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Komplexe Strömungsdynamik in porösen Medien

Wissenschaftler entwickelten präzise Modelle komplexer Strömungsphänomene, die für etliche Umwelt- und Energiebereiche Relevanz besitzen.
Komplexe Strömungsdynamik in porösen Medien
Durch eine Wasserleitung strömendes Wasser ist ein relativ simpler Transportvorgang, der mit Hilfe mathematischer Gleichungen und physikalischer Gesetze gut zu beschreiben ist. Die Ableitung exakter Systemmodelle für komplexe Strömungsphänomene von Substanzen, die in Form von mehr als einer Phase durch poröse Materialien transportiert werden, ist jedoch eine höchst komplizierte Aufgabe. Sie hat außerdem entscheidende Bedeutung für verschiedenste Anwendungen wie etwa bei der Bodensanierung, Ölrückgewinnung und der Sequestrierung von Kohlendioxid (CO2).

Wissenschaftler riefen das von der EU finanzierte Projekt REAL PORE FLOWS ins Leben, um Modelle für Transportvorgänge durch Poren für zwei Fälle zu entwickeln. Die Forscher untersuchten die isotherme Verdampfung flüchtiger Kohlenwasserstoffe (flüchtiger organischer Verbindungen, volatile organic compounds, VOC) aus porösen Medien sowie die Dynamik unvermischbarer Ströme von nicht wasserlöslichen Stoffen (non-aqueous phase liquid, NAPL). Flüchtige organische Verbindungen sind in Erdgas und Erdöl zu finden, während die üblichen flüssigen Verunreinigungen von Wasser aus wasserunlöslichen Flüssigkeiten in getrennten Phasen bestehen.

Bei einer genauen Beschreibung der isothermen Verdampfung flüchtiger organischer Verbindungen während der Trocknung muss man etliche Faktoren berücksichtigen. Dazu zählen umgebende Flüssigkeits- und Gasphasenverteilungsmuster sowie die Flüssigkeitsfilme, die sich an den Porenwänden bilden, wenn die umgebende Gasphase eindringt. Beobachtungen und experimentellen Messungen ermöglichten den Wissenschaftlern die Abgrenzung von drei verschiedenen Regionen des Raums zum Trocknen. Resultat war ein Porennetzwerkmodell, das alle Haupttransportmechanismen innerhalb des porösen Mediums einschließlich der Diffusion über die Außenfläche berücksichtigt.

Für die nicht wasserlöslichen Stoffe entwickelten die Wissenschaftler ein Modell einer unvermischbaren Verdrängung (gleichzeitige Bewegung der anderen Flüssigkeit und des Wassers) durch ein poröses Medium. Die wasserunlöslichen Flüssigkeiten in getrennten Phasen werden als Klümpchen modelliert, die unter der kombinierten Einwirkung von Kapillar-, Viskositäts- und Gravitationskräften dahinströmen. Der Prozess wird unter verschiedenen Bedingungen durch das Verschmelzen und Aufbrechen der Klümpchen gelenkt. Die Wissenschaftler ermittelten drei Strömungsverläufe und das entsprechende Modell zeigte eine gute Übereinstimmung mit den neuesten experimentellen und theoretischen Arbeiten.

REAL PORE FLOWS konnte komplexe und präzise mittelgroße Modelle der Strömung unvermischbarer Flüssigkeiten in porösen Medien beitragen. Hier liegt ein direkter Bezug zu etlichen Anwendungen im Umwelt- und Energiebereich vor. Detaillierte Beschreibungen werden zur Lösung wichtiger Probleme und Meisterung der Herausforderungen auf vielen Gebieten hinführen.

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