Zweiphasenströmung in offenen geologischen Klüften: Experimentelle und numerische Untersuchungen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Insa Neuweiler
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446379816

Strömungsprozesse in geklüfteten Medien sind wichtig für viele geotechnische Anwendungen und Anwendungen im Umweltingenieurwesen, wie etwa geothermische Energiegewinnung oder Speicherung von Fluiden in tiefen Formationen. Wenn zwei nicht mischbare Fluide vorhanden sind, involviert die Strömung die Bewegung der Grenzflächen zwischen ihnen. Diese sogenannte Zweiphasenströmung kann komplexe räumliche Fluidverteilungen generieren. Die Komplexität hängt von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit, den Viskositäten und Dichten der Fluide und der Geometrie des Mediums ab. Für poröse Medien wurden diese Phänomene in den letzten 20 Jahren intensiv untersucht. Im Gegensatz dazu steckt die Untersuchung dieser Phänomene in geologischen Klüften noch in den Kinderschuhen. Das erste Ziel dieses Projekts ist es daher, diese systematisch als Funktion der Fluideigenschaften, Strömungsregime und Kluftgeometrie zu untersuchen und zu quantifizieren.Die methodische Herangehensweise ist eine Kombination von (i) Laborexperimenten in transparenten künstlichen Klüften mit realistischen Geometrien, die die Beobachtung von Fluidverteilungen und Geschwindigkeiten zulassen, und (ii) numerischer Simulation der Zweiphasenströmung in der Kluftgeometrie, die auf den Grundprinzipien der Strömungsmechanik basiert. Die Laborexperimente werden an der Universität Rennes aufgebaut und durchgeführt, während die numerischen Modelle hauptsächlich an der Universität Hannover implementiert werden. Beide Gruppen bringen so ihre Expertise ein. Die Gruppen werden außerdem gemeinsam ein neuartiges, zweidimensionales numerisches Modell entwickeln und implementieren, das die tiefengemittelten Geschwindigkeiten berechnet. Wir erwarten davon einen sehr guten Kompromiss zwischen Modellgenauigkeit und Recheneffizienz. Die Gruppen werden die numerischen und experimentellen Ergebnisse von Zweiphasenströmung in offenen Klüften mit rauen Oberflächen gemeinsam systematisch auswerten und klassifizieren. Für praktische Anwendungen, die meist Längenskalen im Bereich bis tausend Meter liegt, können die Fluid-Fluid Grenzflächen nicht im Detail abgebildet werden. Um Strömung in solchen Fällen vorherzusagen, werden sogenannte Kontinuumsmodelle verwendet, die nicht auf first principle Strömungsmechanik aufbauen. Diese Modelle bilden Fluidverteilungen oft schlecht ab. So werden beispielsweise die Menge des ursprünglichen Fluids, das nach einem Verdrängungsprozess im Gestein verbleibt, oder die Transportzeiten von Fluiden über bestimmte Distanzen, schlecht vorhergesagt. Das zweite Ziel des Projekts ist es, solche Vorhersagen zu verbessern, indem die Ergebnisse der Klassifizierungen der Fluidverteilungen für ein verbesserte Parameterisierungen für Modelle für die großen Längenskalen verwendet werden, um somit großskalige Beobachtungsfößen, wie beispielsweise im Untergrund verbleibende Mengen von Fluid besser quantifizieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Yves Méheust