Visualisierung und Modellierung der Evaporation mittels repräsentativen 2D-Mikromodellen und universellen Skalengesetzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Fokus des Forschungsprojektes lag auf der Visualisierung und Quantifizierung der Mehrphasen-Strömungsprozesse während der Verdunstung (Evaporation) aus porösen Medien mittels repräsentativen Mikromodellexperimenten. Die 2D-Mikromodelle müssen wichtige topologische und morphologische Eigenschaften von realen 3D-Bodentypen repräsentieren und die 2D-Strukturen müssen hinreichend groß sein, um repräsentative statistische Mittelwerte zu liefern. Die Quantifizierung und Prozessbeschreibung erfolgte mit den beiden wichtigsten Evaporationsmodellen – das IPE-Modell und das SSC-Modell –, welche derzeit in der internationalen Literatur verwendet werden. Die zentrale Hypothese des IPE-Modells ist, dass die Porenstruktur (Porengrößenverteilung) eindeutig den zeitlichen Verlauf der Massenverlustkurve bei der Evaporation bestimmt. Im Gegensatz dazu basiert das SSC-Modell auf der Hypothese, dass die geometrischen Eigenschaften eines repräsentativen Porenkanals den zeitlichen Verlauf des Evaporationsprozesses bestimmen. Um die Aussagekraft beider semi-phänomenologischer Modelle zu testen, wurden Mikromodelle mit unterschiedlicher Oberflächenrauigkeit hergestellt. Dazu wurden zwei unterschiedliche Mikrostrukturierungsmethoden verwendet: a) Plasma-DRIE-Etching von Silizium-Substraten und b) Chemical-Etching von Glaskeramik-Substraten; wobei letztere Methode zu rauen inneren Oberflächen führt. Dies erlaubt den Einfluss von Thick-Film-Flow (Dickschichtströmung) auf den Evaporationsprozess eindeutig zu bestimmen. Mit allen Mikromodellen wurden Evaporationsexperimente in vertikaler und horizontaler Richtung bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Wichtige Ergebnisse der Untersuchungen sind: 1. Das komplexe Zusammenspiel von verschiedenen kapillaren Wasserströmungen (Eckenströmung = Corner Flow (CF) und Thick-Film Flow (TFF)), verursacht durch die innere Geometrie und Oberflächenrauigkeit der Poren, bestimmt die geometrischen Muster und den zeitlichen Verlauf des Evaporationsprozesses. 2. Beide Modelle waren in der Lage den frühen zeitlichen Verlauf der Massenverlustkurve zu beschreiben, folglich sollte hier die Porenstruktur (Porengrößenvereteilung) eine eher untergeordnete Rolle spielen. Unsere Studie kommt zu dem Schluss, dass das SSC-Modell besser in der Lage ist den komplexen Evaporationsprozess quantitativ zu beschreiben. 3. Weiterhin belegt unsere Studie, sowohl experimentell als auch theoretisch, dass Oberflächenrauheit und Benetzbarkeit eine Schlüsselrolle für das Zeit- und Temperaturverhalten des Evaporationsprozesses spielen. Ein zentrales Ergebnis ist die starke zeitliche Korrelation zwischen Massenverlust und den geometrischem Fluid-Mustern der ungesättigten CF- und TFF-Region. 4. Weiterhin zeigt unsere Studie, dass für eine konsistente Beschreibung des zeitabhängigen Massenverlustes und der Geometrie der CF/TFF-Region die Fraktalität der Evaporationsfront berücksichtigt werden muss.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018). Evaporation Study for real soils based on HYPROP hydraulic functions and micro-CT measured pore-size distribution. Vadose Zone Journal 17:180041
Geistlinger, H., and F. Leuther
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(2019). Evaporation study based on micromodel experiments: Comparison of theory and experiment. Water Resources Research, 55
Geistlinger, H., Ding, Y., Apelt, B., Schlüter, S., Küchler, M., Reuter, D., et al.
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(2021). Impact of surface roughness on evaporation in 2D micromodels. Water Resources Research, 57, e2021WR029861
Ding, Y., & Geistlinger, H.
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(2021). Impact of wettability and gravity on fluid displacement and trapping in representative 2D micromodels of porous media (2D sand analogs). Water Resources Research e2021WR029908
Golmohammadi, S., Ding, Y., Küchler, M., Reuter, D., Schlueter, St., Amro, M. & Geistlinger, H.
