Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop R. Hinkelmann, S. Pham Van Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik, Institut für Bauingenieurwesen, Technische Universität Berlin M. Paul, H. Sheta, T. Breiting, R. Helmig Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung, Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart Multiphase Models for Hillslope Hydrology

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Contents Introduction Basic equations and numerical simulation Examples of simulating two-phase flow processes in the subsurface Conclusions and outlook

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Contents Introduction Basic equations and numerical simulation Examples of simulating two-phase flow processes in the subsurface Conclusions and outlook

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop surface water coastal area sea river estuary lake reservoir atmosphere interactions rain evaporation interactions groundwater spring surface-water infiltration Systems in the hydrological cycle subsurface pore aquifer fractured aquifer karstic aquifer

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Space scales in a subsurface system catchment area hydrogeological aquifer structure local heterogeneity km m mm m single pore Kobus (1995)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Time scales surface water groundwater turbulence wave velocity pore velocity adsorption desorption 1 m/d 1 m/s flow velocity in- exfiltration 1 m/h

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Processes flow (e.g. water, soil air) mass transport (e.g. contaminants, diffusive sources) heat transport (e.g. cooling water, thermal soil remediation) reaction, decay (e.g. adsorption, radioactive decay) mass transfer (e.g. evaporation, condensation) complex coupled multi-dimensional, space and time dependent

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Models in the hydrological cycle

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Modeling of hydrosystems hydro- systems processes model approaches, methods, points of view - discretization and stabilization methods - parallel and adaptive methods and fast solvers - information processing - further methods

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop model approaches:- hydrodynamical numerical - conceptual - system theoretical methods:- statistical - deterministical - experimental points of view:- Eulerian - Lagrangian Principal model approaches, methods and points of view

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Monograph in Springer series Wasserqualität

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Hillslope in an alpine region

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Unsaturated zone layers macro-pores preferential flow path

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Contents Introduction Basic equations and numerical simulation Examples of simulating two-phase flow processes in the subsurface Conclusions and outlook

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Model concept for two-phase flow in porous media S saturation volume of fluid phase volume of pore space

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Model concepts for fractured-porous media Hinkelmann (2003)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Basic equations mass conservation for phase : extended Darcy law for phase : 2 supplementary conditions:

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Constitutive relationships Van Genuchten: n = 4.37 m = 0.77 = 0.37 Brooks-Corey: = 2.00 P d = 2.00 S w = 0.10 water saturation S w [-] capillary pressure P c [10 5 Pa] PePe capillary pressure - saturation 1.0 water saturation S w [-] relative permeability [-] relative permeability - saturation

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Discretization with Box method time: implicit Euler method space: node-centered FVM with fully upwinding for the flux terms control volume subdomain B i BiBi iv integration path center of gravity of element e i j e advantages: - stable - locally mass conservative - monotonous - unstructured grids disadvantages: - 1st order accuray in time and space - numerical dispersion

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Discretization and solvers non-linearities: Newton-Raphson Method inner solver: BiCGSTAB with Multigrid preconditioning idea Box method: - Use advantages of simple methods. - Compensate the disadvantages with parallel and adaptive methods as well as fast solvers.

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop MUFTE Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung, Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik, Institut für Bauingenieurwesen, Technische Universität Berlin UG Institut für Wissenschaftliches Rechnen, Universität Heidelberg Unstructured Grid Simulator MUFTE_UG Multiphase Flow, Transport and Energy Model

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop MUFTE UG Simulator MUFTE_UG problem descriptions constitutive relationships physical model concepts mathematical model concepts discretization methods numerical schemes refinement, coarsening criteria physical interpretation multigrid data structure local mesh refinement solver (CG, multigrid...) r, h, p- adaptive methods parallelization user interfaces visualization

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Parallel Speedup on Linux-Cluster theoretical LH Linux-Cluster 2 Ölmann, Hinkelmann, Manthey, Lang, Helmig (2002)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop preprocessing CAD database geostatistical methods mesh generator geometry mesh uncertainties physical properties AUTOCAD MySQL SIMSET ART processing numerical smulator simulation heuristics optimization postprocessimg analyses results TECPLOT AVS visualization tools statistical tools Modeling system MUFTE_UG

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Contents Introduction Basic equations and numerical simulation Examples of simulating two-phase flow processes in the subsurface Conclusions and outlook

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Contents Introduction Basic equations and numerical simulation Examples of simulating two-phase flow processes in the subsurface - dike - methane - experimental slope Conclusions and outlook

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Contents Introduction Basic equations and numerical simulation Examples of simulating two-phase flow processes in the subsurface - dike - methane - experimental slope Conclusions and outlook

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Dike failure

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Coastal defense structure

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Experiment ETH Zürich Hele-Shaw model, ETH Zürich zone 1 zone 2 zone 3 zone 4 96 cm 24 cm zone 1: coarse sand zone 2: fine sand (K 2 < K 1 ) zone 3: coarse sand zone 4: gravel (K 4 > K 1 ) model glass infiltration of oil slot between glass and model

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Experiment and simulation Paul, Stauffer, Hinkel- mann, Helmig (2000) Paul (2003)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Experiment and simulation Paul, Stauffer, Hinkel- mann, Helmig (2000) Paul (2003)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Paul, Stauffer, Hinkelmann, Helmig (2000) Paul (2003) Results of the adaptive simulation

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Contents Introduction Basic equations and numerical simulation Examples of simulating two-phase flow processes in the subsurface - dike - methane - experimental slope Conclusions and outlook

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Abandoned coal mine

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Problem description dangers of methane pit gas combustable, explosive danger of suffocation negative effects on using of buildings

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Problem description closing coal mine stopping of ventilation stopping of water pumping partially filling of the shafts with suction devices duration: several years

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop gas drainage gas pipe with Protego cab Practical problem cases

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Principle sketch

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop System, initial and boundary conditions IC: p w = p hyd, s g = 0 BC: top: p w = p atm, s g = 0 ; else: q w = 0, q g = 0 shaft seamroad

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Finite volume mesh nodes elements

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Gas saturation Data Explorer

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop System with geostatistical fractures, initial and boundary conditions IC: p w = p hyd, s g = 0 BC: top: p w = p atm, s g = 0 ; else: q w = 0, q g = 0 shaft coal seam fracture

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Gas saturation

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Contents Introduction Basic equations and numerical simulation Examples of simulating two-phase flow processes in the subsurface - dike - methane - experimental slope Conclusions and outlook

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Infiltration experiment width surface runoff macro-pores surface fixing GWT rain fall

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Sketch of the system: homogeneous case no flow Dirichlet K2K2 no flow x z initial conditions: p w = gh [Pa], S g = 1.0, S gr = 0.01 [-], S wr = 0.1 [-] no flow (Neumann) boundary conditions: q w = 0.0, q g = 0.0 Dirichlet boundary conditions: p w = [Pa], S g = 0.0 [-] K1K1

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Computational grid and parameters: homogeneous case parameters: - permeabilities: K 1 = [m 2 ], K 2 = [m 2 ] - Brooks-Corey model: p d = 1000 [Pa], = 2 - Van Genuchten model: n = 4.366, = K1K1 K2K2

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop time: 153min P d = 0 time: 153min P d = 1000Pa time: 153min P d = 10000Pa Water saturation for different p d : homogeneous case Pham Van (2004)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Pham Van (2004) Water saturation for different p d : homogeneous case

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Water saturation for BC und VG model: homogeneus case Pham Van (2004)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Sketch of two-layer system K3K3 no flow Dirichlet x z K1K1 K2K2 initial conditions: p w = gh [Pa], S g = 1.0, S gr = 0.01 [-], S wr = 0.1 [-] no flow (Neumann) boundary conditions: q w = 0.0, q g = 0.0 Dirichlet boundary conditions: p w = [Pa], S g = 0.0 [-]

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop parameters case 1: - permeabilities: K 1 = [m 2 ], K 2 = [m 2 ], K 3 = [m 2 ] - Brooks-Corey model: p d1 = 1000 [Pa], p d3 = 100 [Pa], = 2 parameters case 2: - permeabilities: K 1 = [m 2 ], K 2 = [m 2 ], K 3 = [m 2 ] - Brooks-Corey model: p d1 = 1000 [Pa], p d3 = [Pa], = 2 scaling with Leverett-function: Computational grid and parameters: two-layer system

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Water saturation: two-layer system, case 1 (preliminary) Pham Van (2004)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Water saturation: two-layer system, case 1 (preliminary) Pham Van (2004)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Water saturation: two-layer system, case 2 (preliminary) Pham Van (2004)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop System with small-scale heterogeneities no flow Dirichlet K2K2 no flow x z initial conditions: p w = gh [Pa], S g = 1.0, S gr = 0.01 [-], S wr = 0.1 [-] no flow (Neumann) boundary conditions: q w = 0.0, q g = 0.0 Dirichlet boundary conditions: p w = [Pa], S g = 0.0 [-] K1K1

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Geostatistical permeability fields Bardossy (1992)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Water saturation: system with small-scale heterogeneities Pham Van (2004)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Water saturation: system with small-scale heterogeneities Pham Van (2004)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop System with fracture no flow Dirichlet K2K2 no flow x z initial conditions: p w = gh [Pa], S g = 1.0, S gr = 0.01 [-], S wr = 0.1 [-] no flow (Neumann) boundary conditions: q w = 0.0, q g = 0.0 Dirichlet boundary conditions: p w = [Pa], S g = 0.0 [-] K1K1

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Computational grid and parameters: system with fracture parameters: - permeabilities: K 1 = [m 2 ], K 2 = [m 2 ] - Brooks-Corey model: p d = 1000 [Pa], = 2 - fracture: K f = [m 2 ], b = 1 [cm], b = 0.1 [cm] K1K1 K2K2

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Water saturation: system with fracture (b=1cm) Pham Van (2004)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Pham Van (2004) Water saturation: system with fracture (b=1cm)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Pham Van (2004) Water saturation: system with fracture (b=0.1cm, 1cm)

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Contents Introduction Basic equations and numerical simulation Examples of simulating two-phase flow processes in the subsurface Conclusions and outlook

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Conclusions Different layers, small-scale heterogeneities and fractures have a strong influence on the water infiltration. Improved model concepts for simulating water infiltration into macro-pores should be developed in the future based on controlled experiments: - double-continuum model concept - coupling a porous medium with a pipe The results should contribute to a model concept for simulating fluid-structure interaction in a hillslope.

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Planned joint project: Coupling of flow and deformation processes for modeling hillslope movements

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop project 1: Numerical modeling of surface runoff coupled to the unsaturated zone and further process identification for a hillslope movement project 2: Numerical simulation of two-phase flow and mass-transfer processes in the subsurface project 3: continuum mechanics of hillslope movements project 4: Experimental investigation on the technical scale for process identification and for verification of numerical models hillslope movements partners: - Institut für Geoökologie, Universität Potsdam - Institut für Mechanik, Universität Stuttgart - Institut für Wasserbau, VEGAS, Universität Stuttgart - Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik, Universität Karlsruhe Planned joint project: Coupling of flow and deformation processes for modeling hillslope movements

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Project 2 Numerical simulation of two-phase flow and mass-transfer processes in the subsurface subsurface flow: multi-dimensional two-phase flow model concept macro-pores: combinded model model concept, double continuum approach, coupling pipe and porous medium upscaling, uncertainties: geostatistical methods later transport, mass transfer: multi-dimensional non-isothermal two-phase / multicomponent flow and transport model concept reduction of event-dependent calibration

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Model concept for non-isothermal two-phase / three-component flow and transport energy

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop R. Hinkelmann, S. Pham Van Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik, Institut für Bauingenieurwesen, Technische Universität Berlin M. Paul, H. Sheta, T. Breiting, R. Helmig Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung, Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart Multiphase Models for Hillslope Hydrology ENDE