Multiphase flow and transport in fractured rock is of importance to many practical and engineering applications. In the field of groundwater hydrology an issue of significant environmental concern is the release of dense non-aqueous phase liquids (DNAPLs) which can cause long-term groundwater contamination in fractured aquifers. This study deals with two fundamental processes – fluid displacement and interphase mass transfer – concerning the behavior of the multiphase contaminants in fractured media. The focus of this work has been placed on improving the current understanding of small-scale (single fracture) physics by a combined effort of numerical modeling analysis, laboratory experiments and model development. This thesis contributes to the improved understanding through several aspects. Firstly, the effect of aperture variability, as characterized by geostatistical parameters such as standard deviation and correlation length, on the DNAPL entrapment, dissolution and source-depletion behaviors in single fractures was revealed. Secondly, a novel, generalized approach (adaptive circle fitting approach) to account for the effect of in-plane curvature of fluid-fluid interfaces on immiscible fluid displacement was developed; the new approach has demonstrated good performance when applied to simulate previously published experimental data. Thirdly, the performance of a continuum-based two-phase flow model and an invasion percolation model was compared for modeling fluid displacement in a variable-aperture fracture and the dependence of fracture-scale capillary pressure – saturation relationships on aperture variability was studied. Lastly, through experimental studies and mechanistic numerical modeling of DNAPL dissolution, kinetic mass transfer characteristics of two different entrapment configurations (residual blobs and dead-end pools) were investigated. The obtained understanding from this thesis will be useful for predictive modeling of multiphase contaminant behavior at a larger (fracture network) scale. / Flerfasflöde och ämnestransport i sprickigt berg är av betydelse för många praktiska och tekniska problem. Tunga, svårlösliga organiska vätskor (engelska: dense non-aqueous phase liquids: DNAPLs; t.ex. klorerade lösningsmedel) kan orsaka långvarig förorening av vattenresurser, inklusive akviferer i sprickigt berg, och utgör ett viktigt miljöproblem inom grundvattenhydrologin. Denna studie behandlar två fundamentala processer för spridning av flerfasföroreningar i sprickiga medier – utbredning av den organiska vätskan och massöverföring mellan organisk vätska och vatten. Arbetet har fokuserat på att förbättra nuvarande kunskap om de fysikaliska processerna på liten skala (enskilda sprickor) genom en kombination av numerisk modellering, laboratorieexperiment och modellutveckling. Avhandlingen har bidragit till utökad processförståelse i flera avseenden. För det första har arbetet belyst effekterna av sprickaperturens variabilitet, uttryckt med geostatistiska parametrar som standardavvikelse och rumslig korrelationslängd, på fastläggning och lösning av organiska vätskor i enskilda sprickor, samt utmattningsbeteendet hos dessa källor till grundvattenförorening. För det andra har en ny, generell metod (adaptiva cirkelpassningsmetoden) för att ta hänsyn till effekten av krökningen av gränsytan mellan organisk vätska och vatten i sprickplanet utvecklats; denna metod har visats fungera väl i simuleringar av tidigare publicerade experimentella data. För det tredje, har en jämförelse gjorts mellan en kontinuumbaserad tvåfasflödesmodell och en invasions-perkolationsmodell med avseende på hur väl de kan simulera tvåfasflöde i en spricka med varierande apertur. Här studerades även hur relationen mellan kapillärtryck och mättnadsgrad på sprickplansskala beror av variabiliteten i sprickapertur. Till sist undersöktes lösning av den organiska vätskan i grundvatten för två fastläggningsscenarier (fastläggning i immobila droppar och ansamling i fällor – ”återvändssprickor”) både genom experiment och mekanistisk numerisk modellering. Kunskapen som tagits fram i denna avhandling bedöms vara användbar även för att modellera spridningen av flerfasföroreningar på större (spricknätverks-) skalor.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:uu-183720 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Yang, Zhibing |
| Publisher | Uppsala universitet, Luft-, vatten och landskapslära, Uppsala |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, 1651-6214 ; 994 |
Page generated in 0.0022 seconds