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Pore-scale Direct Numerical Simulation of Flow and Transport in Porous Media

Pulloor Kuttanikkad, Sreejith

German Title: Porenskalige direkte numerische Simulation von Strömung und Transport in porösen Medien

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PDF, English (Doctoral Thesis of Sreejith Pulloor Kuttanikkad) Print-on-Demand-Kopie (epubli)
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Abstract

This dissertation presents research on the pore-scale simulation of flow and transport in porous media and describes the application of a new numerical approach based on the discontinuous Galerkin (DG) finite elements to pore-scale modelling. In this approach, the partial differential equations governing the flow at the pore-scale are solved directly where the main advantage is that it does not require a body fitted grid and works on a structured partition of the domain. Furthermore this approach is locally mass conservative, a desirable property for transport simulation. This allows the investigation of pore-scale processes and their effect on macroscopic behaviour more efficiently. The Stokes flow in two and three dimensional disordered packing was solved and the flow field was used in a random-walk particle tracking model to simulate the transport through the packing. The permeabilities were computed and asymptotic behaviour of solute dispersion for a wide range of Péclet numbers was studied. The simulated results agree well with the data reported in the literature, which indicates that the approach chosen here is well suited for pore-scale simulation.

Translation of abstract (German)

Diese Dissertation stellt Untersuchungen zur porenskaligen Simulation von Strömung und Transport in porösen Medien vor und beschreibt die Anwendung eines neuen numerischen Ansatzes zu porenskaliger Modellierung, basierend auf unstetigen Galerkin (DG) Finiten Elementen. In diesem Ansatz werden die partiellen Differentialgleichungen, die die Strömung auf der Porenskala bestimmen, direkt auf einer strukturierten Partitionierung des Rechengebiets gelöst. Der Hauptvorteil ist, dass auf das Erstellen einer konformen Triangulierung verzichtet werden kann. AuSSerdem ist dieser Ansatz lokal massenerhaltend, eine wünschenswerte Eigenschaft für Transportsimulationen. Dies erlaubt die effizientere Untersuchung von Prozessen auf der Porenskala und ihrem Einfluss auf makroskopische Phänomene. Es wurde die Stokes-Strömung in zwei- und dreidimensionalen undgeordneten Kugelpackungen berechnet und in einem randomwalk Teilchenverfolgungsmodell zur Simulation von Transport durch die Kugelpackung benutzt. Die Permeabilitäten wurden berechnet und das asymptotische Dispersionsverhalten des gelösten Stoffes für einen weiten Bereich der Péclet-Zahl untersucht. Die Ergebnisse der Simulationen stimmen gut mit den Literaturdaten überein, was zeigt, dass der hier gewählte Ansatz gut für porenskalige Simulation geeignet ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bastian, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 15. October 2009
Date Deposited: 27. Oct 2009 14:24
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 004 Data processing Computer science
Uncontrolled Keywords: Pore-scale , Flow , Transport , Complex Geometry , Discontinuous Galerkin , Dispersion
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