German Title: Analyse von Strömung und Transport in porösen Medien mit angepasstem Brechungsindex

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Abstract

In the present work a novel method for the measurement of flow and transport in porous media has been developped. Through the employment of particularly applicative solids, liquids and fluorescent dyes and the application of a method for the highly precise matching of refractive indices, the dynamics of the dye distribution inside a threedimensional porous medium could be determined with a high temporal and spatial resolution using planar laser-induced fluorescence. For the data analysis specifically adapted algorithms for image preprocessing have been developed and a method for local parameter estimation has been adapted and significantly enhanced for the present application. The performed measurements represent the first simultaneous estimation of the longitudinal and both transversal hydrodynamic dispersion coefficients. Whereas for the longitudinal dispersion a previously known power-law could be confirmed, the significantly different behavior of the transversal dispersion in vertical and horizontal direction has been observed for the first time. Furthermore the measurements provide the first direct evidence for the existence of stagnant zones in the liquid phase, which have an important effect on the dispersion and are a potential explanation for the power-law behavior. Finally the described technique was used for the first highly resolved visualization of the flow of two immiscible liquids in a threedimensional porous medium.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit wurde eine neuartige Methode zur Messung von Strömung und Transport in porösen Medien entwickelt. Durch die Verwendung von speziell geeigneten Feststoffen, Flüssigkeiten und fluoreszierenden Farbstoffen sowie die Anwendung eines hochgenauen Verfahrens zur Anpassung der Brechungsindizes konnte die Dynamik der Farbstoffverteilung in einem dreidimensionalen porösen Medium mittels planarer laser-induzierter Fluoreszenz mit einer sehr hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung bestimmt werden. Für die Auswertung der Daten wurden speziell angepasste Algorithmen zur Bildvorverarbeitung entwickelt sowie ein Verfahren zur lokalen Parameterschätzung auf die vorliegende Anwendung übertragen und entscheidend erweitert. Die durchgeführten Messungen stellen die erste gleichzeitige Bestimmung des longitudinalen sowie der beiden transversalen hydrodynamischen Dispersionskoeffizienten dar. Während für die longitudinale Dispersion ein bereits bekanntes Potenzgesetz bestätigt wurde, konnte für die transversale Dispersion erstmals ein deutlich unterschiedliches Verhalten in vertikaler und horizontaler Richtung nachgewiesen werden. Weiterhin konnte mit dem entwickelten Verfahren erstmals der direkte Nachweis für die Existenz nicht konvektiver Zonen, die einen wichtigen Teil zur Dispersion beitragen und eine mögliche Erklärung für das Verhalten gemäß eines Potenzgesetzes bieten, erbracht werden. Schließlich wurde mit dem Verfahren erstmals die Strömung zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten in einem dreidimensionalen porösen Medium hochaufgelöst visualisiert.