Anwendung unterschiedlicher Modelkonzepte zur Zweiphasenströmungssimulationen in porösen Medien mit Störungszonen

Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung von Zweiphasenströmungen der Phasen Wasser und Gas in porösen Medien mit Störungszonen, wobei Klüfte und Makroporen berücksichtigt werden. Die Zielstellung der Arbeit besteht aus der Anwendung und dem Vergleich unterschiedlicher Modellkonzepte, um auf der einen Seite das Prozessverständnis zu verbessern und um auf der anderen Seite die Möglichkeiten und Grenzen der verwendeten Modellkonzepte sowie das Potential von Zweiphasenströmungssimulationen in porösen Medien mit Störungszonen aufzuzeigen. Es werden hier drei unterschiedliche Modellkonzepte untersucht: 2D–Kluft-Modellkonzept, 1D-Kluft-Modellkonzept und Kluft mit Rohrströmungsmodellkonzept. Im Allgemeinen hängt die Wahl des Modellkonzepts stark von den Eigenschaften des Systems und der Problemstellung ab, beispielsweise von den zu berücksichtigenden Skalenbandbreiten. Daher wurden Untersuchungen auf unterschiedlichen Skalen (kleine Skala (<1m), Laborskala (1-10m) und kleine Feldskala (10-100m)) durchgeführt. Im ersten Anwendungsbeispiel werden Wasserinfiltrationsprozesse in einer vertikalen Kluft auf einer kleinen Skala analysiert. Die numerischen Simulationen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem 2D- und dem 1D-Kluft-Modellkonzept. Das Rohrströmungsmodellkonzept ist in diesem Fall nicht geeignet. Das zweite Anwendungsbeispiel befasst sich mit der Durchsickerung von Deichen auf der Laborskala, wobei eine horizontale Störungszone jeweils an verschiedenen Stellen land- und seeseits angeordnet wurde. Die numerischen Untersuchungen wurden mit Laborexperimenten verglichen. In diesen Untersuchungen konnten gute Übereinstimmungen zwischen den numerischen Berechnungen mit dem 2D- und 1DKluft- Modellkonzept sowie mit den Experimenten erzielt werden. Das Rohrströmungsmodellkonzept führt zu einer Überschätzung der Durchsickerung, so dass dieses Modellkonzept nicht weiter empfohlen wird. Im letzten Anwendungsbeispiel wird ein idealisierter Ausschnitt eines natürlichen Hanges aus den Vorarlberger Alpen auf der kleinen Feldskala betrachtet. Die Ergebnisse belegen den großen Einfluss der preferentiellen Strömungen in Makroporen auf die Wasserinfiltration am Hang. Aufgrund der Makroporen wird die Infiltration stark beschleunigt, jedoch ist der maximale Wasserdruck im System etwas kleiner. Der schnelle Anstieg des Wasserdrucks in den unteren Bereichen geschichteter Hänge hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Stabilität solcher Hänge. Die numerischen Ergebnisse sind in prinzipieller Übereinstimmung mit Beobachtungen aus dem Feld. Auswirkungen von kleinskaligen Heterogenitäten auf die Simulationsergebnisse werden mit geostatistisch generierten Permeabilitätsfeldern abgeschätzt. Vergleichende Studien zu unterschiedlichen Korrelationen, Varianzen und Anisotropien zeigen teilweise große und teilweise kaum Einflüsse der kleinskaligen Heterogenitäten auf die Sättigungs- und Druckverteilungen im HangThis dissertation focuses on the modeling of two-phase flow processes including the water and gas phase in porous media with fault zones which consist of fractures or macropores. The aim of the thesis is to make applications and comparisons of different model concepts in order to improve the process understanding and to reveal possibilities and limitations of the different approaches as well as to provide knowledge related to the potential for investigations of two-phase flow modeling in porous media with fault zones. Here, three different model concepts were investigated: 2D fracture model concept, 1D fracture model concept and fracture with pipe model concept. Generally, the choice of model concept is strongly depending on the characteristics of the problems being considered, for example, the scales of the problem. The modeling of two-phase flow processes in porous media with fault zones has been applied to domains with different scales (small scale (