Huokoisen materiaalin kontinuumi-termodynaaminen mallintaminen ja soveltaminen maan jäätymiseen

Juha Hartikainen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisMonograph

Abstrakti

Työssä esitetään termodynaamisesti johdonmukainen lähestymistapa huokoisen aineen mallintamiseksi toisiinsa sekoittuneiden ja sekoittumattomien faasien seoksena sovellettuna maan jäätymiseen. Seosteoriaan ja jatkuvan aineen mekaniikan ja makroskooppisen termodynamiikan periaatteisiin perustuva mallinnus koostuu massan, liikemäärän, liikemäärän momentin ja energian taseen muodostamisesta sekä konstitutiivisten yhteyksien johtamisesta entropiaepäyhtälöä ja epäsileitä termodynaamisia tila- ja dissipaatiopotentiaaleja käyttäen. Työssä osoitetaan, että lähestymistapa tarjoaa makroskooppisella tasolla toimivan menetelmän mikroskooppisten prosessien mallintamiseksi makroskooppisilla suureilla. Lähestymistapa myös osoittaa, että konstitutiivisiin suureisiin kohdistuvien rajoitteiden seuraukset ovat merkittäviä ja että se kykenee kuvaamaan ne konstitutiivisina yhtälöinä kuten komponenttien lämpötilan yleinen määritelmä. Lähestymistapaa sovelletaan yksityiskohtaisen mallin muodostamiseksi jäätyvälle ja sulavalle suolaisen veden kyllästämälle maalle sisältäen kuvauksen lämmön ja massan siirrosta jäätyvässä ja sulavassa maassa, pohjaveden faasin muutoksesta veden paineen ja suolapitoisuuden vaikutukset huomioiden, suolojen erottumisesta jäätymisen yhteydessä, tiheysvaihtelun aiheuttamasta pohjaveden virtauksesta sekä maan muodonmuutoksista. Mallin soveltuvuutta tutkitaan laboratoriokokeiden numeeristen simulaatioiden avulla. Huomionarvoisia tuloksia ovat liuenneiden suolojen molekulaarisen diffuusiokertoimen Stokes-Einstein –relaatio sekä veden faasinmuutoksen täsmällinen kuvaus. Mallilla tutkitaan ikiroudan ja pysyvästi jäätyneen maan kehittymistä Ruotsin Forsmarkissa 45000 ja 115000 vuoden ajanjaksoilla ottaen huomioon paikkakohtaiset maan fysikaaliset ominaisuudet ja maanpinnan tason ilman lämpötilan muutokset, rantaviivan liike, maakerrosten ja kasvillisuuden muutokset sekä ydinjätteen loppusijoituskohteessa 450-470 metrin syvyydellä ydinjätteestä vapautuva lämpö. Mallinnuksen tuloksia on hyödynnetty ydinjätteen loppusijoituksen turvallisuusarviointia varten tehtyjen radionuklidien vapautumisennusteiden laadinnassa ja pohjaveden virtauksen mallintamisessa.
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Paavola, Juha, Valvoja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-8137-3
Sähköinen ISBN978-952-60-8138-0
TilaJulkaistu - 2018
OKM-julkaisutyyppiG4 Tohtorinväitöskirja (monografia)

Tutkimusalat

  • huokoinen materiaali
  • jatkuvan aineen termodynamiikka
  • epäsileä mekaniikka
  • maan jäätyminen

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Huokoisen materiaalin kontinuumi-termodynaaminen mallintaminen ja soveltaminen maan jäätymiseen'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

  • Siteeraa tätä