Using x-ray tomography and lattice Boltzmann modeling to evaluate pore-scale processes in porous media

Britt Stenhøj Baun Christensen

Research output: Book/ReportPh.D. thesisResearch

11 Downloads (Pure)

Abstract

En kombination af eksperimentelt arbejde og numerisk modellering blev anvendt til undersøgelse af poreskala to-fase strømning i porøse medie systemer af sand og glasperler. Det eksperimentelle arbejde gjorde brug af den ikke-indtrængende og ikke-destruktive røntgenstråle billedmetode CT-teknik (Computed Tomography) til at visualisere og kvantificere de eksperimentelle poreskala systemer. Både en medicinsk CT-scanner og et synkrotron baseret skanningssystem med høj billede opløselighed blev anvendt. Numerisk modellering af poreskala processerne blev gjort ved hjælp af en lattice Boltzmann model. Ved anvendelse af en medicinsk CT-scanner og gravimetriske målinger blev tre forskellige teknikker til at opnå fuld mætning som begyndelsesbetingelse i en sandprøve evalueret. Det blev vist, at ventilering af prøven med kuldioxid inden opfugtning signifikant forbedrede det initielle mætningsniveau, hvorimod anvendelse af afgasset vand og påføring af vakuum ikke resulterede i betydelige forbedringer af den initielle mætning. Anvendeligheden af et synkrotron baseret røntgenstråle mikrotomografi system til at studere poreskala processer blev undersøgt ved at udføre drænings- og opfugtningsforsøg med sand og glasperler som porøse medier. Den udviklede forsøgsopstilling og efterfølgende analyse af de opnåede billeder af høj opløselighed gjorde det muligt at få kvalitativ og kvantitativ information om forskellige poreskala egenskaber. For luft-vand og olie-vand forsøg blev mætningsgrader og overfladeareal mellem faserne udledt fra de eksperimentelle billeder. De opnåede forsøgsdata kan udgøre en nyttig database til hjælp med udvikling af teorier for poreskala processer, men dataene kan især fremme udvikling og testning af poreskala modeller. Olie-vand-glasperle forsøgene blev brugt som udgangspunkt for testning af en Shan-Chen lattice Boltzmann model. Ved anvendelse af simple veldefinerede to-fase systemer blev en kalibreringsprocedure skitseret til identificering af de dimensionsløse modelparametre og deres kobling til overfladespænding og kontaktvinkel egenskaberne af det fysiske system. Det blev taget fat på skaleringen mellem lattice enheder og fysiske enheder. Ved at udføre simuleringer af væskefortrængning i et veldefineret system sås den kalibrerede model at være i stand til at frembringe realistiske kapillartryk sammenlignelige med trykkene observeret i det eksperimentelle system. Indledende forsøg på at udføre simuleringer af olie-vand forsøgsopstillingen blev gennemført, men pga. problemer med grænsebetingelser og lange simuleringstider blev ingen pålidelige resultater opnået.
Original languageEnglish
Place of PublicationKgs. Lyngby
PublisherDTU Environment
Publication statusPublished - Sep 2006

Cite this