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Analysing spatial scaling effects in mineral reaction rates in porous media with a hybrid numerical model

Applicant Ebigbo Anozie
Number 175673
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Geophysik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geochemistry
Start/End 01.08.2018 - 31.10.2022
Approved amount 245'888.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Geochemistry
Fluid Dynamics

Keywords (5)

precipitation/dissolution; scaling effects; hybrid numerical model; pore networks; reactive transport

Lay Summary (German)

Lead
Reaktionsprozesse in porösen Medien, die zur Ausfällung oder Auflösung von Mineralien führen, sind für viele technische und umweltrelevante Fragestellungen, insbesondere im Untergrund, von grossem Interesse. Die richtige Beschreibung dieser Prozesse in durchströmten porösen Medien wird dadurch erschwert, dass das Hochskalieren der Mineralreaktionsraten von der Poren- auf die Laborskala in manchen Fällen nicht zulässig ist. Diese Arbeit zielt darauf ab, solche Skalierungsprobleme mit Hilfe von numerischer Modellierung zu untersuchen.
Lay summary

Mineralreaktionsraten in durchströmten porösen Medien können nicht beliebig von der Porenskala, wo sie meistens einfach zu quantifizieren sind, auf die Laborskala hochskaliert werden. Dies bedeutet, dass Simulationsmodelle, die auf der Laborskala definiert sind, häufig Ausfällungs- und Auflösungsraten überschätzen. Der Ansatz, der in diesem Projekt verfolgt wird, sieht vor, das Untersuchungsgebiet im Sinne eines Hybridmodells aufzuteilen. Der Teil des Gebiets, in dem Skalierungsprobleme keinen Einfluss haben, wird mit einem relativ einfachen aber wenig rechenintensiven Kontinuumsmodell beschrieben. Für den Teil des Gebiets, in dem entweder die Strömungsgeschwindigkeiten oder die Reaktionsraten besonders hoch sind, wird ein Porennetzwerkmodell genutzt. Beide Gebiete werden sorgfältig räumlich gekoppelt. Die Abstrahierung des Porenraums mit einem Porennetzwerkmodell sorgt zusätzlich dafür, dass der Rechenaufwand des Hybridmodells gering bleibt.

Die Forschungsarbeiten, die im Rahmen dieses Projekts ausgeführt werden, sollen nicht nur den aktuellen Kenntnisstand hinsichtlich der beschriebenen Skalierungsprobleme verbessern, sondern auch der allmählichen Etablierung von Hybridmodellen in der geochemischen Modellierung dienen.

Direct link to Lay Summary Last update: 16.03.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

The project aspires to study spatial scaling effects that occur in mineral dissolution and precipitation reaction rates in porous media by means of numerical modelling. Specifically, the focus is on the scaling effects between the pore scale and a scale that is relevant for laboratory experiments (and at which Darcy's law is valid). Due to the spatial scaling effects, flow and transport involving surface-specific reaction rates cannot be arbitrarily upscaled from the micro- to the macroscale (i.e. pore to Darcy scale). Under certain conditions, the accuracy of the macroscale model breaks down.While numerical models at the pore scale are accurate, they are computationally expensive and often infeasible for the description of laboratory-scale observations. In order to circumvent this problem without compromising accuracy, a hybrid model, which spatially couples micro- and macroscale models, will be developed. The approach here is to use a microscale model in those parts of the model domain where it is necessary to guarantee accuracy and a macroscale model throughout the rest of the domain. In terms of computational effort, particular attention will be paid to the applicability of the model to laboratory-scale processes, which will be achieved by representing the microscale with pore-network models.Pore-network models introduce an intermediate scale, connecting the pore scale with the Darcy scale. Each of the two upscaling steps (pore elements to pore network to Darcy) can incur scaling effects. The hybrid model, hence, comprises three parts: a pore-scale model, a pore-network model, and a Darcy-scale model. The pore-scale model informs the pore-network model, providing reaction rates for those pores in which an upscaling is not possible. The pore-network model itself is only used in part of the domain and coupled spatially to a computationally inexpensive Darcy-scale model.The hybrid model will be realised mainly with the multiphase flow simulator DuMuX coupled to the geochemistry simulator Reaktoro. Both simulators are open source. Project partners are Prof. Bernd Flemisch (the main developer and coordinator of DuMuX) from University of Stuttgart and Dr. Chao-Zhong Qin (who has many years of experience with pore-network modelling) from Eindhoven University of Technology.
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