As the permeability is an important parameter to characterize the ease with which a porous medium transmits fluids, it is usually obtained by fluid flow experiment using core samples. In order to measure the permeability, however, an experimental apparatus is required and it might take long measurement time, especially for tight samples. In this study, the relationship between permeability and porosity as well as drying rate has been investigated to predict the permeability without a series of measuring experiments. Porosity is measured by drying monitoring method, which measures weight variation continuously while drying surface-dried saturated sample, and drying rate is obtained from weight variation ratio with respect to the water saturation. The total of 6 Berea sandstone samples, which have a permeability range of 70 to 670 mD, were used in this work, and a new and empirical equation which could predict permeability of porous sandstone by using porosity and drying rate were obtained through regression analysis.
The present study developed a sequential approach-based numerical simulator for modeling coupled thermal-hydrological-mechanical (THM) processes in the ground and investigated the computational performance of the coupling analysis algorithm. The present sequential approach linked the two different solvers: an open-source numerical code, OpenGeoSys for solving the thermal and hydrological processes in porous media and a commercial code, FLAC3D for solving the geomechanical response of the ground. A benchmark test of the developed simulator was carried out using a THM problem where an analytical solution is given. The benchmark problem involves the coupled behavior (variations in temperature, pore pressure, stress, and deformation with time) of a fully saturated porous medium which is subject to a point heat source. The results of the analytical solution and numerical simulation were compared and the validity of the numerical simulator was investigated.
VENKATESWARLU, M.;LAKSHMI, D. VENKATA;RAO, K. NAGA MALLESWARA
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.20
no.3
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pp.203-224
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2016
The heat and mass transfer characteristics of the unsteady hydromagnetic natural convection flow with Hall current and Soret effect of an incompressible, viscous, electrically conducting, heat absorbing and optically thin radiating fluid flow past a suddenly started vertical infinite plate through fluid saturated porous medium in a rotating environment are taken into account in this paper. Derivations of exact analytical solutions are aimed under different physical properties. The velocity, concentration and temperature profiles, Sherwood number and Nusselt number are easily examined and discussed via the closed forms obtained. Soret effect and permeability parameter tends to accelerate primary and secondary fluid velocities whereas hall current, radiation and heat absorption have reverse effect on it. Radiation and heat absorption have tendency to enhance rate of heat transfer at the plate. The results obtained here may be further used to verify the validity of obtained numerical solutions for more complicated transient free convection fluid flow problems.
Finite element model capable of solving coupled deformation-fluid diffusion equations for the fully saturated porous medium was developed using Galerkin's residual method. This model was used to study the mechanical and hydraulic behaviors of unconsolidated sediment near South Harbor, Pusan. The vertical displacement of top surface clay sediment, when subjected to the external load, is significantly affected by the excessive pore pres- sure buildup and its decay due to the pore fluid diffusion. The sand deposit overlain by the much less permeable clay layer serves as a flow channel. Consequently, the fluid diffusion due to pore pressure difference is significantly facilitated, which also affects the diffusion-dependent sediment deformation.
Simplified analytical solutions are developed for the dynamic analyses of an axially loaded pile foundation embedded in a transverse-isotropic, fluid-filled, poro-visco-elastic soil with rigid substratum. The pile is modeled as a viscoelastic Rayleigh-Love rod, while the surrounding soil is regarded as a transversely isotropic, liquid-saturated, viscoelastic, porous medium of which the mechanical behavior is represented by the Boer's poroelastic media model and the fractional derivative model. Upon the separation of variables, the frequency-domain responses for the impedance function of the pile top, and the vertical displacement and the axial force along the pile shaft are gained. Then by virtue of the convolution theorem and the inverse Fourier transform, the time-domain velocity response of the pile head is derived. The presented solutions are validated, compared to the existing solution, the finite element model (FEM) results, and the field test data. Parametric analyses are made to show the effect of the soil anisotropy and the excitation frequency on the pile-soil dynamic responses.
The robustness of a numerical method means that its computational performance is maintained under various modeling conditions. New numerical methods or codes need to be assessed for robustness through benchmark testing. The TOUGH-FLAC modeling approach has been applied to various fields such as subsurface carbon dioxide storage, geological disposal of spent nuclear fuel, and geothermal development both domestically and internationally, and the modeling validity has been examined by comparing the results with experimental measurements and other numerical codes. In the present study, a benchmark test of the TOUGH-FLAC approach was performed based on a coupled thermal-hydro-mechanical behavior problem with an analytical solution. The analytical solution is related to the temperature, pore water pressure, and mechanical behavior of a fully saturated porous medium that is subjected to a point heat source. The robustness of the TOUGH-FLAC approach was evaluated by comparing the analytical solution with the results of numerical simulation. Additionally, the effects of thermal-hydro-mechanical coupling terms, fluid phase change, and timestep on the computation of coupled behavior were investigated.
Thermal conduction of the particulate composites or granular materials can be widely used in porous materials and geotechnical engineering. And it has continued to develop "effective thermal conductivity" of medium by modeling energy relationship among particles in medium. This study focuses on the development of the effective thermal conductivity at the unsaturated conditions of soils using the modified network model approach assisted by synthetic 3D random packed systems (DEM method, Discrete Element Method) at the particle scale. To verify the network model, three kinds of glass beads and the Jumunjin sand are used to obtain experimental values at various unsaturated conditions. The PPE (Pressure Plate Extractor) test is then performed to obtain SWCC (Soil-Water Characteristic Curve) of soil samples. In the modified network model, SWCC is used to adjust the equivalent radius of thermal cylinder at contact area between particles. And cutoff range parameter to define the effective zone is also adjusted according to the SWCC at given conditions. From a series of laboratory tests and the proposed network model, the modified network model which adopts a SWCC shows a good agreement in modeling thermal conductivity of granular soils at given conditions. And an empirical correlation between the fraction of the mean radius (${\chi}$) and thermal conductivity at given saturated condition is provided, which can be used to expect thermal conductivity of the granular soils, to estimate thermal conductivity of granular soils.
The geological CO2 sequestration in underground geological formation such as deep saline aquifers and depleted hydrocarbon reservoirs is one of the most promising options for reducing the atmospheric CO2 emissions. The process in geological CO2 sequestration involves injection of supercritical CO2 (scCO2) into porous media saturated with pore water and initiates CO2 flooding with immiscible displacement. The CO2 migration and distribution, and, consequently, the displacement efficiency is governed by the interaction of fluids. Especially, the viscous force and capillary force are controlled by geological formation conditions and injection conditions. This study aimed to estimate the effects of surfactant on interfacial tension between the immiscible fluids, scCO2 and porewater, under high pressure and high temperature conditions by using a pair of proxy fluids under standard conditions through pendant drop method. It also aimed to observe migration and distribution patterns of the immiscible fluids and estimate the effects of surfactant concentrations on the displacement efficiency of scCO2. Micromodel experiments were conducted by applying n-hexane and deionized water as proxy fluids for scCO2 and porewater. In order to quantitatively analyze the immiscible displacement phenomena by n-hexane injection in pore network, the images of migration and distribution pattern of the two fluids are acquired through a imaging system. The experimental results revealed that the addition of surfactants sharply reduces the interfacial tension between hexane and deionized water at low concentrations and approaches a constant value as the concentration increases. Also it was found that, by directly affecting the flow path of the flooding fluid at the pore scale in the porous medium, the surfactant showed the identical effect on the displacement efficiency of n-hexane at equilibrium state. The experimental observation results could provide important fundamental information on immiscible displacement of fluids in porous media and suggest the potential to improve the displacement efficiency of scCO2 by using surfactants.
Park, Sang Doeg;Kim, Yong Hyun;Ham, Gwang Hyun;Son, Sang Jin;Na, Raksmey;Kim, Nam Jin
Journal of The Geomorphological Association of Korea
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v.28
no.3
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pp.13-26
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2021
In mountain gully, channelized debris flow is an important phenomenon in the process of topographical change. Social infrastructure as roads may be damaged by channelized debris flows, but there has been little information about their occurrence and movement to prepare for the risk of the debris flow. Most of the channelized debris flows occur during heavy rains in mountainous valleys that are difficult to access, so there are not many field data. In this study, the topographical characteristics of the catchment, the rainfall and runoff related to the debris flow, the sedimentary pattern and the cross-sectional change of the channel bed, and the underflow velocity of the gravel bed have been investigated and analyzed in the Singi gully where the channelized debris flows occurred. In the catchment, there was almost no sediment runoff because the vegetation combine with the debris landforms and covered the surface. Therefore, the obvious cause of the channelized debris flows is the collapse of the slope and bed of the gully. Even if the gravel, cobbles, and boulders of the channel bed were lost by debris flow, the thalweg change due to debris flow may not be significant because they are supplied from the gully side slope normally. After the gabion structures were installed, the debris flow increased the thalweg change, bed erosion and side slope of the gully. Various sedimentary structures in the gully were classified according to the factors supporting the sedimentation. The hypsometric curve of the gully reflects the debris landforms and vegetation characteristics of the watershed and the sediment runoff due to debris flow, etc. The relationship between the flow velocity and the hydraulic gradient was non-linear under the condition that the porous medium with gully bed gravels is saturated with water. These results may be used as basic data for channelized debris flow research.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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