Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop R. Hinkelmann, S. Pham Van.

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1 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

2 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

3 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

4 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

5 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)

6 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

7 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

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

9 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

10 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

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

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

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

14 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

15 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

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

17 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:

18 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] 0.0 0 0.20.40.60.81.0 2 4 6 8 10 PePe capillary pressure - saturation 1.0 water saturation S w [-] relative permeability [-] 0.0 0.20.40.60.8 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 relative permeability - saturation

19 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

20 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.

21 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

22 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

23 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)

24 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

25 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

26 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

27 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

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

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

30 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

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

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

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

34 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

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

36 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

37 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

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

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

40 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

41 Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Finite volume mesh 24672 nodes 136646 elements

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

43 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

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

45 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

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

47 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 = 100000 + 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 = 100000 [Pa], S g = 0.0 [-] K1K1

48 Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Computational grid and parameters: homogeneous case parameters: - permeabilities: K 1 = 10 -12 [m 2 ], K 2 = 10 -10 [m 2 ] - Brooks-Corey model: p d = 1000 [Pa], = 2 - Van Genuchten model: n = 4.366, = 0.00073 K1K1 K2K2

49 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)

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

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

52 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 = 100000 + 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 = 100000 [Pa], S g = 0.0 [-]

53 Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop parameters case 1: - permeabilities: K 1 = 10 -12 [m 2 ], K 2 = 10 -10 [m 2 ], K 3 = 10 -10 [m 2 ] - Brooks-Corey model: p d1 = 1000 [Pa], p d3 = 100 [Pa], = 2 parameters case 2: - permeabilities: K 1 = 10 -12 [m 2 ], K 2 = 10 -10 [m 2 ], K 3 = 10 -14 [m 2 ] - Brooks-Corey model: p d1 = 1000 [Pa], p d3 = 10000 [Pa], = 2 scaling with Leverett-function: Computational grid and parameters: two-layer system

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

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

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

57 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 = 100000 + 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 = 100000 [Pa], S g = 0.0 [-] K1K1

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

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

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

61 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 = 100000 + 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 = 100000 [Pa], S g = 0.0 [-] K1K1

62 Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydroinformatik DYNAS Workshop Computational grid and parameters: system with fracture parameters: - permeabilities: K 1 = 10 -12 [m 2 ], K 2 = 10 -10 [m 2 ] - Brooks-Corey model: p d = 1000 [Pa], = 2 - fracture: K f = 10 -9 [m 2 ], b = 1 [cm], b = 0.1 [cm] K1K1 K2K2

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

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

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

66 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

67 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.

68 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

69 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

70 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

71 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

72 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