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Experimental Study of Fingering Flow in Porous Hele-Shaw Cells

Rezanezhad, Fereidoun

German Title: Experimentelle Studien von Fingerfluss in porösen Hele-Shaw Zellen

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With the aim of studying the physical process concerning the unstable fingering phenomena in two dimensions, experiments of vertical infiltration through layered sand were carried out in the laboratory using Hele-Shaw cells. We developed a light transmission method to measure the dynamics of water saturation within flow fingers in great detail with high spatial and temporal resolution. The method was calibrated using X-ray absorption. We improved the measured light transmission with correction for scattering effects through deconvolution with a point spread function which allows us to obtain quantitative high spatial resolution measurements. After fingers had fully developed, we added a dye tracer in order to distinguish mobile and immobile water fractions. Fully developed fingers consist of a tip, a core with mobile water, and a hull with immobile water. We analyzed the dynamics of water saturation within the finger tip, along the finger core behind the tip, and within the fringe of the fingers during radial growth. Our results confirm previous findings of saturation overshoot in the finger tips and revealed a saturation minimum behind the tip as a new feature. The finger development was characterized by a gradual increase in water content within the core of the finger behind this minimum and a gradual widening of the fingers to a quasi-stable state which evolves at time scales that are orders of magnitude longer than those of fingers' evolution. In this state, a sharp separation into a core with fast convective flow and a fringe with exceedingly slow flow was detected. All observed phenomena, with the exception of saturation overshoot, could be consistently explained based on the hysteretic behavior of the soil-water characteristic.

Translation of abstract (German)

Mit dem Ziel, die physikalischen Prozesse der Bildung von Flussinstabilitäten (fingering) in zwei Dimensionen zu untersuchen, wurden in Laborexperimenten vertikale Infiltrationsexperimente in geschichtetem Sand mit Hilfe von Hele-Shaw Zellen durchgeführt. Es wurde eine Lichttransmissions-Methode entwickelt, um die Dynamik der Wassersättigung innerhalb der Fließfinger detailliert, mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Die Methode wurde mit Hilfe von Röntgen-Absorptionsmessungen kalibriert. Die bei der Lichttransmission auftretenden Streueffekte wurden Über eine Dekonvolution mit Hilfe der Punktbildfunktion korrigiert. Dies ermöglicht quantitative, räumliche hoch aufgelöste Messungen. Nach der vollständigen Entwicklung der Finger wurde ein Farbstoff aufgegeben, um mobile und immobile Anteile des Wassers unterscheiden zu können. Vollständig entwickelte Finger bestehen aus einer Fingerspitze, einem Kern aus mobilem Wasser und einem Rumpf aus immobilem Wasser. Es wurde die Dynamik der Wassersättigung innerhalb der Fingerspitze, entlang des Kerns und im Bereich des Randes während seines radialen Wachstums untersucht. Dabei konnten vorausgegangene Untersuchungen bestätigt werden, die ein Überschwingen der Sättigung im Bereich der Fingerspitze zeigten. Weiterhin wurde ein Sättigungsminimum direkt hinter der Spitze als neues Phänomen gefunden. Die Entwicklung eines Fingers lässt sich durch einen sukzessiven Anstieg des Wassergehaltes innerhalb des Fingerkerns hinter dem Minimum sowie eine kontinuierliche Verbreiterung bis hin zu einem quasi-stabilen Zustand charakterisieren. Dieser Zustand ist erst lange Zeit nach der Entwicklung des Fingers erreicht. In diesem Stadium lässt sich ein Kern mit einem schnellen konvektiven Fluss sowie ein Rand mit zunehmend langsamerem Fluss feststellen. Sämtliche beobachteten Phänomene, außer des Überschwingens der Sättigung, konnten mit der hysteretischen Natur der Boden-Wasser-Charakteristik erklärt werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Roth, Professor Kurt
Date of thesis defense: 23 May 2007
Date Deposited: 04 Jun 2007 09:09
Date: 2007
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Infiltration, Finger, Wassergehalt
Uncontrolled Keywords: Fingering Flow , Light Transmission Method
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