F4aT – Hydrauliklabor

"Forced Fracture Fluid Flow and Transport"
Teststand
Teststand
Volumenstrom (normiert) in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl
Volumenstrom (normiert) in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl

Der Strömungsdynamik heißer Fluide in geklüfteten Gesteinsreservoiren kommt bei der Nutzung geothermischer Ressourcen eine zentrale Rolle zu. Zur Klärung zentraler, nach wie vor ungelöster Fragen hinsichtlich Hydraulik, Transport und Auswirkung auf die Fluidchemie - insbesondere bei Strömungen mit hohen Reynoldszahlen -  wurde das von der DFG geförderte F4aT-Labor aufgebaut.

Das F4aT-Labor ermöglicht die Durchführung von Strömungsversuchen auf rauen Kluftoberflächen unter geothermietypischen hohe Fließraten, welche zu nicht-laminarem, turbulenz-ähnlichem Strömungen mit Re >>100 (die kritische Re für die Berücksichtigung nichtlinearer Bedingungen wird oftmals mit Re > 10 beschrieben) führen können. Ziel ist es, experimentell im Labormaßstab die sensitiven Parameter im gekoppelten System (Fließrate, Druck, Reynoldszahl, Apertur, Scherversatz, Scherrichtung, Rauigkeit, etc.) zu identifizieren und deren Einfluss auf die Strömungsbedingungen zu quantifizieren. Die wichtigsten Forschungsfragen reichen von der Untersuchung der Gültigkeitsbereiche verschiedener Fließgesetze, der Parametrisierung von konstitutiven Fließgesetzen und numerischen Modellen, Identifizierung der Zusammenhänge von Rauigkeit und Hydraulik bis hin zur Untersuchung des Einflusses von Channelingprozessen auf den Transport von Wärme und gelösten Stoffen.

Der Versuchsaufbau besteht aus einem 3D-Scanner, einem 3D-Drucker, einem Wärmeleitfähigkeitsmessgerät und dem hydraulischen Versuchstand. So ist es möglich mittels Scanner die Oberflächen natürlicher Gesteinsproben zu messen. Diese Daten dienen als Grundlage zur Quantifizierung der Rauigkeitsparameter und zur Produktion der Kluftprobe mittels 3D-Drucker, mit der dann die Hydraulikversuche durchgeführt werden. Hochgenaue Druck-, Durchfluss- und Temperatursensoren ermöglichen die Quantifizierung des hydraulischen Systems bzw. der Temperaturtransporteigenschaften der Probe. Hochgeschwindigkeitskameras ermöglichen die Messung und Erfassung von Turbulenzen, die durch die Zugabe von Tracern mittels eines Bypass-Systems auch optisch sichtbar werden.

Dieser Versuchsaufbau versetzt uns in die einzigartige Lage die Hydraulik auf rauen Klüften auf experimenteller Seite probabilistisch zu quantifizieren, was bisher einzig mittels numerischer Modelle möglich war.

Ansprechpartner

Dr. Robert Egert

Dr. Fabian Nitschke