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Experimental Investigations on Multiphase Phenomena in Porous Media

Graf, Hans

German Title: Experimentelle Untersuchungen von Mehrphasenphänomenen in porösen Medien

PDF, English
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Modeling of waterflow and solute transport in porous media is typically based on the water dynamics only, while the gaseous phase is neglected. Since the two fluids share the same pore space a particular investigation of the gaseous phase is mandatory to understand its influence on the basic processes (continuity, hysteresis, entrapment,. . . ) especially near water saturation. For the multiphase measurements an existing multistep outflow setup for determination of hydraulic properties with laboratory sized columns, was improved by an additional air-flow measurement device where gas phase continuity and conductivity could be measured simultaneously. Measured hydraulic data was analyzed by inverse modeling on which the pneumatic data analysis was based. Several gas conductivity models were tested. The possibilities of a combined measurement of hydraulic and pneumatic properties were demonstrated with artificial porous media made of sintered glass. The comparison of measurement and simulations of air conductivity showed the necessity of a rescaling of the effective air saturation for predictions. The influence of the sample structure on the hydraulic and pneumatic properties was illustrated with several homogenous and heterogeneous samples of repacked sands. The differences between purely hydraulic and combined measurement could be shown with experiments carried out with two pathologic structures. For this samples the basic structure elements could be detected by the combination of hydraulic and pneumatic measurements.

Translation of abstract (German)

Die Beschreibung des Transports von Wasser und gelösten Stoffen in porösen Medien basiert traditionell ausschließlich auf den hydraulischen Eigenschaften. Da für den ungesättigten Fall aber Wasser und Luft gleichzeitig denselben Porenraum teilen, ist eine genauere Untersuchung der Gasphase notwendig, um ihren Einfluss auf die grundlegenden Prozesse (Phasenkontinuität, Hysterese, Phaseneinschluss,. . . ) speziell nahe Wassersättigung zu verstehen. Hierfür wurde eine Apparatur zur experimentellen Bestimmung der hydraulischen Eigenschaften mittels eines transienten Experiments dahingehend erweitert, dass simultan die Bestimmung der wichtigsten Gasflussparameter möglich war. So konnten Kontinuität und Leitfähigkeit der Gasphase an Laborsäulen bestimmt werden. Die Auswertung der hydraulischen Daten erfolgte mittels inverser Modellierung. Darauf basierend wurden die pneumatischen Eigenschaften mit verschiedenen Gasleitfähigkeitsmodellen simuliert. Die Möglichkeiten der simultanen Bestimmung hydraulischer und pneumatischer Eigenschaften wurden an künstlichen porösen Medien aus gesintertem Glas demonstriert. Ein Vergleich der Messungen mit Luftleitfähigkeitsmodellen hat die Notwendigkeit einer Reskalierung der effektiven Luftsättigung zur Berechnung der Leitfähigkeit gezeigt. Anhand verschiedener homogen und heterogen geschütteter Sandpackungen konnte der Einfluss der Struktur auf die hydraulischen und pneumatischen Materialeigenschaften verdeutlicht werden. Zwei pathologische Strukturen wurden rein hydraulisch und zusätzlich auch noch pneumatisch analysiert. Die Kombination beider Messmethoden ermöglichte Rückschlüsse auf die grundlegenden Strukturelemente der Proben.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Roth, Prof. Dr. Kurt
Date of thesis defense: 21 April 2004
Date Deposited: 03 May 2004 12:00
Date: 2004
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Bodenphysik, Hysterese
Uncontrolled Keywords: Mehrphasenphänomene , Luftleitfähigkeit , poröse MedienMultiphase , Airpermeability , porous media , hysteresis , soil physics
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