Modelos de flujo multifásico no isotermo y transporte reactivo multicomponente en medios porosos : 1. Formulación físico-matemática

Ricardo Juncosa Rivera, Francisco Javier Samper Calvete, Vicente Navarro, Jordi Delgado Pin

Resumen

El diseño y construcción de almacenamientos de residuos tóxicos en formaciones geológicas poco permeables requiere disponer de herramientas que permitan predecir el comportamiento a largo plazo del sistema. Por ello, es necesario el desarrollo de modelos numéricos para el estudio y predicción del comportamiento acoplado térmico, hidrodinámico, mecánico y geoquímico (THMG) tanto de la formación geológica como de los materiales arcillosos utilizados como barrera de ingeniería. En este artículo se presenta la formulación físico-matemática del flujo multifásico (agua, aire y otros gases), del transporte de un sistema multicomponente de solutos y las interacciones químicas en condiciones no isotermas. Esta formulación ha servido de base para la puesta a punto de un potente código de cálculo, FADES-CORE© (Juncosa, 1999; Juncosa y Navarro, 2000, Juncosa et al., 2001b), desarrollado en el marco de proyectos de investigación financiados por ENRESA en el contexto del almacenamiento geológico profundo de residuos radioactivos. En el segundo artículo esta serie de dos artículos (Juncosa et al., 2001a) se presenta el modelo numérico termo-hidro-geoquímico de un ensayo de laboratorio de hidratación y calentamiento realizado por CIEMAT para caracterizar las propiedades de contención y sellado de bentonitas compactadas. Aunque se ha desarrollado en el marco del almacenamiento de residuos radiactivos, la formulación matemática que se presenta así como su implementación numérica son aplicables al estudio de los procesos de flujo y transporte de solutos en la zona no saturada.

Palabras clave

Flujo Multifásico; Transporte Reactivo; Modelo termo-hidro-geoquímico; Transporte contaminante

Texto completo:

PDF

Referencias

ADENEKAN, A. E., PATZEK, T. W., PRUESS, K., (1993). Modeling of multiphase transport of multicomponent organic contaminants and heat in the subsurface: Numerical Formulation, Water Resour. Res., 29, 3727-3740. https://doi.org/10.1029/93WR01957

ANDERSON, G. M., CREAR. D. A., (1993). Thermodynamics in geochemistry. The equilibrium model. 566 pp. Ed. Oxford.

APPELO, C. A. J., POSTMA, D., (1993). Geochemistry, Groundwater and pollution. Ed. Balkema. Rotterdam. Brookfield. 537 pp.

CORAPCIOGLU, M. Y., BAEHR, A. L., (1987). A compositional multiphase model for groundwater contamination by petroleum products: 1. Theoretical considerations, Water Resour. Res., 23, 191-200. https://doi.org/10.1029/WR023i001p00191

DAVIES, J.A., LECKIE, J. O., (1978). Surface ionization and complexation at oxide/water interface. II. Surface properties of amorphous iron oxyhydroxide and adsorption of metal ions, J. Colloid. Interface Sci., 67, 90-107. https://doi.org/10.1016/S0021-9797(78)80009-5

DZOMBAK, D. A., MOREL, F. M. M., (1990). Surface Complexation Modeling, Wiley Interscience, New York.

FALTA, R. W., PRUESS, K., JAVANDEL, I., WITHERSPOON, P. A. (1992a). Numerical modeling of steam injection for the removal of nonaqueous phase liquids from the subsurface 1. Numerical formulation, Water Resour. Res., 28, 443-449. https://doi.org/10.1029/91WR02526

FALTA, R. W., PRUESS, K., JAVANDEL, I., WITHERSPOON, P. A. (1992b). Numerical modeling of steam injection for the removal of nonaqueous phase liquids from the subsurface 2. Code validation and application, Water Resour. Res., 28, 451-465. https://doi.org/10.1029/91WR02527

JUNCOSA, R., (1999). Modelos de flujo multifásico no isotermo y de transporte reactivo multicomponente en medios porosos. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Madrid. 346 pp.

JUNCOSA, R., SAMPER, J., NAVARRO, V., DELGADO, J., CARRETERO, P., (1999). Modelos de flujo multifásico no isotermo con reacciones químicas. En: Estudios de la Zona No Saturada. Eds. R. Muñoz-carpena, A. Ritter, C. Tascón. ICIA: Tenerife. pp: 169-174.

JUNCOSA, R., NAVARRO, V. (2000). Manual del usuario de FADES-CORE (Versión 0.0a), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos. Universidad de La Coruña. Informe FEBEX 70-ULC-H-5-006. 150 pp.

JUNCOSA, R., SAMPER, J., NAVARRO, V., DELGADO, J. (2001a) Formulación numérica en elementos finitos de problemas de flujo multifásico no isotermo y transporte de solutos reactivos en medios porosos. Remitido a la Revista Internacional de Métodos Numéricos de Cálculo y Diseño en Ingeniería, CIMNE. (Aceptado).

JUNCOSA, R., SAMPER, J., VÁZQUEZ, A. y MONTENEGRO, L. (2001b) Modelos de flujo multifásico no isotermo y transporte reactivo multicomponente en medios porosos: 2. Aplicaciones a bentonitas compactadas. Segundo artículo de la serie. Remitido a Ingeniería del Agua. (Aceptado). https://doi.org/10.4995/ia.2002.2625

KALUARACHCHI, J. J., PARKER, J. C. (1989). An efficient finite element method for modeling multiphase flow, Water Resour. Res., 25, 43-54. https://doi.org/10.1029/WR025i001p00043

LENHARD, R. J., PARKER, J. C., KALUARACHCHI, J. J., (1989). A model for hysteretic constitutive relations governing multiphase flow 3. Refinements and numerical simulations, Water Resour. Res., 25, 1727-1736. https://doi.org/10.1029/WR025i007p01727

LICHTNER, P. C., (1996). Continuum formulation of multi-component-multiphase reactive transport, Rev. Miner., Vol 34, MSA. 1-81. https://doi.org/10.1515/9781501509797-004

MCNAB, W. W., NARASIMHAN, T. N., (1993). A multiple species transport model with sequential decay chain interactions in heterogeneus subsurface environments, Water Resour. Res., 29, 2737-2746. https://doi.org/10.1029/93WR00964

MILLINGTON, R. J., QUIRK, J. M., (1961). Permeability of porous solids, Trans. Faraday Soc., 57, 1200-1207. https://doi.org/10.1039/tf9615701200

MONTENEGRO, L., JUNCOSA, R., SAMPER, J., DELGADO, J.(1997), Incorporación de procesos radiactivos en los modelos de flujo y transporte a través de bentonitas compactadas, XI Encontro Galego-Portugués de química. Ferrol. La Coruña, 269-270.

NAVARRO, V., (1997). Modelo de comportamiento mecánico e hidráulico de suelos no saturados en condiciones no isotermas. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Cataluña. 329 pp.

NAVARRO, V., ALONSO, E., (1999). Suelos parcialmente saturados. Simulación numérica del comportamiento termo-hidro-mecánico. Revista de Obras Públicas Nº3385. Año 146. 35-46.

OLIVELLA, S., Nonisothermal multiphase flow of brine and gas through saline media. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Cataluña, 197 pp. 1995.

PARKER, J. C., (1989). Multiphase flow and transport in porous media, Rev. Geophys., 27, 311-328. https://doi.org/10.1029/RG027i003p00311

POLLOCK, D.W., (1986). Simulation of fluid flow and energy transport processes associated with high-level radioactive waste disposal in unsaturated alluvium, Water Resour. Res., 22, 765-775. https://doi.org/10.1029/WR022i005p00765

PRUESS, K. (1991) TOUGH2: A general-purpose numerical simulator for multiphase fluid and heat flow. Earth Sciencies Division LBL. Berkeley. 102 pp. https://doi.org/10.2172/5212064

SAMPER, J., AYORA, C., (1993). Acoplamiento de modelos de transporte de solutos y de modelos de reacciones químicas. Estudios Geológicos. 233-251. https://doi.org/10.3989/egeol.93493-4352

SAMPER, J., JUNCOSA, R., DELGADO, J., MONTENEGRO, L. (2000) CORE2D„ A code for nonisothermal water flow and reactive solute transport. Users manual Version 2, Publicación Técnica de ENRESA 6/2000, 125 pp.

SCHINDLER, P. W., FURST, B., DICK, R., WOLF, P. U., (1976). Ligand properties of surface silanol groups, I. Surface complex formation with Fe3+, Cu2+, Cd2+ and Pb2+, J. Colloid. Interface Sci., 55, 469-475. https://doi.org/10.1016/0021-9797(76)90057-6

SIMUNEK, J., SUAREZ, D., (1994). Two-dimensional transport model for variably saturated porous media with major ion chemistry, Water Resour. Res., 30, 1115-1133. https://doi.org/10.1029/93WR03347

THOMAS, H. R., (1995). Model development and validation of the Thermo-hydraulic-mechanical and Geochemical code development and applications. Thermal-Hydraulic-Mechanical and Geochemical behaviour of the clay barrier. Final report Thermo-hydro-mechanical code development and applications. Codes developed at UWCC and their applications CEC Contract F12W-CT91-0102 (DOEO).

WALTON, J. C., (1994). Influence of evaporation on waste package environment and radionuclide release from a tuff repository, Water Resour. Res., 30, 3479-3487. https://doi.org/10.1029/94WR02088

WHITE, A. F., (1995). Multiphase nonisothermal transport of systems of reactive chemicals, Water Resour. Res., 31, 1761-1772. https://doi.org/10.1029/95WR00576

XU, T., (1996). Modelización del transporte no isotermo de sistemas de solutos reactivos a través de medios porosos parcialmente saturados. Tesis Doctoral. Universidad de La Coruña, 310 pp.

XU, T., PRUESS, K., (1998). Coupled modeling of non-isothermal multi-phase flow, solute transport and reactive chemistry in porous and fracturated media: 1. Model development and validation. Technical report. Earth Sciencies Division. https://doi.org/10.2172/926875

YATES, D. E., LEVINE, S., HEALY, T. W., (1974). Site-binding model of the electrical double layer at the oxide/wáter interface, J. Chem. Faraday Trans. 1, 70, 1807-1818. https://doi.org/10.1039/f19747001807

Abstract Views

709
Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM




Esta revista se publica bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional.

Universitat Politècnica de València

Fundación para el Fomento de la Ingeniería del Agua

e-ISSN: 1886-4996  ISSN: 1134-2196

https://doi.org/10.4995/ia