Coupling of porous media flow with pipe flow
Poroz ortamdaki akışın borudaki akışla birleştirilmesi
- Tez No: 1012387
- Danışmanlar: PROF. DR. RAINER HELMIG
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Environmental Engineering, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Unıversıtat Stuttgart
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Hidrolik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Hidrolik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Çevresel, teknik ve biyolojik sistemlerdeki birçok akış problemi, gözenekli ortamda gerçekleşen akış bölgesi ile serbest akış kanalları arasındaki belirgin etkileşim ile karakterize edilir. Bu tür sistemlere şu örnekler verilebilir: Madenler: İşletilmemiş kömür damarlarından açığa çıkan metan, yalnızca gözenekli kayaçlar içerisinden değil, aynı zamanda maden galerileri ve kuyuları boyunca da hareket eder. Heyelanlar: Makrogözenekler aracılığıyla gerçekleşen ani su sızması heyelanları tetikleyebilir. Polimer elektrolit membran yakıt hücreleri: Reaktif gazların serbest akış kanallarından gözenekli difüzyon tabakalarına taşınması, katot reaksiyon tabakasında oluşan ve gözenekli difüzyon tabakalarından serbest akış kanallarına doğru hareket eden suyun uzaklaştırılması süreciyle güçlü bir şekilde etkileşir. Kanser tedavisi: Tedavi edici ajanlar, tümör hücrelerini hedeflemek amacıyla kan damarları aracılığıyla dokuya taşınır. Bu çalışmanın amacı, yeni model birleştirme stratejileri geliştirmek ve yukarıda belirtilen karmaşık sistemlerin modellenmesine temel oluşturabilecek birleşik sayısal modeller geliştirmektir. Bu çalışmada, gözenekli ortam akışı ile daha düşük boyutlu boru akışının birlikte çözümü için ikili-süreklilik yaklaşımına dayalı farklı modelleme kavramları geliştirilmiş ve test edilmiştir. Sayısal uygulama için, 3 boyutlu gözenekli ortam ağı içerisine yerleştirilmiş 1 boyutlu boru ağı oluşturlarak özel bir hesaplama ağı geliştirilmiştir. İkili-süreklilik yaklaşımı, çok fazlı gözenekli ortam akışını daha düşük boyutlu tek fazlı boru akışıyla bağlaştıracak şekilde genişletilmiştir. Ele alınan akış rejimlerinin karmaşıklığı aşamalı olarak artırılmıştır. Hem gözenekli ortamda hem de boru akışı bölgesinde tek fazlı sıkıştırılamaz ve sıkıştırılabilir akışın bağlaştırılmasına ilişkin örnekler sunulmuştur. Tek fazlı bağlaştırma stratejisi, kontrollü laboratuvar koşullarında gerçekleştirilen deneylerden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Bunun yanı sıra, tek fazlı boru akışı ile doymamış zemin bölgesini tanımlayan Richards denklemi tabanlı çok fazlı akışın bağlaştırılması modellenmiştir. Bu model, iki süreklilik arasındaki kütle değişim hızında kapiler etkilerin önemli rolünü açıkça göstermektedir. Bir sonraki model, iki fazlı gözenekli ortam akışının tek fazlı boru akışıyla bağlaştırılması için bir yaklaşım sunmaktadır. Bu model, hareketlilik değişim iki ortam arasındaki kütle transfer hızını belirlemede kritik öneme sahip olabileceğini ortaya koymaktadır. Son olarak, iki fazlı iki bileşenli gözenekli ortam akışının, tek fazlı iki bileşenli boru akışıyla bağlaştırıldığı bir model sunulmaktadır. Bu model, yalnızca hareketlilik değişim terimini değil, aynı zamanda iki süreklilik arasında taşınan bileşenlerin derişimlerini de dikkate alarak daha karmaşık taşınım sistemlerini benzetebilmektedir. Çalışmada, her iki süreklilikte bulunan bileşen derişimlerinin, değiş tokuş edilen kütlenin bileşim oranı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Many flow problems in environmental, technical and biological systems are characterized by a distinct interaction between a flow region in porous medium and a free flow region in quasi-one-dimensional hollow structures. Examples for such systems are Mines: Methane released from unmined coal seams migrates through the porous rocks, but also through tunnels and shafts in the mine. Landslides: A sudden water infiltration through macropores may trigger landslides. Polymer electrolyte membrane fuel cells: The supply of reactive gases through free-flow channels into the porous diffusion layers interacts strongly with the evacuation process of the water, which is formed at the cathode reaction layer and flows from the porous diffusion layers into the free-flow channels. Cancer therapy: Therapeutic agents are delivered via the blood vessels into the tissue, targeting the tumor cells. The goal of this study is to introduce new coupling strategies and to develop coupled numerical models which can form a basis for further studies modeling the complex systems mentioned above. In this study, different model concepts based on a dual-continuum strategy for the simulation of coupled porous media flow with lower-dimensional pipe flow are further developed and tested. For the numerical implementation a special grid called 1D pipe network grid in a 3D porous grid is developed. The dual-continuum concept is extended for coupling multi-phase porous media flow with lower-dimensional single-phase pipe flow. The complexity of the considered flow regimes is increased gradually. Examples are given for a coupled single-phase incompressible and compressible flow in both porous media and pipe flow domains. The single-phase coupling strategy is tested by comparing the results with results of the experiment done in controlled laboratory conditions. Furthermore, the coupling of single-phase pipe flow with a multiphase flow based on Richard's equation for the unsaturated soil zone is modeled, where the important role of capillary effects for the mass exchange rate between the two continua can be illustrated. The next model introduces a concept for a two-phase porous media flow coupled with a single-phase (gas) pipe flow problem, which reveals that the mobility exchange term can be decisive for the mass exchange rate. The final model presents a concept for coupling two-phase two-component porous media flow with single-phase two-component pipe flow. This model is able to simulate more complicated transport systems by accounting not only for the mobility exchange term but also for the concentrations of the exchanged components between the continua. It is shown that the concentrations of the components in each continua play a significant role for the compositional ratio of the exchanged mass.
Benzer Tezler
- Numerical simulation of a coupled geothermal pavementsystem with event-based pump control
Koşula bağlı pompa kontrolü uygulananbirleştirilmiş jeotermal yol yüzeyisiteminin sayısal simülasyonu
ELVAN KESKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZER ÇİNİCİOĞLU
- Constitutive and numerical modeling of hydro-mechanically coupled behavior of unsaturated soils
Doygun olmayan zeminlerin hidro-mekanik bağlaşık davranışının bünyesel ve sayısal modellenmesi
MUSTAFA MERT EYÜPGİLLER
Doktora
İngilizce
2025
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET BARIŞ CAN ÜLKER
- Kazı ve kazık problemlerinin sonlu elemanlar metodu yardımı ile çözümü
Solution of excavation and piles problems using by finite element method
BÜLENT AYDIN
- Zemin mühendisliğinde gerilme şekil değiştirme davranışının sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi
Stress-strain analysis by finite element method in geotechnical engineering
ELİF YILMAZ
- Multiphysics modeling of surface charge and pressure-driven electrokinetic flow in micro/nano scale porous media
Mikro/nano ölçeklerdeki gözenekli yapılarda yüzey yükü ve basınç tahrikli elektrokinetik akışın çoklu-fizik modellemesi
TÜMCAN ŞEN
Doktora
İngilizce
2021
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT BARIŞIK
