Thermo-hydro-mechanical modeling of pore-fluid phase change in porous media

• Ein thermohydromechanisches Modell zur Beschreibung des Phasenwechsels von Porenfluide in porösen Medien

Sweidan, Abdel Hassan; Markert, Bernd (Thesis advisor); Meschke, Günther (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Report. IAM, Institute of General Mechanics 15
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

In kalten Regionen können Bodenschichten oder Betonfundamenten aufgrund von Frost-Tau-Zyklen Frostschäden aufweisen. Darüber hinaus kann der Einsatz von künstlicher Bodenvereisung in weichen Böden zur temporären Stützung des Untergrunds beim Tunnelaushub oder zur Kontrolle des Grundwassers im Grundbau zu dauerhaften Schäden durch Hebung führen. Des Weiteren hat der Rückgriff auf verschiedene Arten erneuerbarer Energien aufgrund der begrenzten nicht erneuerbaren Energieressourcen und des gestiegenen Umweltbewusstseins eine große Bedeutung erlangt. Die meisten erneuerbaren Energiequellen sind jedoch intermittierend, unberechenbar und nur zu bestimmten Zeiten verfügbar. Daher ist eine effiziente thermische Energiespeicherung notwendig, um die Gesamteffizienz zu erhöhen und eine bessere Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Latente Energiespeicherung unter Verwendung von Phasenwechselmaterialien gilt als eine der effizientesten Möglichkeiten, Energie zu speichern. Da die meisten Phasenwechselmaterialien unter eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, könnten verschiedene Techniken, wie z. B. hochleitfähige poröse Metalle, verwendet werden, um ihre Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherraten zu verbessern. Ziel dieser Arbeit ist es, die gekoppelten thermo-hydro-mechanischen Prozesse zu untersuchen, die beim Phasenwechsel in fluidgesättigten porösen Medien auftreten. Insbesondere wird eine thermodynamisch konsistente Formulierung eingeführt, die zu einem neuartigen phasenfeld-thermo-hydro-mechanischen Modellierungsansatz führt. Das Modell beschreibt makroskopisch ein zweiphasiges poröses Medium, das aus einer nicht-isothermen und inkompressiblen porösen Matrix und einem Porenfluid besteht. Die Bestandteile befinden sich in einem Zustand des lokalen thermischen Nichtgleichgewichts und das Modell nimmt kleine Dehnungen des deformierbaren elastischen Festkörperskeletts an. Die maßgebenden Gleichungen basieren auf der fundierten kontinuumsmechanischen Theorie poröser Medien, erweitert um den Ansatz der Phasenfeldmodellierung (PFM), wobei das Modell die Temperaturentwicklung, die Phasenübergänge des Fluids, die Fluid-Festkörper-Wechselwirkungen und die damit verbundenen volumetrischen Verformungen berücksichtigt werden. Von besonderer Bedeutung in dieser Arbeit ist die PFM-basierte einheitliche kinematische Behandlung der festen und flüssigen Phasen des Porenfluids. Ebenfalls vorgestellt wird eine Demonstration des Mikro-Kryo-Sog-Mechanismus beim gefrieren des Bodens und dessen Implementierung in das Kontinuumsmodell durch eine phänomenologische retentionskurvenähnliche Formulierung. Dies ermöglicht die Modellierung der Eislinsenbildung und des Steifigkeitsabbaus im thermischen (quasi-) stationären Zustand auf der Grundlage eines sauginduzierten Phasenfeldbruchansatzes. Das Modell wird erweitert, um den Gefrierprozess in einem teilgesättigten Boden als dreiphasiges Medium unter Berücksichtigung der Wasserund Gasphasen (Luft) zu beschreiben. Die vorgestellten numerischen Beispiele und Vergleiche zeigen die Fähigkeit, Zuverlässigkeit und Nützlichkeit der vorgeschlagenen Formulierung bei der Beschreibung des Phasenwechselprozesses in porösen Medien unter thermischer Belastung.