Chaotic ADvection and Mixing Enhancement in Porous Media: The Quest for Experimental Evidence (ChaosAD)
Beginn: 01.04.2024 | Ende: 31.12.2026
Die Vermischung von Flüssigkeiten ist in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik von zentraler Bedeutung. In porösen Medien verlaufen Vermischungsprozesse in der Regel ineffizient; eine Verbesserung der Vermischung lässt sich jedoch potenziell erreichen, indem die Verformung der Strömungsfahne durch Dehnung und Faltung verstärkt wird – etwa durch die gezielte Gestaltung des Strömungsfeldes mittels Ein- und Ausströmungssystemen oder in Systemen, die von Natur aus eine komplexe transiente Dynamik aufweisen, wie beispielsweise unter dem Einfluss von Gezeiten. Bisherige Studien wurden auf verschiedenen Skalen (d. h. Poren-, Darcy-, Feld- und Regionalskala) durchgeführt, wobei hauptsächlich theoretische und modellbasierte Ansätze zum Einsatz kamen, während experimentelle Untersuchungen unter kontrollierten Bedingungen rar sind. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt zielt darauf ab, unter kontrollierten Laborbedingungen experimentelle Belege für die Auswirkungen chaotischer Advektion auf den Stofftransport in gesättigten porösen Medien zu liefern. Die experimentellen Arbeiten werden von der Entwicklung neuer fortschrittlicher numerischer Methoden begleitet, die in der DUNE-Umgebung (Distributed Unified Numerics Environment) entwickelt werden, um eine genaue modellbasierte Interpretation der Ergebnisse durchzuführen. Darüber hinaus werden multiparametrische Studien durchgeführt, um realistische Szenarien zu untersuchen, die über den Rahmen von Laborexperimenten hinausgehen.
Dieses Forschungsprojekt ist innovativ, da es Folgendes untersuchen wird:
1) den Einfluss der nichtlinearen Geschwindigkeitsabhängigkeit der Dispersion und des nicht-Fick’schen Transports auf die chaotische Advektion
2) den Einfluss der unvollständigen Vermischung auf Porenebene auf die effektive Vermischungsverstärkung durch chaotische Advektion
3) den Einfluss der Verzögerungs- und Dichteeffekte, die den Stofftransport chemisch relevanter Spezies beeinflussen, auf die durch chaotische Advektion erzielte Vermischungsverstärkung
4) den Einfluss chaotischer Advektion auf reaktive Prozesse. Darüber hinaus streben wir an, eine Verbindung zwischen Metriken herzustellen, die chaotische Advektion und Vermischung auf der Darcy-Skala beschreiben – eine Verbindung, die derzeit fehlt und die durch eine modellbasierte Interpretation der in diesem Forschungsprojekt gesammelten experimentellen Ergebnisse hergestellt werden kann.
Funding Organisation:
DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)