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Coupled Transport in Natural Porous Media (2. rev. Ed.)

Ippisch, Olaf

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Abstract

As the interactions between transport processes are important for a number of interesting systems, a set of partial differential equations and appropriate parameter functions for the study of coupled water, heat, gas and solute transport was formulated and a state of the art computer model for the numerical solution of the equation system was created. A new phase pressure/partial pressure formulation for the coupled transport of liquid and gas phase was developed. The model was used to simulate the water and energy dynamics of a permafrost soil. A good qualitative agreement was achieved. Differences between modeled and measured data could be explained with heterogeneity in combination with the model's sensitivity to a change in hydraulic parameters. Water vapor and solute transport had no effect on the simulation result but transport of liquid water proved to be an important heat transfer process near 0 °C. The impact of the chosen parameterization and model on the simulation of a multistep outflow experiment was analyzed. Differences between a model based on Richards' equation and a twophase model only occurred when the Brooks-Corey parameterization was used. The results of the twophase model showed a retarded drainage and a hysteresis during imbibation which is in good agreement with experimental results.

Translation of abstract (German)

Da die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Transportprozessen für eine Reihe interessanter Systeme wichtig sind, wurde ein System partieller Differentialgleichungen und effektiver Parameterfunktionen für die Untersuchung des gekoppelten Wasser-, Wärme-, Gas- und Stofftransportes formuliert und in einem State-of-the-Art Computermodell implementiert. Dabei wurde für die Beschreibung des gekoppelten Gas-/Wassertransportes eine neue Druck/Druckformulierung entwickelt. Mit dem Modell wurde der Wasser- und Energiehaushalt eines Permafrostbodens simuliert, wobei die wesentlichen Phänomene reproduziert werden konnten. Unterschiede lassen sich durch Heterogenität und die Sensitivität des Modells auf die Änderung der hydraulischen Parameter erklären. Während Wasserdampf- und Stofftransport keine Auswirkung auf das Ergebnis der Simulation hatten, erwies sich der Transport flüssigen Wassers als wichtig für den Energietransport nahe dem Gefrierpunkt. Bei der Untersuchung der Auswirkung der gewählten Parametrisierung und des verwendeten Modells auf die Simulation eines Multistep Outflow Experiments zeigten sich Unterschiede zwischen Richardsgleichung und Zweiphasen-Modell nur bei Verwendung einer Brooks-Corey Parametrisierung. Mit dem Zweiphasen-Modell ergab sich dann eine langsamere Entwässerung und eine Hysterese beim Aufsättigen, was gut mit experimentellen Befunden übereinstimmt.

Item Type: Book
Date Deposited: 20 Jun 2003 13:55
Date: 2001
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Poröser Stoff, Modellierung, Dauerfrostboden, Mehrphasenströmung, Bodenphysik
Uncontrolled Keywords: Permafrostsoil physics , multiphase transport , permafrost , model , porous medium
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