Das Projekt "Teilprojekt A3: Mehrphasenprozesse in porösen Medien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau durchgeführt. Computer simulations of processes in the subsurface are based upon mathematical models for multiphase flow in porous media. They treat the concurrent movement of more than one fluid phase in a solid skeleton (e.g. flow of water, oil, air in soil) and are subject to permanent further development (e.g. Helmig R., 1997 (1)). In many cases, these fluids are miscible and the models therefore also have to consider the multiple components within the phases. Often, phase change by evaporation/condensation takes place which is additionally coupled with an exchange of energy. The special relevance of these complex simulations lies in the fact that, in different fields of technical applications, they are the only practible forecasting instrument because the high costs or the long-term time frame of experiments make the latter infeasible. Current challenges in environmental engineering comprise problems like, for instance, the long-term storage of the greenhouse gas CO2 by injection into the subsurface to stop global warming or the remediation of contaminated sites. To tackle these problems, today's engineers need reliable, fast and robust simulation algorithms. The current work uses the program system MUFTE-UG (developed in cooperation with the former SFB 404 project C4) as its basis (Helmig R. et al., 1998 (2)). It is designed as a research code to combine the modelling of the relevant physical processes with the application of new discretisation techniques and solution methods including, for example, multigrid and parallelisation strategies.
Das Projekt "Modellierung von nichtisothermen Gas-Wasser Strömungs- und Transportprozessen in bindigen Böden - Teilprojekt III" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau durchgeführt. Im Rahmen dieses Teilprojektes sollen Methoden zur numerischen Modellierung von nichtisothermen Zweiphasen-Zweikomponenten Strömungs- und Transportprozessen in bindigen Böden unter Berücksichtigung von Schrumpf- und Schwellvorgängen entwickelt werden, wobei ein starres Korngerüst zugrunde gelegt wird, dessen hydraulisch relevante Eigenschaften (z.B. Porosität, Permeabilität) sich aber durch Schrumpfen und Schwellen verändern können. Das Zweiphasen-Zweikomponenten-Modell umfasst hier die beiden Fluidphasen Wasser und Gas sowie die darin enthaltenen Komponenten Wasser (flüssig und gasförmig) und Luft (als Gas bzw. gelöst im Wasser). Solche Modelle spielen beispielsweise für die Beschreibung der Prozesse bei der Austrocknung von Deponieabdichtungen eine Rolle und sind für Fragestellungen hinsichtlich einer dauerhaften Wirkung der Dichtung von besonderer Bedeutung. Diese Arbeiten erfordern eine besonders enge Abstimmung mit Experimenten und Laborversuchen, aus denen konstitutive Beziehungen sowie bodenmechanische und strömungsmechanische Parameter hervorgehen. Es werden zunächst Methoden weiterentwickelt, die es erlauben, numerische Simulationen bis zum Erreichen einer kritischen Sättigung, die dann z.B. zu Schrumpfrissen führt, durchzuführen. Dazu soll eine Methodik konzipiert werden, mit der wesentliche Parameter und Modelleingangsgrößen durch einen Vergleich mit Laborexperimenten (siehe Teilprojekt IV) zuverlässig bestimmt werden können. Die Anwendung inverser Modellierung steht hierbei im Vordergrund. Weiterhin sollen die Einflüsse von kleinskaligen Heterogenitäten, von Auflasten und von Schrumpfprozessen auf die Simulationsergebnisse untersucht werden. Weiter wird die Gültigkeit des Darcy'schen Gesetzes bei sehr geringen Durchlässigkeiten überprüft. Für eine effiziente Simulation der gekoppelten nichtlinearen Prozesse sollen u.a. die Parallelisierung des zugrundeliegenden Programmsystems MUFTE UG sowie ein darin implementiertes Mehrgitterverfahren weiterentwickelt werden. Für die zweite Antragsphase ist eine Kopplung des hier entwickelten Modells mit einem Stoffmodell geplant (siehe Teilprojekt Meißner/Hügel), so dass dann auch Strukturveränderungen wie Schrumpfrisse erfasst werden können.
Das Projekt "3D Modellierung von Methanmigrationsprozessen im Untergrund" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau durchgeführt. Im Rahmen der Arbeiten sollen zwei- und dreidimensionale Mehrphasen und Mehrphasen-Mehrkomponenten Strömungs- und Transportprozesse zur Simulation der Methanmigration durch den Untergrund mit dem Programmsystem MUFTE-UG von LH2 modelliert und analysiert werden. Die Methanmigrationprozesse durch den Untergrund werden durch Ausgasung von Methan aus der Kohle getrieben, was im folgenden als Methanquellterm bezeichnet wird. DMT hat die Größe des Quellterms und seine volumenmäßige Verteilung im Untergrund zu liefern. Für den Modellaufbau von Anwendungsfällen, wie z.B. das Bergwerk Westfalen, sind von der DMT verschiedene Daten bereit zu stellen. Die Geometrie der unterschiedlichen geologischen Schichten ist in mehreren orthogonalen Schnitten, nach Möglichkeit in einem CAD-Format, aufzubereiten. Des Weiteren muss die räumliche Lage von Störungszonen, Schächten und Strecken angegeben werden. Die räumlichen Verteilungen der bodenphysikalischen Parameter Permeabilität und Porosität sind soweit verfügbar aus Messungen oder Literaturwerten zu beziffern, sowohl in den geologischen Schichten und Störungszonen wie auch in den Abbaubereichen. Die Bestimmung der konstitutiven Beziehungen, Kapillardruck-Sättigungsbeziehung und relative-Permeabilität-Sättigungsbeziehung, ist in Kooperation mit LH2 abzuschätzen (z.B. aus Kornsummenkurven), ggf. müssen sie auch experimentell ermittelt werden. Für die numerische Modellierung müssen Anfangs- und Randbedingungen vorgegeben bzw. zwischen den Partnern abgestimmt werden. Es müssen Angaben zu Druck- und Sättigungsverhältnissen im System als Anfangsbedingungen sowie Angaben zu Druck-, Sättigungs- und/oder Flussverhältnissen an den Modellrändern als Randbedingungen vorgegeben werden. Dies beinhaltet z.B. Luftdruckschwankungen am oberen Modellrand sowie sich ändernde Wasserspiegellagen aufgrund der Einstellung der Wasserhaltung. Im Zuge der in Aussicht gestellten Modellkalibrierung müssen von der DMT Messdaten zu Methankonzentrationen an der Erdoberfläche oder in oberflächennahen Bodenzonen sowie Gasvolumenströme und Methankonzentrationen aus stillgelegten Schächten bereit gestellt werden.
Das Projekt "Entwicklung von Optimierungsmethoden zur Modellierung von Methanextraktion im Untergrund" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau durchgeführt. Im Rahmen der Arbeiten sollen Optimierungsmethoden mit zwei- und dreidimensionalen Mehrphasen und Mehrphasen-Mehrkomponenten Strömungs- und Transportprozesse im Programmsystem MUFTE-UG zusammengeführt werden. Die Optimierungsmethoden erlauben die näherungsweise Bestimmung von Optima einer vorzugebenden 'beliebigen' Zielfunktion. Diese Zielfunktion beinhaltet zunächst nur physikalische Größen. So können z.B. optimale Positionen oder Anzahlen von Entlastungsbohrungen oder Pumpstrategien ermittelt werden. Aufgrund der hohen Rechenzeiten infolge der hochkomplexen Mehrphasenprozesse werden zunächst einfachere, sog. heuristische Optimierungsmethoden (z.B. Greedy Algorithmus, Simulated Annealing) eingesetzt. Im Rahmen der verfügbaren Datenlage sollen die Simulationsergebnisse mit Felddaten verglichen werden, die von der DMT bereit zu stellen sind (z.B. Ikea, Dortmund). Für spätere Arbeiten können in Abstimmung mit der DMT auch Zielfunktionen aufgestellt werden, die sich primär an Kosten oder anderen Randbedingungen orientieren.