Concentration driven phase transitions in multiphase porous media with application to methane oxidation in landfill cover layers
Concentration driven phase transitions in multiphase porous media with application to methane oxidation in landfill cover layers
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多相多孔介质中浓度驱动的相变及其在垃圾填埋场覆盖层中甲烷氧化的应用
DOI：
10.1002/zamm.201200198
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发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Schmidt
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Ricken;Sindern;Widmann;Denecke;Gehrke;Schmidt
这项研究集中在多孔介质理论中的一个公式，用于连续多组分模拟由液(水)和气相饱和的多孔固体基质(土壤和细菌)组成的多孔垃圾填埋层中的细菌驱动的甲烷氧化。固体、液体和气相被认为是不相容的成分，在空间上占据各自的体积分数。然而，气相由三种成分组成，即甲烷(CH4)、氧气(O2)和二氧化碳(CO2)。在Coleman和Noll[8]的基础上，通过对熵不等的评价，得到了热力学上一致的本构框架，得到了组分应力和压力态、相互作用力和质量交换的本构关系。对于导出的有限元计算概念的最终一组过程变量，我们考虑了固体矩阵的位移、偏静压气体压力和渗透浓缩压力。为简单起见，我们假定恒定的水压和等温条件。理论公式由Taylor[29]在有限元程序FEAP中实现。创建了一组新的实验批测试，它考虑了模型参数对过程变量的依赖关系；这些测试用于评估非线性模型参数集。在介绍了为有限元计算概念开发的框架，包括支配弱公式的表示之后，我们检查了具有代表性的数值例子。
This study focuses on a formulation within the theory of porus media for continuum multicomponent modeling of bacterial driven methane oxidation in a porous landfill cover layer which consists of a porous solid matrix (soil and bacteria) saturated by a liquid (water) and gas phase. The solid, liquid, and gas phases are considered as immiscible constituents occupying spatially their individual volume fraction. However, the gas phase is composed of three components, namely methane (CH4), oxygen (O2), and carbon dioxide (CO2). A thermodynamically consistent constitutive framework is derived by evaluating the entropy inequality on the basis of Coleman and Noll [8], which results in constitutive relations for the constituent stress and pressure states, interaction forces, and mass exchanges. For the final set of process variables of the derived finite element calculation concept we consider the displacement of the solid matrix, the partial hydrostatic gas pressure and osmotic concentration pressures. For simplicity, we assume a constant water pressure and isothermal conditions. The theoretical formulations are implemented in the finite element code FEAP by Taylor [29]. A new set of experimental batch tests has been created that considers the model parameter dependencies on the process variables; these tests are used to evaluate the nonlinear model parameter set. After presenting the framework developed for the finite element calculation concept, including the representation of the governing weak formulations, we examine representative numerical examples.
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