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datestamp: 2015-04-27 12:23:01
lastmod: 2015-05-05 10:06:04
status_changed: 2015-04-27 12:23:01
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Cuveland, Rebecca de
title: Two-Phase Compositional Flow Simulation
with Persistent Variables

title_de: Zweiphasen-Strömungssimulation unter Berücksichtigung von
Löslichkeitseffekten mit persistenten Variablen

subjects: ddc-510
divisions: i-708000
adv_faculty: af-11
cterms_swd: Porous medium
cterms_swd: CO2 storage
cterms_swd: Multi-component flow
cterms_swd: Two-Phase flow
abstract: Carbon capture and storage (CSS) is a recently discussed new technology, aimed at allow-
ing an ongoing use of fossil fuels while preventing the produced CO2 from being released
into the atmosphere. A suitable mathematical model to simulate this process is com-
positional multiphase flow with equilibrium phase exchange. It is able to represent the
important process of solubility trapping. One of the big problems arising in two-phase
two-component flow simulations is the disappearance of the nonwetting phase, where the
saturation cannot be used as independent variable.
In this thesis, a persistent variable formulation is presented, which has the important
advantage that only one set of primary variables can be used for the biphasic as well as
the monophasic case. Using a modified Newton solver, also developed in the course of this
work, the convergence at the single-phase/two-phase interface can be greatly improved.
The persistent variable formulation is implemented in the DUNE simulation framework
with capillary pressure and nonwetting phase pressure as primary variables. The presented
method is verified by numerical test simulations of CO2 injection in saline aquifers. A
fine grid resolution for these large-scale simulations can only be achieved by the use of
heavy parallelization. The numerical results for the recent MoMas benchmark agree with
the output of other groups. For several test cases, grid convergence and scalability are
analyzed numerically. The method scales well and converges with the optimal order of
convergence.

abstract_translated_text: Carbon capture and storage (CSS) ist eine viel diskutierte Technologie, die freigesetztes
CO2 daran hindert, in die Atmosphäre zu gelangen, um so eine längere Nutzung fossiler
Energieträger zu ermöglichen. Unter Annahme eines Gleichgewichts des Phasenaustauschs
wird eine Mehrphasen-Strömung unter Berücksichtigung von Löslichkeitseffekten für die
Simulation von CSS verwendet. Ein großes Problem bei der Simulation von Mehrphasen-
Strömung mit Löslichkeitseffekten tritt auf, wenn eine Phase verschwindet. In diesem Fall
kann die Sättigung nicht als eigenständige Variable verwendet werden.
In dieser Arbeit wird eine Formulierung mit persistenten Variablen vorgestellt. Diese Her-
angehensweise hat den Vorteil, dass die gleichen Primärvariablen sowohl im Zweiphasen-
als auch im Einphasebereich verwendet werden können. Ein verbessertes Newton-Verfahren
liefert deutlich bessere Konvergenzergebnisse für den Übergang zwischen Ein- und Zwei-
phasenbereich.
Dieses Verfahren ist in der DUNE-Simulationsumgebung implementiert. Dabei werden
Kapillardruck und der Druck der CO2 Phase als Primärvariablen verwendet, um die Ver-
pressung von CO2 in salzhaltigen Wasserschichten numerisch zu simulieren. Damit die
großflächigen Rechengebiete genau aufgelöst werden können, wird die Simulation stark
parallelisiert. Es wird eine sehr gute Übereinstimmung zu den Ergebnissen anderer Teil-
nehmer des vor kurzem durchgeführten MoMas Benchmark erreicht. Anhand mehrerer
Testprobleme werden Gitterkonvergenz- und Skalierbarkeitseigenschaften des Verfahrens
numerisch untersucht. Die Formulierung liefert die optimale Konvergenzordnung.

abstract_translated_lang: ger
date: 2015
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00018629
ppn_swb: 1656538253
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-186294
date_accepted: 2015-04-14
advisor: HASH(0x55fc36d194c0)
language: eng
bibsort: CUVELANDRETWOPHASECO2015
full_text_status: public
citation:   Cuveland, Rebecca de  (2015) Two-Phase Compositional Flow Simulation with Persistent Variables.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/18629/1/thesis_final.pdf