CAREER: Coupled Hydrology and Mechanics of Fine-Grained Soils and Sedimentary Rocks
职业:细粒土壤和沉积岩的耦合水文学和力学
基本信息
- 批准号:1752982
- 负责人:
- 金额:$ 40万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Continuing Grant
- 财政年份:2018
- 资助国家:美国
- 起止时间:2018-03-15 至 2023-02-28
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Fine-grained rocks (shale, mudstone) exist as caprocks, host rocks, and source rocks for a range of subsurface water, energy, and carbon resources. They also represent a control on carbon capture and storage, high-level radioactive waste storage, groundwater sources and storage and shale hydrocarbon extraction. Fine-grained soils play an equally important role in agriculture and soil carbon storage. This importance of clay-rich media derives largely from their distinct hydrologic and mechanical properties (ultra-low permeability, swelling-shrinking and cracking). These properties are of singular importance in controlling fluid flow in the subsurface (where fine-grained rocks constitute roughly two-thirds of the sedimentary rock mass), yet they remain a sparsely charted frontier research area in groundwater hydrology. This project will develop a general theory of the hydrologic properties of fine-grained soils and sedimentary rocks. This goal requires understanding the coupled hydrologic, mechanical, and chemical properties of porous media on multiple scales, from the nanometer scale (where aggregation and swelling of clay particles takes place) to the 10-100s of meters that control the bulk mechanical and flow properties of the rock. The proposed research relies on a combination of simulation methodologies adapted to each length scale of interest, along with rigorous experimental validations at each scale. Key projected outcomes include detailed fundamental understanding of the meso- and nanoscale properties of fine-grained media and new constitutive relations describing the coupled hydrologic-mechanical-chemical properties of these media. The major education and outreach goal is to develop the use of molecular dynamics simulations as a pedagogical tool that can illustrate the fundamental basis of important scientific concepts and phenomena in an intuitive, and hands-on manner. This tool will be developed for both first year of the Environmental Engineering undergraduate curriculum and as part of a web-based interface (a Science Gateway) that will enable the broader community (e.g., high school students and teachers) to visualize and explore simulation results stored on the high-performance data storage systems at the National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
细粒岩石(页岩、泥岩)作为一系列地下水、能源和碳资源的盖层、围岩和源岩而存在。 它们还代表对碳捕获和储存、高放射性废物储存、地下水源和储存以及页岩碳氢化合物提取的控制。细粒土壤在农业和土壤碳储存中发挥着同样重要的作用。富含粘土介质的重要性很大程度上源于其独特的水文和机械特性(超低渗透性、膨胀收缩和开裂)。这些特性对于控制地下流体流动(其中细粒岩石约占沉积岩体的三分之二)非常重要,但它们仍然是地下水水文学中很少被绘制的前沿研究领域。该项目将发展细粒土壤和沉积岩水文特性的一般理论。这一目标需要了解多孔介质在多个尺度上的耦合水文、机械和化学特性,从纳米尺度(粘土颗粒发生聚集和膨胀)到控制整体机械和流动特性的 10-100 米尺度岩石的。拟议的研究依赖于适合每个感兴趣的长度尺度的模拟方法的组合,以及每个尺度的严格实验验证。预计的主要成果包括对细粒介质的介观和纳米尺度特性的详细基本了解,以及描述这些介质的耦合水文-机械-化学特性的新本构关系。主要教育和推广目标是开发分子动力学模拟作为一种教学工具,以直观和实践的方式说明重要科学概念和现象的基本基础。该工具将为环境工程本科课程的第一年开发,并作为基于网络的界面(科学网关)的一部分,使更广泛的社区(例如高中生和教师)能够可视化和探索模拟结果存储在国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 的高性能数据存储系统中。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。
项目成果
期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Modeling Multiphase Flow Within and Around Deformable Porous Materials: A Darcy‐Brinkman‐Biot Approach
可变形多孔材料内部和周围的多相流建模:Darcy–Brinkman–Biot 方法
- DOI:10.1029/2020wr028734
- 发表时间:2021-02
- 期刊:
- 影响因子:5.4
- 作者:Carrillo, Francisco J.;Bourg, Ian C.
- 通讯作者:Bourg, Ian C.
Capillary and viscous fracturing during drainage in porous media
多孔介质排水过程中的毛细管和粘性破裂
- DOI:10.1103/physreve.103.063106
- 发表时间:2021-06
- 期刊:
- 影响因子:2.4
- 作者:Carrillo, Francisco J.;Bourg, Ian C.
- 通讯作者:Bourg, Ian C.
A Darcy‐Brinkman‐Biot Approach to Modeling the Hydrology and Mechanics of Porous Media Containing Macropores and Deformable Microporous Regions
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- DOI:10.1029/2019wr024712
- 发表时间:2019-10-01
- 期刊:
- 影响因子:5.4
- 作者:F. Carrillo;I. Bourg
- 通讯作者:I. Bourg
Multiphase flow modeling in multiscale porous media: An open-source micro-continuum approach
多尺度多孔介质中的多相流建模:一种开源微连续体方法
- DOI:10.1016/j.jcpx.2020.100073
- 发表时间:2020-03-18
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:F. Carrillo;I. Bourg;C. Soulaine
- 通讯作者:C. Soulaine
The impact of sub-resolution porosity on numerical simulations of multiphase flow
亚分辨率孔隙度对多相流数值模拟的影响
- DOI:10.1016/j.advwatres.2021.104094
- 发表时间:2021-09-28
- 期刊:
- 影响因子:4.7
- 作者:F. Carrillo;C. Soulaine;I. Bourg
- 通讯作者:I. Bourg
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- 资助金额:
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