächen in porösen Gesteinen
Geotechnik, Wasserbau
Paläontologie
Physik des Erdkörpers
Physische Geographie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wärmetransfer in geklüfteten porösen Medien ist ein essenzieller Prozess im Erdinnern. Er ist Triebkraft für zahlreiche Naturphänomene, wie Geysire, hydrothermische und vulkanische Systeme, als auch für Naturgefahren wie Gesteinsbrüche und Erdbeben. Er bildet zudem die Grundlage für industrielle Anwendungen, etwa im Bereich Geothermie. Die Fließbewegung in Risssystemen kann recht gut beschrieben werden. Es existiert eine breite Auswahl an Ansätzen, u. a. aus der Kontinuumsmechanik, multiple Medien und die explizite Beschreibung von Klüften. Allerdings haben existierende Modelle für den Wärmetransfer zwei große Schwachpunkte: Oft wird ein thermisches Gleichgewicht zwischen Gestein und Fluid vorausgesetzt und die Rolle der Risse vernachlässigt. Beides ist eng miteinander verbunden, da Risse mit hohen Fließgeschwindigkeiten eine Ursache für ein thermisches Ungleichgewicht sind und eine passende Beschreibung des Wärmetransfers in Rissen fehlt. In diesem Projekt wurde ein neuartiges Modell entwickelt, um Wärmetransfer in Klüften über räumliche und zeitliche Skalengrenzen hinweg zu beschreiben. Der wesentliche Parameter nach dem Newtonschen Kühlungsgesetz ist dabei der Wärmetransferkoeffizient, der von weiteren geometrischen, thermischen und hydraulischen Größen abhängt. Die zugänglichen Parameter zur Bestimmung des Wärmetransferkoeffizienten unterscheiden sich jedoch zwischen den einzelnen Skalen. Eine skalenübergreifende Beschreibung muss daher auf Parameter zurückgreifen, die in allen Skalen vorhanden sind oder über dimensionslose Größen skaliert werden kann. Im Rahmen dieses Projekts wurden über 300 Laborexperimente aus der Literatur gesichtet, ergänzt durch eigene Versuche, die in Kooperation durchgeführt wurden, und analysiert, um den Wärmetransferkoeffizienten für diese zu bestimmen. Der Wärmetransferkoeffizienten ist keine Größe die direkt aus Labormessungen ermittelt werden kann. Stattdessen wurde ein theoretisches Model entwickelt werden, um den Wärmetransferkoeffizienten aus den Laborergebnissen abzuleiten. Für die zur Verfügung stehenden Datensätze auf der Laborskala wurden hydraulische Kluftöffnungsweite und Fließgeschwindigkeit als die maßgeblichsten Einflussgrößen identifiziert. Obwohl über 35 Rauhigkeitsparameter für die Kluftoberflächen erfasst und getestet wurden, konnte kein systematischer Einfluss festgestellt werden. Der mögliche Einfluss von Oberflächenrauhigkeit und durchflossenen Oberfläche ist intrinsisch in den experimentellen Daten in der Kluftöffnungsweite enthalten, da diese nur für sehr kleine Kluftöffnungsweiten relevant werden. Zur Skalierung wurden daher diese beiden Parameter zusammen mit der Kluftdichte verwendet, um eine skalenunabhängige Beziehung zwischen den dimensionslosen Größen Nusselt, Prandtl und Reynolds Zahl herzustellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A model of local thermal non-equilibrium during infiltration. Advances in Water Resources, 132, 103394.
Heinze, Thomas & Blöcher, Johanna R.
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Comparison of Surface Roughness and Transport Processes of Sawed, Split and Natural Sandstone Fractures. Water, 12(9), 2530.
Frank, Sascha; Heinze, Thomas & Wohnlich, Stefan
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Experimental Reproducibility and Natural Variability of Hydraulic Transport Properties of Fractured Sandstone Samples. Geosciences, 10(11), 458.
Frank, Sascha; Heinze, Thomas; Ribbers, Mona & Wohnlich, Stefan
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Numerical study of heat transfer across rough fracture surfaces.
Heinze, Thomas
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Possible effect of flow velocity on thawing rock-water-ice systems under local thermal non-equilibrium conditions. Cold Regions Science and Technology, 170, 102940.
Heinze, Thomas
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A High-Pressure High-Temperature Column for the Simulation of Hydrothermal Water Circulation at Laboratory Scale. Geotechnical Testing Journal, 44(6), 1577-1594.
Frank, Sascha; Zuber, Philipp; Pollak, Stefan; Heinze, Thomas; Schreuer, Jürgen & Wohnlich, Stefan
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A Multi‐Phase Heat Transfer Model for Water Infiltration Into Frozen Soil. Water Resources Research, 57(10).
Heinze, T.
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Constraining the heat transfer coefficient of rock fractures. Renewable Energy, 177, 433-447.
Heinze, Thomas
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FSAT – A fracture surface analysis toolbox in MATLAB to compare 2D and 3D surface measures. Computers and Geotechnics, 132, 103997.
Heinze, Thomas; Frank, Sascha & Wohnlich, Stefan
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Heat Transfer in Fractured Reservoirs. AGU Fall Meeting, New Orleans, LA, United States of America
Heinze, T.
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Rain, Snow and Frozen Soil: Open Questions from a Porescale Perspective with Implications for Geohazards. Geosciences, 11(9), 375.
Baselt, Ivo & Heinze, Thomas
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Transient heat transfer processes in a single rock fracture at high flow rates. Geothermics, 89, 101989.
Frank, Sascha; Heinze, Thomas; Pollak, Stefan & Wohnlich, Stefan
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Heat transfer across scales: from single fractures to fracture networks. General Assembly, EGU, Vienna, Austria.
Heinze, T.
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New Possibilities for Geothermal Reservoir Design and Operation - Chances Arising from Velocity-Dependent Heat Transfer. 2022 AGU Fall Meeting, Chicago, IL, United States of America.
Heinze, T. & Pastore, N.
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A generalized heat transfer law for rock and soil?! 2023 AGU Fall Meeting, San Francisco, CA, United States of America.
Heinze, T.
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Heat transfer in pores and fractures – lessons learned from mechanical engineering.
Heinze, Thomas
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Modelling heat transfer in geothermal system. 2nd International San Juan Geothermal Workshop, San Juan, Argentinia
Heinze, T.
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Velocity-dependent heat transfer controls temperature in fracture networks. Nature Communications, 14(1).
Heinze, Thomas & Pastore, Nicola
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Attempts to bridge the scale gap in convective heat transfer between fluid and rock. FluidNet-Conference, Iraklion, Greece
Heinze, T.
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Multi-phase heat transfer in porous and fractured rock. Earth-Science Reviews, 251, 104730.
Heinze, Thomas
