Ventilation Dynamics and Heat Exchange in Caves: An Integrated Monitoring and Modeling Approach
Author(s)
Publisher
Université de Neuchâtel
Date issued
2025
Number of pages
285 pages
Subjects
Cave ventilation cave temperature chimney effect aeraulic (aerology) resistance cave monitoring numerical modeling convective heat and mass transfer thermal anomalies convection length Ventilation et température des grottes effet cheminée résistance aéraulique suivi des grottes modélisation numérique transfert convectif de chaleur et transfert de masse longueur de convection
Abstract
Cette thèse étudie les dynamiques de ventilation et les échanges thermiques le long de cavités ventilées. Ce travail a priorisé l’observation de grottes ventilées par l’effet cheminée, provoqué par des contrastes de densité et de température entre l’atmosphère externe et l’intérieur de la grotte. Comprendre ces processus est essentiel dans plusieurs domaines, notamment la les reconstitutions paléoclimatiques à l'aide de spéléothèmes, la conservation des écosystèmes souterrains, la qualité des eaux souterraines, l’évaluation du cycle du carbone et l’exploitation géothermique peu profonde. Ce travail propose une approche intégrée de monitoring et de modélisation afin de combler les lacunes concernant les effets de la ventilation sur les conditions climatiques souterraines, et de valider les modèles numériques thermiques et de ventilation par des données de terrain.
Dans la première partie (Partie 1), ce travail se concentre sur les méthodes et stratégies de surveillance adoptées pour effectuer des mesures fiables de température de l’air et de flux d’air. Dans les cavités ventilées, les signaux de température de l’air extérieur sont transférés à l’intérieur sur une distance appelée longueur de convection. En s’éloignant des entrées, là où l’air est aspiré dans la grotte, les échanges thermiques qui se produisent le long de cette longueur de convection atténuent les signaux de température jusqu’à atteindre un équilibre thermique entre l’air et la roche.
Par conséquent, le flux d’air, conjointement à la température de l’air, est un paramètre clé à surveiller. Un débitmètre numérique robuste et à faible coût (Sensirion SFM3003-300-CE) a été adapté et longuement testé en environnement souterrain pour une surveillance du flux d’air sur plusieurs années. Bien que l’appareil ait montré une grande précision en laboratoire (±1 % pour 0,5–5 m/s), les mesures in situ, réalisées en comparant trois SFM sur une même section de la grotte, ont présenté des incertitudes significatives (de 20 % à ±50 %). Ces résultats sont comparés à un modèle numérique, suggérant que ces incertitudes sont principalement dues à une distribution non uniforme de la vitesse dans des sections transversales complexes, rendant ainsi le positionnement des instruments critique. Des tests de jaugeage avec du CO₂ artificiel ont également été utilisés pour évaluer le flux d’air dans la grotte. Cette méthode est probablement la plus fiable pour une évaluation ponctuelle du flux d’air, car elle ne nécessite pas l’intégration des vitesses sur une section transversale. Ce travail souligne également que mesurer le flux d’air avec des incertitudes inférieures à 20–30 % n’est pas trivial. Ainsi, selon le niveau de précision requis, la comparaison de plusieurs méthodes d’évaluation du flux d’air le long des conduits souterrains permet d’estimer les incertitudes associées aux mesures. Les mesures de température de l’air ont également posé des défis à proximité des entrées en raison du rayonnement thermique et des caractéristiques des capteurs. Dans ces zones, les incertitudes peuvent atteindre ±20–30 % de la valeur mesurée si les instruments sont placés près des parois. En revanche, loin des entrées, ces incertitudes se réduisent à environ ±5 % de la valeur mesurée.
L’étude de la dispersion de la matière en suspension (notamment les aérosols et les gaz) est cruciale pour la gestion des risques de dégradation liés aux polluants extérieurs ou à la fréquentation touristique. Les tests avec du CO₂ artificiel ont également montré que la théorie de Taylor sous-estime fortement le coefficient de dispersion dans les conduits naturels en raison de leur géométrie complexe et de leur rugosité. Les courbes de percée mesurées dans une mine et deux grottes ventilées montrent une traîne importante dans les cavités naturelles. Cela indique que des singularités dispersives et des chambres situées le long des conduits ralentissent le traceur, favorisant la rétention et une dispersion accrue. Un modèle unidimensionnel d’advection-dispersion convient pour des géométries simples, mais est insuffisant pour les grottes complexes, nécessitant alors des simulations numériques plus sophistiquées (par exemple basées sur les équations de Navier-Stokes 3D).
Dans la deuxième partie du travail (Partie 2), les données de surveillance sont utilisées pour évaluer les échanges thermiques le long de la longueur de convection, pour étudier la dynamique de ventilation des grottes et pour valider les modèles numériques.
Un modèle numérique couplant le transfert thermique convectif dans l’air et transfert thermique conducteur dans la roche a été utilisé pour étudier la propagation des perturbations thermiques. Il a été montré que cette distance est approximativement proportionnelle à l’amplitude des fluctuations annuelles du flux d’air divisée par la racine carrée du rayon moyen de la cavité.
Trois années de surveillance ont permis d’estimer les échanges énergétiques de l’air dans la grotte de Longeaigue, évalués à environ 89 ± 50 % GJ. De plus, les longueurs de convection observées (anomalies thermiques) aux entrées supérieure et inférieure de la grotte s’étendent jusqu’à 150 m, alors que 90% de l’échange d’énergie entre l’air et la roche a lieu dans les 50 premiers mètres. L’étude suggère que la zone karstique profonde pourrait être absente dans les grottes ventilées plus courtes que leur longueur de convection. Une attention particulière a été portée à l’analyse et à la détermination de la résistance aéraulique des grottes afin d’établir un modèle de ventilation fiable. Ce travail montre qu’il est possible de simuler la ventilation (basée sur un bilan de quantité de mouvement appliqué à l’atmosphère de la grotte) en connaissant les températures interne et externe, à condition de connaître la résistance aéraulique de la cavité. Il s'agit d'une avancée significative pour les études paléoclimatiques et pour la protection et la gestion des grottes. Cette modélisation pourrait permettre de simuler des régimes de ventilation passés plausibles et de prédire les effets d'une modification de la résistance aéraulique sur la ventilation (par exemple, les modifications dues à l'ouverture ou à la fermeture de passages dans les grottes touristiques).
Dans la discussion générale, le concept de longueur de convection est aussi qualitativement étendu aux systèmes hydrologiquement actifs, dans lesquels les écoulements d’eau peuvent transporter les signaux thermiques externes sur des distances de plusieurs centaines de mètres à plusieurs kilomètres, selon les débits, les modalités de recharge et la profondeur du système.
Les résultats de cette thèse représentent une avancée dans la compréhension de la ventilation des grottes liée à l’effet de cheminée et apporte des détails inédits et significatifs sur les mécanismes de transfert de chaleur dans les systèmes karstiques, en tenant compte des échanges thermiques convectifs dans l’air. Ce travail, ainsi que la thèse de doctorat “jumelle” de Sedaghatkish (2025) intitulée “The Role of Convective Heat and Mass Transfer in the Thermal Response of Karst Conduits”, constituent un point de départ précieux pour les chercheurs intéressés par la (paléo)climatologie des grottes, l'hydrogéologie, l'extraction de l'énergie géothermique et les géosciences en général.
ABSTRACT
This thesis investigates ventilation dynamics and heat exchange along ventilated caves. For this work, we prioritised monitoring caves ventilated by a chimney effect, which is due to density/temperature contrasts between the cave and the external atmosphere. Understanding these processes is crucial for various fields, including paleoclimatic reconstructions using speleothems, the conservation of subterranean ecosystems, groundwater quality, carbon cycle assessment and shallow geothermal extraction. The work presents an integrated approach of monitoring and modeling to address gaps in understanding the effects of ventilation on cave climatological conditions and to validate thermal and ventilation numerical models with field data.
In the first part (Part 1), this work focuses on the monitoring methods and strategies adopted to carry out reliable air temperature and air flow measurements. Along ventilated caves, air temperature signals from outside are transferred along cave passages for a distance known as the convection length. Moving away from the entrances where air is drawn into the cave, the heat exchange that occurs along the air convection length attenuates the temperature signals before thermal equilibrium is reached between the air and the rock.
Therefore, airflow, together with air temperatures, is a key parameter to monitor. We adapted and thoroughly tested in the cave environment a low-cost and robust digital flowmeter (Sensirion SFM3003-300-CE) for multi-year airflow monitoring. While the device showed high laboratory accuracy (±1% for 0.5-5 m/s), in-situ measurements carried out by comparing three SFMs in the same cave cross-section exhibited significant uncertainties (20% to ±50%). These results are compared against a numerical model, which suggests that these uncertainties are mainly due to non-uniform velocity distribution within complex cave cross-sections, and, thus, instrument positioning is critical. Gauging tests with artificial CO2 were also used to assess cave airflow. This method is likely the most accurate for one-time airflow assessment, as it does not require velocity integration over a cross-section. In this work, it is also emphasised that measuring airflow with uncertainties lower than 20-30% is not obvious. Therefore, according to the precision required, comparing multiple methods to assess air flow along cave conduits will help to estimate uncertainties affecting airflow measurements. Air temperature measurements also presented challenges near cave entrances due to heat radiation and sensor characteristics. Here, uncertainties on air temperature measurements can reach ±20-30% of the measured value if instruments are positioned close to the walls. Instead, far from entrances, these uncertainties reduce to ⁓±5% of the measured value.
Investigating airborne matter (including aerosols and gases) dispersion is critical for managing potential degradation in cave environments from external pollutants and visitor disturbances. Gauging tests with artificial CO2 also revealed that Taylor's theory significantly underestimates the dispersion coefficient in natural conduits due to their complex geometries and roughness. Breakthrough curves carried out from ventilated conduits of one mine and two caves exhibit pronounced "tailing" in natural caves. This indicated that dispersive singularities and chambers along the cave paths slow down the tracer, promoting retardation and high dispersion. Therefore, a 1-D advection-dispersion model is adequate for simple geometries but insufficient for complex caves, requiring more sophisticated numerical simulations (e.g., based on 3-D Navier-Stokes equations).
In the second part of the work (Part 2), monitoring data are used to assess heat exchange along the convection length, to investigate cave ventilation dynamics and to validate numerical models.
A numerical model coupling convective heat transfer in air with conductive heat transfer in the rock mass was used to investigate the propagation of thermal perturbations along the convection length.
This distance was found to be approximately proportional to the amplitude of the annual airflow fluctuations divided by the square root of the cave's mean radius.
Three years of monitoring allowed us to estimate the energy exchange along Longeaigue cave, which was found to be in the order of 89±50% GJ. Moreover, the observed convection lengths (thermal anomalies) of upper and lower cave entrances extend up to 150 m, while 90% of the energy exchange between air and rock occurs within the first 50 meters of the convection length. The study suggests that the deep karst zone may not be present in ventilated caves shorter than their convection length. Particular attention was paid to investigate and derive cave aeraulic resistance in order to build a reliable cave ventilation model. In this work, we show that it is possible to simulate ventilation (based on the momentum balance applied to the cave atmosphere) by knowing cave and external temperatures, provided that the cave aeraulic resistance is known. This achievement is a step forward for paleoclimatic studies and cave protection and management. Ventilation modeling helps to simulate plausible past cave ventilation and to forecast effects on ventilation if aeraulic resistance is changed (e.g. by opening or closing cave passages with doors in tourist caves).
In the general discussion, the concept of convection length is also qualitatively extended to hydrologically active systems, where water flows can transport external temperature signals for hundreds or kilometres, depending on water flow, recharge modes and system depth.
The results of this thesis represent a step forward in understanding cave ventilation related to the chimney effect, and provide new, detailed insights into heat transfer mechanisms in karst systems, accounting for air convective heat exchange. We believe that this work, together with the “twin” PhD thesis “The Role of Convective Heat and Mass Transfer in the Thermal Response of Karst Conduits” by Sedaghatkish (2025), will serve as a valuable starting point for researchers interested in cave (paleo)climatology, hydrogeology, geothermal energy extraction, and geosciences in general.
Dans la première partie (Partie 1), ce travail se concentre sur les méthodes et stratégies de surveillance adoptées pour effectuer des mesures fiables de température de l’air et de flux d’air. Dans les cavités ventilées, les signaux de température de l’air extérieur sont transférés à l’intérieur sur une distance appelée longueur de convection. En s’éloignant des entrées, là où l’air est aspiré dans la grotte, les échanges thermiques qui se produisent le long de cette longueur de convection atténuent les signaux de température jusqu’à atteindre un équilibre thermique entre l’air et la roche.
Par conséquent, le flux d’air, conjointement à la température de l’air, est un paramètre clé à surveiller. Un débitmètre numérique robuste et à faible coût (Sensirion SFM3003-300-CE) a été adapté et longuement testé en environnement souterrain pour une surveillance du flux d’air sur plusieurs années. Bien que l’appareil ait montré une grande précision en laboratoire (±1 % pour 0,5–5 m/s), les mesures in situ, réalisées en comparant trois SFM sur une même section de la grotte, ont présenté des incertitudes significatives (de 20 % à ±50 %). Ces résultats sont comparés à un modèle numérique, suggérant que ces incertitudes sont principalement dues à une distribution non uniforme de la vitesse dans des sections transversales complexes, rendant ainsi le positionnement des instruments critique. Des tests de jaugeage avec du CO₂ artificiel ont également été utilisés pour évaluer le flux d’air dans la grotte. Cette méthode est probablement la plus fiable pour une évaluation ponctuelle du flux d’air, car elle ne nécessite pas l’intégration des vitesses sur une section transversale. Ce travail souligne également que mesurer le flux d’air avec des incertitudes inférieures à 20–30 % n’est pas trivial. Ainsi, selon le niveau de précision requis, la comparaison de plusieurs méthodes d’évaluation du flux d’air le long des conduits souterrains permet d’estimer les incertitudes associées aux mesures. Les mesures de température de l’air ont également posé des défis à proximité des entrées en raison du rayonnement thermique et des caractéristiques des capteurs. Dans ces zones, les incertitudes peuvent atteindre ±20–30 % de la valeur mesurée si les instruments sont placés près des parois. En revanche, loin des entrées, ces incertitudes se réduisent à environ ±5 % de la valeur mesurée.
L’étude de la dispersion de la matière en suspension (notamment les aérosols et les gaz) est cruciale pour la gestion des risques de dégradation liés aux polluants extérieurs ou à la fréquentation touristique. Les tests avec du CO₂ artificiel ont également montré que la théorie de Taylor sous-estime fortement le coefficient de dispersion dans les conduits naturels en raison de leur géométrie complexe et de leur rugosité. Les courbes de percée mesurées dans une mine et deux grottes ventilées montrent une traîne importante dans les cavités naturelles. Cela indique que des singularités dispersives et des chambres situées le long des conduits ralentissent le traceur, favorisant la rétention et une dispersion accrue. Un modèle unidimensionnel d’advection-dispersion convient pour des géométries simples, mais est insuffisant pour les grottes complexes, nécessitant alors des simulations numériques plus sophistiquées (par exemple basées sur les équations de Navier-Stokes 3D).
Dans la deuxième partie du travail (Partie 2), les données de surveillance sont utilisées pour évaluer les échanges thermiques le long de la longueur de convection, pour étudier la dynamique de ventilation des grottes et pour valider les modèles numériques.
Un modèle numérique couplant le transfert thermique convectif dans l’air et transfert thermique conducteur dans la roche a été utilisé pour étudier la propagation des perturbations thermiques. Il a été montré que cette distance est approximativement proportionnelle à l’amplitude des fluctuations annuelles du flux d’air divisée par la racine carrée du rayon moyen de la cavité.
Trois années de surveillance ont permis d’estimer les échanges énergétiques de l’air dans la grotte de Longeaigue, évalués à environ 89 ± 50 % GJ. De plus, les longueurs de convection observées (anomalies thermiques) aux entrées supérieure et inférieure de la grotte s’étendent jusqu’à 150 m, alors que 90% de l’échange d’énergie entre l’air et la roche a lieu dans les 50 premiers mètres. L’étude suggère que la zone karstique profonde pourrait être absente dans les grottes ventilées plus courtes que leur longueur de convection. Une attention particulière a été portée à l’analyse et à la détermination de la résistance aéraulique des grottes afin d’établir un modèle de ventilation fiable. Ce travail montre qu’il est possible de simuler la ventilation (basée sur un bilan de quantité de mouvement appliqué à l’atmosphère de la grotte) en connaissant les températures interne et externe, à condition de connaître la résistance aéraulique de la cavité. Il s'agit d'une avancée significative pour les études paléoclimatiques et pour la protection et la gestion des grottes. Cette modélisation pourrait permettre de simuler des régimes de ventilation passés plausibles et de prédire les effets d'une modification de la résistance aéraulique sur la ventilation (par exemple, les modifications dues à l'ouverture ou à la fermeture de passages dans les grottes touristiques).
Dans la discussion générale, le concept de longueur de convection est aussi qualitativement étendu aux systèmes hydrologiquement actifs, dans lesquels les écoulements d’eau peuvent transporter les signaux thermiques externes sur des distances de plusieurs centaines de mètres à plusieurs kilomètres, selon les débits, les modalités de recharge et la profondeur du système.
Les résultats de cette thèse représentent une avancée dans la compréhension de la ventilation des grottes liée à l’effet de cheminée et apporte des détails inédits et significatifs sur les mécanismes de transfert de chaleur dans les systèmes karstiques, en tenant compte des échanges thermiques convectifs dans l’air. Ce travail, ainsi que la thèse de doctorat “jumelle” de Sedaghatkish (2025) intitulée “The Role of Convective Heat and Mass Transfer in the Thermal Response of Karst Conduits”, constituent un point de départ précieux pour les chercheurs intéressés par la (paléo)climatologie des grottes, l'hydrogéologie, l'extraction de l'énergie géothermique et les géosciences en général.
ABSTRACT
This thesis investigates ventilation dynamics and heat exchange along ventilated caves. For this work, we prioritised monitoring caves ventilated by a chimney effect, which is due to density/temperature contrasts between the cave and the external atmosphere. Understanding these processes is crucial for various fields, including paleoclimatic reconstructions using speleothems, the conservation of subterranean ecosystems, groundwater quality, carbon cycle assessment and shallow geothermal extraction. The work presents an integrated approach of monitoring and modeling to address gaps in understanding the effects of ventilation on cave climatological conditions and to validate thermal and ventilation numerical models with field data.
In the first part (Part 1), this work focuses on the monitoring methods and strategies adopted to carry out reliable air temperature and air flow measurements. Along ventilated caves, air temperature signals from outside are transferred along cave passages for a distance known as the convection length. Moving away from the entrances where air is drawn into the cave, the heat exchange that occurs along the air convection length attenuates the temperature signals before thermal equilibrium is reached between the air and the rock.
Therefore, airflow, together with air temperatures, is a key parameter to monitor. We adapted and thoroughly tested in the cave environment a low-cost and robust digital flowmeter (Sensirion SFM3003-300-CE) for multi-year airflow monitoring. While the device showed high laboratory accuracy (±1% for 0.5-5 m/s), in-situ measurements carried out by comparing three SFMs in the same cave cross-section exhibited significant uncertainties (20% to ±50%). These results are compared against a numerical model, which suggests that these uncertainties are mainly due to non-uniform velocity distribution within complex cave cross-sections, and, thus, instrument positioning is critical. Gauging tests with artificial CO2 were also used to assess cave airflow. This method is likely the most accurate for one-time airflow assessment, as it does not require velocity integration over a cross-section. In this work, it is also emphasised that measuring airflow with uncertainties lower than 20-30% is not obvious. Therefore, according to the precision required, comparing multiple methods to assess air flow along cave conduits will help to estimate uncertainties affecting airflow measurements. Air temperature measurements also presented challenges near cave entrances due to heat radiation and sensor characteristics. Here, uncertainties on air temperature measurements can reach ±20-30% of the measured value if instruments are positioned close to the walls. Instead, far from entrances, these uncertainties reduce to ⁓±5% of the measured value.
Investigating airborne matter (including aerosols and gases) dispersion is critical for managing potential degradation in cave environments from external pollutants and visitor disturbances. Gauging tests with artificial CO2 also revealed that Taylor's theory significantly underestimates the dispersion coefficient in natural conduits due to their complex geometries and roughness. Breakthrough curves carried out from ventilated conduits of one mine and two caves exhibit pronounced "tailing" in natural caves. This indicated that dispersive singularities and chambers along the cave paths slow down the tracer, promoting retardation and high dispersion. Therefore, a 1-D advection-dispersion model is adequate for simple geometries but insufficient for complex caves, requiring more sophisticated numerical simulations (e.g., based on 3-D Navier-Stokes equations).
In the second part of the work (Part 2), monitoring data are used to assess heat exchange along the convection length, to investigate cave ventilation dynamics and to validate numerical models.
A numerical model coupling convective heat transfer in air with conductive heat transfer in the rock mass was used to investigate the propagation of thermal perturbations along the convection length.
This distance was found to be approximately proportional to the amplitude of the annual airflow fluctuations divided by the square root of the cave's mean radius.
Three years of monitoring allowed us to estimate the energy exchange along Longeaigue cave, which was found to be in the order of 89±50% GJ. Moreover, the observed convection lengths (thermal anomalies) of upper and lower cave entrances extend up to 150 m, while 90% of the energy exchange between air and rock occurs within the first 50 meters of the convection length. The study suggests that the deep karst zone may not be present in ventilated caves shorter than their convection length. Particular attention was paid to investigate and derive cave aeraulic resistance in order to build a reliable cave ventilation model. In this work, we show that it is possible to simulate ventilation (based on the momentum balance applied to the cave atmosphere) by knowing cave and external temperatures, provided that the cave aeraulic resistance is known. This achievement is a step forward for paleoclimatic studies and cave protection and management. Ventilation modeling helps to simulate plausible past cave ventilation and to forecast effects on ventilation if aeraulic resistance is changed (e.g. by opening or closing cave passages with doors in tourist caves).
In the general discussion, the concept of convection length is also qualitatively extended to hydrologically active systems, where water flows can transport external temperature signals for hundreds or kilometres, depending on water flow, recharge modes and system depth.
The results of this thesis represent a step forward in understanding cave ventilation related to the chimney effect, and provide new, detailed insights into heat transfer mechanisms in karst systems, accounting for air convective heat exchange. We believe that this work, together with the “twin” PhD thesis “The Role of Convective Heat and Mass Transfer in the Thermal Response of Karst Conduits” by Sedaghatkish (2025), will serve as a valuable starting point for researchers interested in cave (paleo)climatology, hydrogeology, geothermal energy extraction, and geosciences in general.
Notes
Jury:
• Prof. tit. Pierre-Yves Jeannin, directeur de thèse, Université de Neuchâtel, Suisse
• Prof. Benoît Valley, co-directeur de thèse, Université de Neuchâtel, Suisse
• Dr Marc Luetscher, ISSKA, Suisse
• Prof. Franci Gabrovsek, ZRC SAZU, Slovénie
Défendu le 31 octobre 2025
No de thèse : 3234
• Prof. tit. Pierre-Yves Jeannin, directeur de thèse, Université de Neuchâtel, Suisse
• Prof. Benoît Valley, co-directeur de thèse, Université de Neuchâtel, Suisse
• Dr Marc Luetscher, ISSKA, Suisse
• Prof. Franci Gabrovsek, ZRC SAZU, Slovénie
Défendu le 31 octobre 2025
No de thèse : 3234
Publication type
doctoral thesis
File(s)