Modellierung von Strömungs- und Transportprozessen in geklüfteten Medien: vom natürlichen Kluftsystem zum numerischen Gitternetzwerk
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| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1996
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| adam_text | Titel: Modellierung von Strömungs- und Transportprozessen in geklüfteten Medien
Autor: Kosakowski, Georg
Jahr: 1996
FORTSCHRITTBERICHTE VW Dipl.-Geophys. Georg Kosakowski, Hannover Modellierung von Strömungs- und Transportprozessen in geklüfteten Medien: Vom natürlichen Kluftsystem zum numerischen Gitternetzwerk Reihe 7 : Strömungstechnik Nr. 304 VW VERLAG
_ v Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung............................................................................................................1-1 1.1 Problemstellung..........................................................................................................1-3 1.2 Gliederung der Arbeit.................................................................................................1-4 2 Geometrische und hydraulische Eigenschaften von Kluftsystemen.............2-6 2.1 Geometrische Charakterisierung von Klüften und Kluftsystemen.............................2-6 Kluftdichte und Kluftabstandsverteilung....................................................................2-8 Kluftorientierung.......................................................................................................2-10 Kluftgröße.................................................................................................................2-11 Kluftöffnungsweite...................................................................................................2-14 Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Klufteigenschaften.........................2-14 2.2 Hydraulische Eigenschaften von Kluftsystemen.......................................................2-15 Gesetz von Darcy......................................................................................................2-16 Kontinuitätsgleichung...............................................................................................2-16 Fließgesetze für die Kluftströmung..........................................................................2-17 Kontinuumsansatz.....................................................................................................2-18 Vereinfachung der Hydraulik....................................................................................2-20 Hydraulische
Eigenschaften......................................................................................2-20 2.3 Experimentelle Bestimmung von Durchlässigkeit und Porosität in Kluftgrundwasserleitem............................................................................................2-23 Prinzipieller Aufbau von Druckaufbau- oder Druckabbauversuchen.......................2-23 Auswertung von Bohrloch- und Pumpversuchen.....................................................2-24 2.4 Stofftransport in Kluftsystemen................................................................................2-27 Transportmechanismen bei der Kluftströmung........................................................2-27 Experimentelle Bestimmung der Transporteigenschaften von Kluftgrundwasserleitem............................................................................................2-30 3 Bestimmung der fraktalen Dimension von Kluftsystemen...........................3-31 3.1 Grundlegende Definitionen und Begriffe zur fraktalen Dimension..........................3-32 Definitionen des Fraktals..........................................................................................3-32 Definition der fraktalen Dimension..........................................................................3-33
VI Selbstähnlichkeit und Selbstaffinität.........................................................................3-36 Zusammenhang zwischen fraktaler Dimension und Energie-Größen- Beziehung bei der Fragmentierung..............................................................................................3-37 Zusammenhang zwischen fraktaler Dimension und Perkolationstheorie..................3-39 3.2 Bestimmung der fraktalen Dimension an realen Datensätzen...................................3-40 Verfahren mit eindimensionalen Daten.....................................................................3-40 Verfahren mit zweidimensionalen Daten..................................................................3-41 Verfahren mit dreidimensionalen Daten....................................................................3-42 3.3 Modifizierte Kästchenzähl-Methode.........................................................................3-42 Zweidimensionale Kästchenzähl-Methode................................................................3-42 Vieldeutigkeit der fraktalen Dimension.....................................................................3-42 Eindimensionale Kästchenzähl-Methode..................................................................3-45 Verteilungsmethode...................................................................................................3-46 3.4 Ermittlung der fraktalen Dimension für konkrete Fallbeispiele................................3-47 Falkenberg: ein gering geklüfteter Granit..................................................................3-47 Yucca Mountain: Ein intensiv zerklüfteter Tuff........................................................3-51 4 Kluftnetzwerk-Modelle......................................................................................4-55 4.1 Verfahren zur Erzeugung von Kluftnetzwerk-Modellen...........................................4-56
Einzelkluft-Modelle...................................................................................................4-57 Deterministische Kluftnetzwerk-Modelle.................................................................4-57 Stochastische Modelle...............................................................................................4-58 Kontinuumsmodelle..................................................................................................4-60 Hybride Modelle........................................................................................................4-60 4.2 Verfahren zur Erzeugung dreidimensionaler numerischer Kluftnetzwerk- Modelle unter Berücksichtigung der fraktalen Dimension........................................4-61 Fraktales Modell Lévy-Lee .......................................................................................4-61 Erzeugung von zwei- und dreidimensionalen Kluftsystemen mit der Methode des „Iterated Function System“ (IFS)........................................................................4-62 4.3 Eine Modellierungsstrategie zur Erzeugung deterministischer Kluftnetzwerke mit fraktaler Abstandsverteilung...............................................................................4-64 4.4 Generierung von Parallelkluftsystemen mit unendlich langen Klüften.....................4-66 Einbeziehung von bekannten Kluftpositionen (konditionierte Modelle)..................4-68
___vn Zusammenfassung von Kluftscharen zu einem Kluftsystem....................................4-68 Ein etwas anderer Ansatz: Die Fragmentierung in Gesteinsblöcke..........................4-69 5 Berechnung von Strömung und Transport in Kluftnetzwerk-Modellen.......5-74 5.1 Vom geometrischen Modell zum Finite-Elemente-Modell......................................5-74 Überführung des geometrischen Modells in ein Berechnungsgitter.........................5-76 5.2 Die Berechnung der Strömung in stochastischen und fraktalen Kluftnetzwerk- Modellen ...................................................................................................................5-79 5.3 Ein stochastisches Testbeispiel.................................................................................5-79 5.4 Fragmentierter Würfel..............................................................................................5-83 Druckaufbauversuche in fraktalen Kluftsystemen....................................................5-83 Berechnung von Druckaufbauversuchen in fragmentierten Würfeln.......................5-86 Berechnung von Druckaufbauversuchen in deterministischen Parallelkluft- Modellen mit fraktalen Kluftöffnungsweitenverteilungen.......................................5-91 5.5 Erstellung eines prinzipiellen deterministischen Kluftnetzwerk-Modells für die Lokation Münchehagen.......................................................................................5-93 Datenlage..................................................................................................................5-93 Ein prinzipielles Kluftnetzwerk-Modell für Münchehagen....................................5-100 6 Ausblick...........................................................................................................6-109 Anhang A...........................................................................................................A-111
Cantor-Menge..............................................................................................................A-l 11 Sierpinski-Teppich.......................................................................................................A-l 12 Menger-Schwamm.......................................................................................................A-l 13 Anhang B Symbolverzeichnis...........................................................................B-114 Anhang C: Literaturverzeichnis. C-116
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