ChaosAD

ChaosAD zielt darauf ab, experimentelle Beweise für die Auswirkungen chaotischer Advektion auf den Transport von gelösten Stoffen und die Verbesserung der Mischung in porösen Medien zu liefern. Die experimentelle Arbeit wird durch die Entwicklung fortgeschrittener numerischer Methoden ergänzt, um eine genaue modellbasierte Interpretation der Ergebnisse durchzuführen.

Hauptfrage:

Werden die theoretischen und numerischen Ergebnisse, die in jüngsten Veröffentlichungen über chaotische Advektion und die damit verbundene Verbesserung der Mischung in porösen Medien erzielt wurden, durch experimentelle Beweise gestützt?

Hypothesen:

a) Entwickelte Injektions-/Extraktionsprotokolle können unter kontrollierten Laborbedingungen reproduziert werden und effektiv zu chaotischer Advektion führen, was wiederum eine signifikante Verbesserung der Mischung zur Folge hat (d.h. mehr als die Unsicherheit der experimentellen und Modellergebnisse, die unter transienten, aber nicht chaotischen Bedingungen erzielt wurden).

 b) Transiente Strömungen an der Grenze zwischen Süß- und Salzwasser können experimentell unter kontrollierten Laborbedingungen hergestellt werden und führen zu chaotischer Advektion und folglich zu einer signifikanten Verbesserung der Mischung, auch wenn die Dichteeffekte der verschiedenen Lösungen berücksichtigt werden.

c) Chaotische Advektion kann die Mischung sowohl unter advektions- als auch diffusionsdominierten Bedingungen des regionalen Grundwasserflusses verbessern, und es können experimentelle Beweise für konservative und für reaktive Tracer erbracht werden, deren Transport auch durch dichtegetriebene Effekte und/oder Verzögerungen aufgrund von Massentransferprozessen zwischen den Phasen beeinflusst sein kann.

Spezifische Ziele:

1. Drei geeignete Labor-Maßstabsexperimente zu bauen, die chaotische Advektionsflüsse im Darcy-Maßstab demonstrieren.
2. Genau nicht-invasive optische Techniken zu entwickeln, um räumlich verteilte Konzentrationen verschiedener Tracer zu messen und die Verbesserung der Mischung durch chaotische Advektion zu demonstrieren.
3. Zu testen, ob die Erzeugung chaotischer Advektion durch experimentelle Einschränkungen begrenzt ist (z.B. die Zeit für die Neuausrichtung des Strömungsfeldes mit einem Pumpsystem, die Unsicherheit in der Pumpenrate des Systems und die Unsicherheit im mittleren Grundwasserfluss), die Reproduzierbarkeit der Experimente zu testen und die experimentelle Unsicherheit in den Ergebnissen zu quantifizieren.
4. Numerische Methoden/Codes zu entwickeln, die in der Lage sind, die Experimente genau zu modellieren und die experimentellen Ergebnisse unter Berücksichtigung der experimentellen und Modellunsicherheiten zu erklären.
5. Zu testen, ob neu entwickelte theoretische Metriken, wie die kritische Reaktionszeit und der Verdünnungsindex reaktiver Arten, unter Bedingungen chaotischer Advektion und für die Interpretation der Laborversuche angewendet werden können.
6. Numerische Simulationen zu verwenden, um die Relevanz der im Labor erzielten Ergebnisse für praktische Feldmaßstabsszenarien zu untersuchen.

Projektdauer: Februar 2022 bis Februar 2024

Projektfinanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Projektteam: Prof. Gabriele Chiogna, Dr.-Ing. Mónica Basilio Hazas, M.Sc. Carla Feistner