Projektbeschreibung
Genaue Vorhersagen von Strömen in Materialien mit variablen Porengrößen
Poröse Medien bestehen aus einer festen Matrix und Leerräumen (Poren). Zu natürlichen und künstlich hergestellten porösen Medien zählen Steine und Böden, Membranen und Gewebe sowie Schäume und Schwämme, deren Anwendungen von der Erzeugung von geothermischer Energie und der geologischen Lagerung radioaktiver Abfälle bis hin zu Brennstoffzellen und der Mikrodurchblutung des Gehirns reichen. Poröse Medien sind von Natur aus heterogen, vom Millimeter- (Porengeometrie) bis hin zum Kilometermaßstab (Zusammensetzung verschiedener Materialien). Multiskalenheterogenität wirkt sich erheblich auf Flüssigkeitsströme und den Transport sowie die Durchmischung gelöster Stoffe (Schadstoffe, Nährstoffe) aus, was zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Vorhersage dieser Ströme führt. Das EU-finanzierte Projekt MixUQ wird die von der Heterogenität herrührende Dynamik dieser Vorgänge sowie deren Unwägbarkeit aufgrund räumlicher Fluktuationen untersuchen. Diese Bemühungen werden zur Entwicklung neuer Modelle führen, die die Vermischung und Transportströme in heterogenen Medien genau vorhersagen können, mit Folgen für verschiedene Bereiche und Anwendungsfälle poröser Medien.
Ziel
Natural and engineered porous systems exhibit heterogeneity across several spatial scales leading to complex flow fields with strong fluctuations. The latter enhance the segregation and distortion of a transported scalar mixture, while diffusion promotes the local homogenization of it. In this context, spreading has been traditionally identified with the overall growth of the dissolved plume while mixing with the internal plume homogenization. Accurate quantification of mixing in heterogeneous media is one of the most relevant and still open challenges. Our current failure lay in the inability of capturing the interplay between flow fluctuations and local diffusion: the former promotes both the internal plume segregation (at early times, dominance of pure advection) and the subsequent homogenization (at late times; dominance of dispersion) by the sampling of flow fluctuations which trigger the internal folding and distortion of the plume enabling local homogenization by diffusion (coalescence mechanism). We here propose to predict mixing within a unified framework (Work package 1) which leverage on the Lamellar description of transport and capture the early (segregation) and late (coalescence) time impact of fluctuations by viewing spreading as a sub-plume scale process: the dispersion and interactions of Lamellae are captured through a continuous time random walk (CTRW) approach. At the same time, uncertainty about concentration distribution is a dynamic quantity ruled by the same physical mechanisms: plume segregation (uncertainty production) and homogenization (uncertainty reduction). We here take advantage of the insight from the novel transport model to close evolution equations (e.g. for the variance and the probability density function) apt to describe the dynamic uncertainty (Work package 2). We then explore the establishment of ergodicity for mixing under a variety of conditions (e.g. degree of heterogeneity, strength of diffusion and advection)
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
Thema/Themen
Aufforderung zur Vorschlagseinreichung
(öffnet in neuem Fenster) H2020-MSCA-IF-2019
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MSCA-IF -Koordinator
28006 Madrid
Spanien