Contributions to computational geotechnics : non-isothermal flow in low-permeable porous media

Abstract

To better understand the coupling of thermal (T), hydraulic (H) and mechanical (M) processes (T-H-M processes) and their influence on the system behaviour, models allowing T-H-M coupling are developed. These models allow simulations in the near-field of the system. The modeling of non-isothermal thermo-hydraulic (TH) processes is important for applications such as geothermal energy generation, heat supported environmental remediation, and nuclear waste disposal. The work presented herein focuses on deep geological disposal of nuclear waste, and more specifically on the thermal and hydraulic processes in this application. Thermal processes result directly from the heat radiation of the waste and include heat transport from the core to the bentonite buffer. Other processes of importance are vaporization and condensation associated with phase changes between the liquid and gaseous phases. Hydraulic processes of importance include water intrusion from the host rock to the buffer and eventually to the core, as well as swelling and shrinking processes in the bentonite. Bentonite swells as a result of water intrusion from the host rock and dries as a result of the heat transport from the core. The objective of the work is to formulate the processes mathematically and to integrate them into the object-oriented simulator GeoSys/RockFlow. Buffer, host rock, and fluids in the gas and liquid phase form a multiphase-multicomponental system (porous medium). The TH model consists of a set of three balance equations. One balance equation for the water component, one balance equation for the air component and one energy balance equation. The three primary, or independent variables are gas pressure, water saturation, and temperature. To solve these balance equations, equations describing the material modelled are necessary. Material properties include for example capillary pressure-saturation relationships, density equations, or viscosity calculations. For those processes, material parameters and state variables are highly non-linear and mostly functions of temperature, saturation, and pressure. Other than describing the material, the thermodynamic state of the system has to be described. This is achieved with equations of state, as for example functions for the calculation of liquid pressure or mass fractions. When the material properties and the state functions are inserted into the balance equations, governing equations in the di.erential form are obtained. After numerical transformations, these equations are then solved by GeoSys/RockFlow. The implementation allows phase changes between the fluid phases (gas and liquid) to occur explicitly. The model allows the simulation of processes in very low permeability clays with high capillary pressures. Examples for code validation are shown, where low permeability clay is desaturated.

Um thermische (T), hydraulische (H) und mechanische (M) Prozesse, ihre Kopplungen und ihren Einfluss auf das Systemverhalten besser zu verstehen, werden T-H-M Modelle entwickelt. Diese Modelle lassen Modellierungen im Nahbereich des Systems zu. Die Simulierung von nicht-isothermen, thermo-hydraulischen (TH) Prozessen ist für Anwendungen wie Geothermie, Wäremeunterstützte Grundwassersanierung, und Atommüllentsorgung wichtig. Diese Doktorarbeit richtet sich spezifisch an den Anwendungen für Atommüllentsorgung aus, vor Allem an den thermischen und hydraulischen Prozessen in diesem Bereich. Thermische Prozesse kommen durch die Wärmestrahlung des Abfalls zustande und zeichnen sich durch den Wärmetransport vom Kanister zum Bentonitpuffer aus. Andere wichtige thermische Prozesse sind Verdampfung und Kondensierung, die mit dem Phasenwechsel zwischen wässeriger- und gas Phase assoziiert sind. Wichtige hydraulische Prozesse sind das Eindringen von Wasser von dem Gastgestein in den Puffer und dann in den Kanister, sowie quellen und schrumpfen des Bentonitpuffers. Bentonit quillt durch das Eindringen von Wasser und trocknet durch den Wärmetransport des Abfalls. Das Ziel der Arbeit ist die mathematische Formulierung der Prozesse und ihre Integrierung in den objekt-orientierten finite-elemente Code GeoSys/RockFlow. Puffer, Gastgestein und Fluide (in der wässerigen und gas Phase) formen gemeinsam ein mehrphasiges-mehrkomponenten System (poröses Medium). Das TH Modell benötigt drei Bilanzgleichungen, eine für die Wasserkomponente, eine für die Luftkomponente und eine für Energie. Die drei Primärvariablen sind Gasdruck, Wassersättigung und Temperatur. Um die Bilanzgleichungen zu lösen, werden Gleichungen, die das System beschreiben, benötigt. Dies sind Materialparameter, wie zum Beispiel Kapillardruck - Sättigungsbeziehungen oder Dichtegleichungen. Für die beschriebenen Prozesse sind diese Materialparameter und Zustandsgleichungen meist nicht-linear und meist Funktionen der Temperatur, der Sättigung und des Drucks. Nicht nur das Material, sondern auch der thermodynamische Zustand des Systems muß beschrieben werden. Dies wird mit Zustandsgleichungen erreicht, zum Beispiel Funktionen zur Berechnung des Wasserdrucks, oder der Massenfraktionen. Materialparameter und Zustandsgleichungen werden in die Bilanzgleichungen substituiert, es resultieren die drei Modellgleichungen in Differentialform. Diese Gleichungen werden nach Umformungen von GeoSys/RockFlow gelöst. Die Implementierung läßt Phasenwechsel zwischen den Fluidphasen (wasser und gas) explizit zu. Das Modell ermöglicht Simulationen von sehr undurchlässigem Tonmaterial mit hohen Kapillardrücken. Beispiele der Modellvalidierung werden gezeigt, wo Ton durch hohe Temperaturen entsättigt wird.