Prognose residualer Sättigungen in porösen Medien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt prognostiziert die Statik und Dynamik residualer Sättigungen in porösen Medien. Residualsättigungen treten stets durch Verdrängung von Flüssigkeiten oder Gasen in porösen Medien bei Injektion anderer nicht mischbarer Fluide auf. Statik und Dynamik von Residualsättigungen konnten im Rahmen der traditionellen Theorie bisher nicht prognostiziert werden. Sie beherrschen die Effizienz technischer Prozesse bei Grundwassergewinnung, Erdölproduktion, Altlastensanierung, Gastransport in Brennstoffzellen, Papierherstellung, Agrarwirtschaft, Katalyse oder Filterprozessen in porösen Materialien aller Art. Das Projekt hat am Anfang simultane Bewässerungs- und Entwässerungsprozesse in geschlossenen Säulenexperimenten für nichtmischbare Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte untersucht. Die traditionelle Theorie kann hierfür selbst unter Zuhilfenahme zusätzlicher komplizierter Hysteresemodelle keine Restsättigungen prognostizieren. In einer in Physical Review E veröffentlichten Arbeit wurden drei Säulenexperimente simuliert und komplexe Verdrängungsmuster prognostiziert. Die fundamentalen Buckley-Leverett-Gleichungen der traditionellen Theorie wurden dann auf nichtperkolierende Phasen verallgemeinert. Die Lösungen zeigen nichtperkolierende Stoßfronten in der Restsättigungsdynamik. Horizontalströmungen und kapillare Umverteilungsprozesse bei Entfernung einer Barriere konnten halbanalytisch vorhergesagt werden. Als besonders wichtige Lösungen der neuen Theorie wurden nichtmonotone Sättigungsprofile im hydrostatischen Gleichgewicht entdeckt. Das Phänomen war aus Experimenten bekannt, aber der bisherigen traditionellen Theorie nicht zugänglich. Schließlich konnten sogar Ausströmexperimente (multistep outflow experiments) durch stufenförmige schrittweise Druckabsenkung am Rand in guter quantitativer Übereinstimmung mit experimentellen Befunden prognostiziert werden. Abschließend wurde das grundsätzliche Problem von Sättigungsüberschussen in der traditionellen Theorie untersucht. Sättigungsüberschüsse und nichtmonotone Profile treten in der neuen Theorie ganz natürlich ohne ein separates Hysteresemodell rein als Folge der Statik und Dynamik von Restsättigungen auf. In direkter Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen wurde die Residualsättigungsdynamik bei kapillaren Entwässerungsexperimenten analysiert und auf kapillare Bewässerungsexperimente verallgemeinert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical solutions of a generalized theory for macroscopic capillarity. Physical Review E, 81:036307, 2010
F. Doster, P. Zegeling, and R. Hilfer
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Generalized Buckley-Leverett theory for two phase flow in porous media. New Journal of Physics, 13:123030, 2011
F. Doster and R. Hilfer
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Horizontal flows and capillarity driven redistribution. Phys.Rev. E, 86:016317, 2012
F. Doster, O. Honig, and R. Hilfer
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Nonmonotone saturation profiles for hydrostatic equilibrium in homogeneous media. Vadose Zone Journal, 11:vzj2012.0021, 2012
R. Hilfer, F. Doster, and P. Zegeling
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A comparison between simulation and experiment for hysteretic phenomena during two phase immiscible displacement. Water Resources Research, 50:1, 2014
F. Doster and R. Hilfer
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Saturation overshoot and hysteresis for twophase flow in porous media. The European Physical Journal Special Topics, 223:2323-2338, 2014
R. Hilfer and R. Steinle
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Capillary saturation and desaturation. Physial Review E, 92:063023, 2015
R. Hilfer, R. Armstrong, S. Berg, A. Georgiadis, and H. Ott
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Influence of initial conditions on propagation, growth and decay of saturation overshoot. Transport in Porous Media, 111:369-380,2016
R. Steinle and R. Hilfer
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Pore-scale displacement mechanisms as a source of hysteresis for two-phase flow in porous media. Water Resources Reseearch, 52:2015WR018254, 2016
S. Schlüter, S. Berg, M. Rücker, R. Armstrong, H. Vogel, R. Hilfer, and D. Wildenschild
