Využití experimentů a modelování k posouzení míry vlivu dílčích procesů na transportně-reakční děj

Ing. Vratislav Žabka

Disertační práce

Using experiments and modelling for assessing the extent of influence of partial phenomena on a reactive transport process

Anotace:

Práce se zaměřuje na problematiku využití transportně reakčních modelů v experimentální praxi. Vychází z předpokladu, že modely mohou sloužit lidskému poznání pouze v případě, že s jejich pomocí dokáže modelář správně předpovědět chování systému. Dobrý model laboratorních experimentů sice nezaručuje dobrou simulaci obdobných procesů v jiných podmínkách v přírodě, ale může být důležitým nástrojem při studiu těchto dějů a při odhadování jejich projevů (Brantley, 2008). V práci je představen teoretický koncept vývoje modelu vhodného pro přesné simulace laboratorních experimentů. Hlavní myšlenkou konceptu je úzká provázanost mezi modely a experimenty. Postup je demonstrován na příkladu simulace kolonového experimentu s otevřeným karbonátovým systémem. V průběhu práce byla s použitím vytvářených modelů karbonátového systému připravena sada experimentů vhodných k důkladnému testování probíhajících kinetických dějů. Tyto děje byly postupně implementovány do modelu celého experimentu. Výsledkem první části práce je struktura experimentů a k nim příslušných modelů. V druhé části práce je demonstrováno využití připravené verze modelu pro studium kinetických jevů, které probíhají při transportu roztoku v rámci karbonátového systému. S využitím modelu byl testován například vliv kinetiky rozpouštění CO na průběh experimentu nebo efekt 2 nekongruentního rozpouštění vápenců. Připravený model byl úspěšně testován při simulaci rozdílných procesů s podobnými projevy. V poslední části práce byly diskutovány možnosti zrychlování transportně reakčních procesů. Bylo navrženo několik metod zrychlení výpočtu. Metody byly voleny tak, aby vycházely z dobré znalosti studovaného geochemického systému. S použitím popsaných metod bylo docíleno různých úrovní zrychlení. Jednotlivé úrovně byly závislé na simulovaných procesech a využitých metodách.

Abstract:

This thesis focuses on problems connected with using reactive transport models in experimenters' tasks. It is based on the assumption that models can serve human understanding only in case that the modeller can correctly predict the behaviour of the system by means of models. A good model of laboratory experiments does not necessarily guarantee a good simulation of similar processes in different conditions in nature but it can be an important tool for studying these processes and estimating their effects (Brantley, 2008). A theoretical concept of development of a model suitable for accurate simulations of laboratory experiments is introduced in this thesis. An interconnection between models and experiments is the main idea of this conception. The method is demonstrated on an example of a simulation of a column experiment with an open carbonate system. The model of carbonate system was used for the preparation of other experiments appropriate for detailed testing of kinetic processes. These processes were gradually implemented into the model of the whole experiment. A structure of experiments with relevant models is the result of the first part of the thesis. The use of the prepared version of a model for the study of kinetic processes which occur during the transport of the solution in the carbonate system is described in the second part of the thesis. For example, the influence of kinetic dissolution of carbon dioxide or the effect of incongruent dissolution of calcite on the results of the experiment was tested using this model. The developed model was successfully tested during the simulations of various processes with similar effects. Possibilities of accelerating the simulation of reactive transport processes are discussed in the last part of this thesis. Several methods of acceleration of calculation were suggested. The methods were selected so that they were based on good knowledge of studied geochemical system. Various levels of acceleration were reached by using mentioned methods. The levels of acceleration depended on simulated processes and applied methods.

Klíčová slova

geochemické modelování, kinetika rozpouštění minerálů, kolonové experimenty, transportně-reakční procesy, karbonátový systém

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 14. 9. 2015

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 16. 12. 2015
• Vedoucí: doc. Ing. Jan Šembera, Ph.D.

Technická univerzita v Liberci

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Doktorský studijní program / obor:
Aplikované vědy v inženýrství / Aplikované vědy v inženýrství