Versuchsdurchführung

Für die Ermittlung von Permeabilitäten von geringpermeablen Materialien (<1E-16 m² / <1E-9 m/s), wie Baustoffen, Werkstoffen, Gesteinen und Dichtmaterialien, mit Gasen (z.B. Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Methan) und Flüssigkeiten (Wässer, Salzlösungen, Emulsionen, Suspensionen) wird die Methode des instationären Zwei­kammerversuches angewendet.

Das Konzept der Permeabilitätsermittlung beruht auf der Auswertung des zeitabhängigen, instationären Strömungsprozesses durch einen zylindrischen Prüfkörper. Der Strömungsprozess wird durch einen Druckimpuls in der Eingangskammer ausgelöst. Die über den Versuchszeitraum in der Eingangs- und Ausgangskammer gemessenen Druckganglinien beschreiben den Strömungsprozess und bilden die Grundlage für die modellgestützte Identifikation der Permeabilität aus den Versuchsdaten.

Die Ermittlung der Permeabilität erfolgt in Auswertung des temperiert durchgeführten Durchströmungsversuches in einem numerischen Modell (zwei- oder dreidimensional) auf der Grundlage folgender Informationen und Daten: Prüfkörperaufbau und -geometrie, Versuchskonfiguration - Volumina Eingangs- und Ausgangskammer, Leitungssystem, Prüfkörper, thermodynamische Eigenschaften des strömenden Fluides - dynamische Viskosität, Dichte, Kompressibilität für die thermodynamischen Bedingungen des Versuches, Druckganglinien für die Eingangs- und Ausgangskammer. Bedingungen für die Versuchsdurchführung: Durchmesser des Prüfkörpers: bis 120 mm Länge des Prüfkörpers: bis 250 mm Temperaturbereich: -5 °C bis 70 °C Überlagerungsdruck (Manteldruck): maximal 25 MPa Prüfdruck: maximal 20 MPa Für die Permeabilitätstests werden kalibrierte Drucksensoren für die Messung des Eingangsdrucks und Ausgangsdrucks mit einer Messunsicherheit von ±0,1 % des Endwertes verwendet.

Anpassung über numerisches Modell

Für das numerische Modell des Versuches wird das Programmsystem MODOFP (Prof. F. Häfner & Boy) verwendet. Dieses ermöglicht die orts- und zeitabhängige Lösung der partiellen Differentialgleichung für die isotherme, einphasige Strömung von Gas oder Flüssigkeit (Finite-Differenzen-Methode).

Die Permeabilität des getesteten Prüfkörpers wird indirekt über die Anpassung der im Modell berechneten an die für die Ein- und Ausgangskammer gemessenen Druckverläufe. Diese Kalibrierung der berechneten Werte an den Messwerten erfolgt über die Variation der Parameter Permeabilität und Porosität. Wurde in begleitenden Untersuchungen die Porosität des untersuchten Materials ermittelt, wird diese als Startwert der modellgestützten Parameteridentifikation verwendet. Liegen keine Ergebnisse für die Porosität vor, werden Erfahrungswerte für die untersuchten Materialien als Startwerte verwendet.

Die Zielfunktion der Anpassung bzw. der Parameteridentifikation ist die Minimierung der Fehlerquadratsumme für die gemessenen und berechneten Druckverläufe. Über die Variationen der Versuchskonfiguration ermöglicht das Messverfahren die Bestimmung der Permeabilität für Gase und Flüssigkeiten für den Wertebereich 1·10-22 m² < k < 1·10-14 m². Die Porosität wird auf der Grundlage der Massenbilanz des Strömungsfluides identifiziert. Die aus den Versuchsdaten ermittelte Porosität ist repräsentativ für den effektiven Strömungsraum in dem getesteten fluidgesättigten Prüfkörper.