Smoothed particle hydrodynamics and its applications for multiphase flow and reactive transport in porous media

Smoothed particle hydrodynamics (SPH) is a Lagrangian method based on a meshless discretization of partial differential equations. In this review, we present SPH discretization of the Navier-Stokes and advection-diffusion-reaction equations, implementation of various boundary conditions, and time integration of the SPH equations, and we discuss applications of the SPH method for modeling pore-scale multiphase flows and reactive transport in porous and fractured media.United States. Dept. of Energy. Office of Advanced Scientific Computing Research (Early Career Award, “New Dimension Reduction Methods and Scalable Algorithms for Multiscale Nonlinear Phenomena,” and Collaboratory on Mathematics for Mesoscopic Modeling of Materials (CM4)

Mesoscopic modelling and simulation of espresso coffee extraction

A mesoscopic model for the simulation of espresso extraction based on the Smoothed Particle Hydrodynamics method is presented. The model incorporates some essential features such as bimodal granulometry (fines-coarses) of the coffee bed, double (liquid/intra-granular) molecular diffusion and solid-liquid release mechanism. The porous structures ('coarses') are modelled as stationary solid regions whereas the migration of cellular fragments ('fines') is described by single-particles advected by the flow. The boundary filter is modelled as a buffer region where fines are immobilized while entering it, therefore providing a transient flow impedance. The model captures well the transient permeability of the coffee bed under direct-inverse discharge observed in experiments, showing the importance of fines migration on the hydrodynamics of the extraction. The concentration kinetics for different molecular compounds (i.e caffeine, trigonelline and chlorogenic acid) are compared to experimental data for a traditional espresso extraction, showing excellent results. The present work lays down the basis for the virtual analysis of coffee flavors by monitoring the hydrodynamic and microstructural effects on the balance of extracted key-odorant or taste-actives compounds in the beverage.Project RTI2018-094595-B-I00 funded by (AEI/FEDER, UE) and acronym “VIRHACOST

Flow and transport in saturated and unsaturated fractured porous media: Development of particle-based modeling approaches

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von partikelbasierenden Strömungs- und Transportmodellen zur Charakterisierung von kleinskaligen Strömungsprozessen in gesättigten und ungesättigten Poren- und Kluftsystemen. Aufgrund der unzureichenden Prozessbeschreibung von ungesättigter Strömung in Doppelkontinuummodellen mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern werden innovative Methoden präsentiert um die zugrunde liegenden hochdynamischen Strömungs- und Transportprozesse zu erfassen. Die Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten geklüfteten Aquiferen bildet immer noch ein höchst anspruchsvolles Aufgabenfeld aufgrund von skalenübergreifenden Diskontinuitäten, welche oftmals die Definition eines globalen repräsentativen Einheitsvolumens nicht zulassen. Des Weiteren können die hydraulischen Eigenschaften und potentiellen Parameterräume von geklüfteten Aquiferen oftmals nur durch integrale Ansätze, wie z.B. Pump- und Slugtests, Zeitreihenanalysen von Quellschüttungen und Tracertests ermittelt werden. Doppelkontinuummodelle bieten hierfür einen ausgewogenen Ansatz hinsichtlich der erforderlichen Felddaten und der resultierenden prädiktiven Modellqualität. Der erste Teil dieser Arbeit evaluiert den Doppelkontinuumansatz, welcher die Simulation von Strömung mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern in zwei, durch einen linearen Austauschterm gekoppelten, Kontinua ermöglicht. Ganglinien von Karstquellen weisen eine charakteristischen steilen Abfall nach Niederschlagsereignissen auf, der durch das Modell erfolgreich reproduziert werden kann. Das Röhrensystem bildet die hydraulische Brücke zur Karstquelle und nimmt potentialabhängige Wassermengen des geklüfteten Matrixsystems auf. Um die Simulation von schneller Grundwasserinfiltration durch das Röhrenkontinuum innerhalb der ungesättigten Zone zu vermeiden wurde die entsprechende Randbedingung an die untere Grenze des Kontinuums gesetzt. Ein genereller Nachteil des Doppelkontinuumsansatz ist die potentielle Mehrdeutigkeit von Modellergebnissen. Der duale Parameterraum in Kombination mit schwierig zu ermittelnden Parametern, führt zur Existenz von mehr als einem kalibrierten Modell, wie durch mehrdimensionale Sensitivitätsanalysen aufgezeigt wird.  Insbesondere in Karstaquiferen bilden Diskontinuitäten, wie z.B. Lösungsdolinen, Klüfte und Störungssysteme, bevorzugte hydraulische Elemente für schnelle vertikale Grundwasserneubildungsprozesse, die oftmals nicht durch volumeneffektive Modellansätze erfasst werden können. Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung von zwei Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Modellen um ein adäquates numerisches Werkzeug zur partikelbasierenden Simulation von kleinskaligen Strömungen mit freien Oberflächen und Transportprozessen bereitzustellen. SPH Modelle ermöglichen eine Eulersche Beschreibung eines Strömungsfelds auf Basis der Navier-Stokes Gleichung und Partikelbewegung mittels klassischer Newtonscher Mechanik. Der gitterlose Modellansatz ermöglicht flexible Simulationen von hochdynamischen Phasengrenzen in ungesättigten Klüften und Porenräumen. Das erste SPH Modell wird eingesetzt um durch Oberflächenspannung dominierte Tropfen- und Filmströmungen auf glatten und rauhen Kluftoberflächen zu simulieren. Charakteristische dimensionslose Kennzahlen werden über einen weiten Bereich von Benetzungswinkeln und Reynoldszahlen bestimmt. Modellergebnisse weisen einen hervorragende Übereinstimmung mit dimensionslosen Skalierungsfunktionen auf und kritische Kontaktwinkel folgen der zu erwartenden Entnetzungsdynamik. Die Entstehung von adsorbierten Filmen auf trockenen Oberflächen wird für einen breiten Parameterraum bestimmt. Des Weiteren wird der Einfluss von befeuchteten Oberflächen auf die Geschwindigkeitszunahme von Tropfenströmung aufgezeigt und so die Bedeutung der Koexistenz verschiedener Strömungsmodi gezeigt. Der Effekt von Oberflächenrauhigkeit auf Tropfenströmung wird für verschiedene Rauhigkeiten ermittelt und eine deutliche Geschwindigkeitsabnahme demonstriert. Um die makroskopische Kontinuumsbeschreibung der Navier-Stokes Gleichung und atomistische Effekte eines klassischen Partikelsystems der statistischen Mechanik zu kombinieren wurde ein zweites mesoskopisches SPH Modell entwickelt. Diese neue Diskretisation der vollständig gekoppelten Landau-Lifshitz-Navier-Stokes und Advektions- Diffusionsgleichung ermöglicht die Simulation von Strömung und Transport bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Fluktuationsdynamiken, welche sich korrekt der Systemskala anpassen. Die Verbindung von klassischer Fickscher Diffusion und thermodynamischen Fluktuationen wird hierbei durch einen effektiven Diffusionskoeffizienten beschrieben. Numerische Experimente zeigen die Präzision des Modells. Grenzflächen zwischen zwei Fluiden unterschiedlicher Konzentration weisen eine korrekte Wellenzahldivergenz entsprechend aktuellen Laborergebnissen auf

A Level-Set Immersed Boundary Method for Reactive Transport in Complex Topologies with Moving Interfaces

A simulation framework based on the level-set and the immersed boundary methods (LS-IBM) has been developed for reactive transport problems in porous media involving a moving solid-fluid interface. The interface movement due to surface reactions is tracked by the level-set method, while the immersed boundary method captures the momentum and mass transport at the interface. The proposed method is capable of accurately modeling transport near evolving boundaries in Cartesian grids. The framework formulation guarantees second order of accuracy. Since the interface velocity is only defined at the moving boundary, a physics-based interface velocity propagation method is also proposed. The method can be applied to other moving interface problems of the "Stefan" type. Here, we validate the proposed LS-IBM both for flow and transport close to an immersed object with reactive boundaries as well as for crystal growth. The proposed method provides a powerful tool to model more realistic problems involving moving reactive interfaces in complex domains

Pairwise Force SPH Model for Real-Time Multi-Interaction Applications

In this paper, we present a novel pairwise-force smoothed particle hydrodynamics (PF-SPH) model to allow modeling of various interactions at interfaces in real time. Realistic capture of interactions at interfaces is a challenging problem for SPH-based simulations, especially for scenarios involving multiple interactions at different interfaces. Our PF-SPH model can readily handle multiple kinds of interactions simultaneously in a single simulation; its basis is to use a larger support radius than that used in standard SPH. We adopt a novel anisotropic filtering term to further improve the performance of interaction forces. The proposed model is stable; furthermore, it avoids the particle clustering problem which commonly occurs at the free surface. We show how our model can be used to capture various interactions. We also consider the close connection between droplets and bubbles, and show how to animate bubbles rising in liquid as well as bubbles in air. Our method is versatile, physically plausible and easy-to-implement. Examples are provided to demonstrate the capabilities and effectiveness of our approach

A Hybrid Multiscale Framework for Subsurface Flow and Transport Simulations

AbstractExtensive research is aimed at improving predictive ability of biogeochemical earth and environmental system simulators, with applications ranging from contaminant transport and remediation to impacts of carbon and nitrogen cycling on local ecosystems and climate. Most process-based numerical models are designed for a single characteristic length and time scale. For application-relevant scales, it is necessary to introduce approximations and empirical parameterizations to describe complex systems because of limitations on process understanding, system characterization and computation. Using emerging understanding of biological and environmental processes at fundamental scales to advance predictions of the larger system behavior requires the development of multiscale simulators, and there is strong interest in coupling microscale and macroscale models together in a hybrid multiscale simulation. A limited number of hybrid multiscale simulations have been developed for biogeochemical systems, mostly using application-specific approaches for model coupling. We are developing a generalized approach to hierarchical model coupling designed for high-performance computational systems, based on the Swift computing workflow framework. In this presentation we will describe the generalized approach and provide two use cases: 1) simulation of a mixing-controlled biogeochemical reaction coupling pore- and continuum-scale models, and 2) simulation of biogeochemical impacts of groundwater–river water interactions coupling fine- and coarse-grid model representations. This generalized framework can be customized for use with any pair of linked models (microscale and macroscale) with minimal intrusiveness to the at-scale simulators. It combines a set of python scripts with the Swift workflow environment to execute a complex multiscale simulation utilizing an approach similar to the well-known Heterogeneous Multiscale Method. User customization is facilitated through user-provided input and output file templates and processing function scripts, and execution within a high-performance computing environment is handled by Swift, such that minimal to no user modification of at-scale codes is required

Review of pore network modelling of porous media: experimental characterisations, network constructions and applications to reactive transport

AbstractPore network models have been applied widely for simulating a variety of different physical and chemical processes, including phase exchange, non-Newtonian displacement, non-Darcy flow, reactive transport and thermodynamically consistent oil layers. The realism of such modelling, i.e. the credibility of their predictions, depends to a large extent on the quality of the correspondence between the pore space of a given medium and the pore network constructed as its representation. The main experimental techniques for pore space characterisation, including direct imaging, mercury intrusion porosimetry and gas adsorption, are firstly summarised. A review of the main pore network construction techniques is then presented. Particular focus is given on how such constructions are adapted to the data from experimentally characterised pore systems. Current applications of pore network models are considered, with special emphasis on the effects of adsorption, dissolution and precipitation, as well as biomass growth, on transport coefficients. Pore network models are found to be a valuable tool for understanding and predicting meso-scale phenomena, linking single pore processes, where other techniques are more accurate, and the homogenised continuum porous media, used by engineering community