Continuum thermodynamic modelling of porous medium with application to ground freezing
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (monograph)
| Defence date: 2018-09-14
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
170
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 155/2018
Abstract
A thermodynamically consistent approach to model porous medium as a multicomponent mixture of immiscible and miscible phases with applications to ground freezing is presented. The approach is based on the theory of mixtures and the basic principles of continuum mechanics and macroscopic thermodynamics. It includes the balance equations of mass, momentum, angular momentum and energy, and the constitutive relations, which are derived by using the entropy inequality and non-smooth thermodynamic potentials of state and dissipation. It is shown that the approach provides a method to model microscopic processes such as molecular interactions on the macroscopic level by using macroscopic quantities. The approach also shows that constraints on the constitutive quantities have important consequences which it is able to describe as constitutive relations such as a general definition for the constituent temperatures. The approach is used to formulate a model for freezing and thawing of saline water saturated ground. The model includes a description for heat and mass transfer in freezing and thawing ground, phase change of groundwater being affected by groundwater pressure, salt concentration and molecular interactions between water and ground matter, and exclusion of salt during freezing. The density driven groundwater flow in unfrozen and partially frozen ground, and deformations of ground are also included. The quality of the model is investigated by numerical simulations on experimental tests. Noteworthy results of the formulation include the Stokes-Einstein relation for the molecular diffusion coefficient of dissolved salts and an accurate description for the phase change of water. The model is used to investigate the development of permafrost and perennially frozen ground at Forsmark in Sweden on time-scales of 45,000 and 115,000 years by using site-specific information on physical properties of ground. Time histories of ground level air temperatures, shoreline migration, soil and vegetation cover, as well as heat generation from the spent fuel at a depth of 450–470 metres are also considered. The results have been used in the safety assessment of nuclear waste disposal to formulate radionuclide release scenarios as well as to provide input data to groundwater flow modelling.Työssä esitetään termodynaamisesti johdonmukainen lähestymistapa huokoisen aineen mallintamiseksi toisiinsa sekoittuneiden ja sekoittumattomien faasien seoksena sovellettuna maan jäätymiseen. Seosteoriaan ja jatkuvan aineen mekaniikan ja makroskooppisen termodynamiikan periaatteisiin perustuva mallinnus koostuu massan, liikemäärän, liikemäärän momentin ja energian taseen muodostamisesta sekä konstitutiivisten yhteyksien johtamisesta entropiaepäyhtälöä ja epäsileitä termodynaamisia tila- ja dissipaatiopotentiaaleja käyttäen. Työssä osoitetaan, että lähestymistapa tarjoaa makroskooppisella tasolla toimivan menetelmän mikroskooppisten prosessien mallintamiseksi makroskooppisilla suureilla. Lähestymistapa myös osoittaa, että konstitutiivisiin suureisiin kohdistuvien rajoitteiden seuraukset ovat merkittäviä ja että se kykenee kuvaamaan ne konstitutiivisina yhtälöinä kuten komponenttien lämpötilan yleinen määritelmä. Lähestymistapaa sovelletaan yksityiskohtaisen mallin muodostamiseksi jäätyvälle ja sulavalle suolaisen veden kyllästämälle maalle sisältäen kuvauksen lämmön ja massan siirrosta jäätyvässä ja sulavassa maassa, pohjaveden faasin muutoksesta veden paineen ja suolapitoisuuden vaikutukset huomioiden, suolojen erottumisesta jäätymisen yhteydessä, tiheysvaihtelun aiheuttamasta pohjaveden virtauksesta sekä maan muodonmuutoksista. Mallin soveltuvuutta tutkitaan laboratoriokokeiden numeeristen simulaatioiden avulla. Huomionarvoisia tuloksia ovat liuenneiden suolojen molekulaarisen diffuusiokertoimen Stokes-Einstein –relaatio sekä veden faasinmuutoksen täsmällinen kuvaus. Mallilla tutkitaan ikiroudan ja pysyvästi jäätyneen maan kehittymistä Ruotsin Forsmarkissa 45000 ja 115000 vuoden ajanjaksoilla ottaen huomioon paikkakohtaiset maan fysikaaliset ominaisuudet ja maanpinnan tason ilman lämpötilan muutokset, rantaviivan liike, maakerrosten ja kasvillisuuden muutokset sekä ydinjätteen loppusijoituskohteessa 450-470 metrin syvyydellä ydinjätteestä vapautuva lämpö. Mallinnuksen tuloksia on hyödynnetty ydinjätteen loppusijoituksen turvallisuusarviointia varten tehtyjen radionuklidien vapautumisennusteiden laadinnassa ja pohjaveden virtauksen mallintamisessa.Description
Supervising professor
Paavola, Juha, Prof., Aalto University, Department of Civil Engineering, FinlandKeywords
porous media, continuum thermodynamics, non-smooth mechanics, ground freezing, huokoinen materiaali, jatkuvan aineen termodynamiikka, epäsileä mekaniikka, maan jäätyminen
