PHREASIM - Ein Expertensystem zur Simulation von Fließverhältnissen in Grundwassermessstellen und deren unmittelbarem Nahfeld

Die vorliegende Arbeit stellt eine Studie zur rechnergestützten Modellierung stationärer Fließverhältnisse an und in horizontal durchströmten Bohrbrunnen vor. Basierend auf einem neuartigen 3D-Navier-Stokes-Brinkman-Gleichungslöser wird ein Lösungsansatz für das interaktive System Porengrundwasserleiter/Filterkies/Filterrohr/Brunnenraum vorgestellt. Er ermöglicht es, stationäre Strömungsszenarien gekoppelt aus freiem und porösem Fließen am Computer zu simulieren. Für die Anwendung des Gleichungslösers wurde das Expertensystem PHREASIM entwickelt, mit dem Modellgeometrien erstellt und im Anschluss an die Simulation stationäre Fließszenarien visualisiert werden können. Zur Validierung wurden in Laborexperimenten beispielhaft verschiedene Brunnenmodellkonstruktionen untersucht und anschließend mit PHREASIM simuliert. Der Abgleich zwischen Ergebnissen aus Laborexperimenten und Simulationen zeigt, dass mit PHREASIM quasistationäre Fließszenarien bei identischen Randbedingungen und gleichen Geometrien realitätsnah abgebildet werden können. Bei genauer Kenntnis der Brunnengeometrien und der strömungsmechanischen Randbedingungen kann mit PHREASIM die Fließsituation an beliebigen Stellen innerhalb sowie außerhalb eines horizontal durchströmten Brunnenabschnitts am Computer simuliert werden. Ein Einsatzbereich von PHREASIM ist die Unterstützung der Interpretation von Fließmessdaten, die beispielsweise mit dem PHREALOG-Fließmesssystem gewonnen werden.

In this study, a new numerical solver based on a coupling of the Navier-Stokes and Brinkman equations is presented. The solver can model 3D horizontal steady-state flow conditions with interactions between the aquifer, gravel-pack, well screen, and open borehole at the interface between the borehole and the surrounding porous filter and aquifer, thus solving the critical transition from porous to free flow. The solver is embedded in the workflow of the PHREASIM expert system. It allows for designing a broad variety of well designs and flow scenarios while considering the permeabilities and geometries of the involved microstructures. Stationary flow scenarios can be visualized in any cross-section and at any discrete point within the model. In order to verify the validity of the numerical approach, a variety of flow scenarios were investigated in sand tank model experiments and simulated with PHREASIM. By comparing the results of both simulations and experimental measurements performed using identical boundary conditions, PHREASIM proved to be viable for accurately replicating virtually steady-state flow conditions. PHREASIM aims to support the interpretation and significance of flow data gained by borehole flow measuring systems like PHREALOG.