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The Role of Convective Heat and Mass Transfer in the Thermal Response of Karst Conduits
Maison d'édition
Neuchâtel : Université de Neuchâtel
Date de parution
2025
Nombre de page
190
Mots-clés
- Numerical modelling
- convective heat and mass transfer
- convection length
- ventilated caves
- chimney effect
- epikarst
- DFN
- permafrost
- free convection
- ice melting rate
- Modélisation numérique
- transfert de chaleur et de masse convectif
- longueur de convection
- grottes ventilées
- effet cheminée
- épikarst
- pergélisol
- convection naturelle
- taux de fonte des glaces
Numerical modelling
convective heat and m...
convection length
ventilated caves
chimney effect
epikarst
DFN
permafrost
free convection
ice melting rate
Modélisation numériqu...
transfert de chaleur ...
longueur de convectio...
grottes ventilées
effet cheminée
épikarst
pergélisol
convection naturelle
taux de fonte des gla...
Résumé
Le transfert de chaleur et de masse dans les environnements karstiques est caractérisé par les interactions complexes entre les processus géologiques, hydrologiques et atmosphériques. Les systèmes karstiques facilitent le transfert de chaleur à travers des réseaux étendus de fractures souterraines, de cavités et de grottes. Ces dernières représentant des écosystèmes fragiles où les processus biogéochimiques dépendent largement de la température. Les grottes abritent également des archives environnementales précieuses dont l’interprétation dépend étroitement de la température. Une bonne compréhension de la réponse thermique du karst aux signaux atmosphériques est donc essentielle pour quantifier les taux de dissolution/précipitation du carbonate, interpréter la distribution géochimique, évaluer l'efficacité de l'extraction géothermique peu profonde et déterminer les impacts sur les organismes vivant dans les karsts.
Les grottes ventilées par l’effet cheminée, où le flux d’air est entraîné par contraste de densité (température) entre l’intérieur et l’extérieur de la grotte, peuvent transférer les signaux atmosphériques à certaines distances des entrées — appelées longueur de convection — avant d'atteindre un équilibre thermique avec la roche environnante. Les signaux atmosphériques consistent en différentes fréquences, telles que les fluctuations annuelles et journalières, avec des amplitudes propres. La distribution spatiale de ces amplitudes à travers les galeries de grottes ainsi que l’étendue de l’impact thermique généré sur la roche environnante sont étudiées dans cette thèse à l’aide d’un modèle thermique démontrant que la longueur de convection est approximativement proportionnelle à l’amplitude des fluctuations annuelles du débit divisé par la racine carrée du rayon de la grotte. Ce résultat est testé avec des données de terrain provenant d’un tunnel de mine et de deux grottes.
Les galeries réelles des grottes comportent de nombreux obstacles et irrégularités augmentant les coefficients de transfert locaux et les frottements par rapport à ceux calculés à partir des corrélations empiriques dérivées pour des tuyaux standard. De plus, le flux d'air peut transporter de la vapeur d'eau, entraînant des phénomènes locaux de condensation ou d'évaporation. Quatre scénarios thermiques sont conçus pour étudier ces processus complexes à l’aide de simulations numériques. Les résultats d’une année de données de terrain issues de la surveillance de la grotte de Longeaigue, en Suisse, concordent avec les résultats du modèle thermique. Enfin, un modèle aéraulique-thermique a été développé en utilisant les températures externes et la résistance aéraulique de la grotte comme entrées pour calculer le débit massique d'air dans les grottes ventilées.
L’épikarst, situé dans la couche superficielle du karst, contribue au transfert rapide de l’eau de recharge à travers les fractures par flux concentré ou au transfert lent à travers la matrice rocheuse par flux diffusif. Une géométrie spéculative en 3D de l’épikarst est construite à partir de la distribution d’un réseau de fractures discrètes (DFN) et un
modèle thermique simple est développé pour des conditions hydrauliques extrêmes incluant des fractures entièrement saturées et non saturées. Bien que certaines intensités de précipitations ne soient pas réalistes, elles peuvent néanmoins être utilisées comme scénarios hydrauliques extrêmes pendant une crue. Dans ces cas, le flux de chaleur convectif dans les fractures devient dominant et les modèles classiques basés sur la conduction ne peuvent pas prédire efficacement la réponse thermique de la température souterraine dans l'épikarst.
Les régions karstiques sujettes au pergélisol subissent des variations de température atmosphérique dans la couche active à différentes échelles temporelles. La prédiction du taux de fonte dans les aquifères riches en glace est essentielle en raison de leur impact profond sur l’hydrogéologie, influençant à la fois la disponibilité en eau et la stabilité mécanique du sol. Une approche complète des mécanismes de transfert thermique dans ce milieu spécifique est proposée au moyen d’un modèle couplant hydraulique et thermique. Dans un réseau de fracture, la convection naturelle dans l’eau de fonte se produit en raison du comportement anormal de l’eau entre 0 et 4 °C, augmentant le taux de fonte d’environ un ordre de grandeur par rapport à un modèle basé uniquement sur la conduction dans l’eau stagnante. Les résultats du modèle sont comparés qualitativement aux données de terrain de la glacière de Monlési en Suisse et confirment l’accord entre les observations réelles et le modèle proposé lorsque la convection naturelle est prise en compte.
Les résultats de cette thèse fournissent des perspectives détaillées sur les différents mécanismes de transfert de chaleur et de masse dans les systèmes karstiques en considérant le flux thermique convectif dans les conduits ventilés, les épikarsts fracturés et les fractures remplies de glace soumises aux variations de température atmosphérique. Des recherches supplémentaires sur ce sujet pourraient être facilitées par l’utilisation de modèles développés comme base pour la communauté des géosciences, de l’hydrogéologie et de la cryosphère.
Abstract
Heat and mass transfer in karst environments are characterized by the complex interactions between geological, hydrological, and atmospheric processes. Karst systems, facilitate unique heat transfer mechanisms through extensive networks of underground fractures, voids and caves representing fragile ecosystems where biogeochemical processes largely depend on temperature. Caves also host unique environmental records whose interpretation closely depends on temperature as well. Achieving a good understanding of the thermal response of karst to atmosphere signals is thus central to quantify dissolution/precipitation rates to interpret geochemical partitioning, to evaluate shallow geothermal extraction efficiency and to determine impacts on organisms living in karst.
Ventilated caves influenced by the chimney effect, where airflow is driven by the density (temperature) contrast between the interior and exterior of the cave, can transmit atmospheric signals to specific distances from entrances—referred to as the convection length—before reaching thermal equilibrium with the surrounding rock. Atmospheric signals consist of different frequencies such as yearly and daily fluctuations with certain amplitudes. The spatial distributions of these amplitudes through cave passages as well as the extent of generated thermal impact on the surrounding rock are investigated in this thesis by developing a thermal model illustrating that the convective length is approximately proportional to the amplitude of the flowrate annual fluctuations divided by the square root of the cave radius. This result is tested against field data from a mine tunnel and two caves.
The real cave passages comprise many obstacles and irregularities increasing the local transfer coefficients and friction compared to the calculated ones from empirical correlations derived for standard pipes. Furthermore, the airflow can transfer water vapor from atmosphere into the cave resulting in local condensation or evaporation. Four thermal scenarios are designed in order to study these complex processes using numerical simulations. The results of one-year field data from monitoring of Longeaigue cave in Switzerland agree with the thermal model results. Finally, an aeraulic-thermal model was developed using the external temperatures and cave aeraulic resistance as inputs calculating air mass flow rate in ventilated caves.
Epikarst located at uppermost layer of karst contributes to the fast transfer of recharge water through fractures by concentrated flow or slow transfer through rock matrix by diffusive flow. A speculative 3D epikarst geometry is built based on the distribution of Discrete Fracture Network (DFN) and a simple thermal model is developed for extreme hydraulic conditions including fully saturated and unsaturated fractures. Although some rainfall intensities are unrealistically high, they can nonetheless be used as extreme hydraulic scenarios during floods. In these cases, convective heat flux in fractures becomes dominant and classical conduction-base models cannot efficiently predict thermal response of underground temperature in epikarst.
Ice-clefts in karstic permafrost region experience temperature variations of atmosphere in the active layer at different time scales. The prediction of melting rate in ice-rich aquifers is essential for their profound impact on their hydrogeological properties, influencing both water availability and the mechanical stability of the ground necessitating a comprehensive understanding of heat transfer mechanisms in this specific medium by developing a fully coupled hydraulic-thermal model. Free convection in meltwater in the ice-clefts occurs due to the anomalous behavior of water between 0 and 4 ℃ increasing the melting rate by approximately an order of magnitude compared to a model based on purely conduction in stagnant water. The model outcomes are compared qualitatively with field data from Monlesi ice cave in Switzerland and confirm the agreement between real-world observations and the proposed model when free convection is considered.
The results of this thesis provide more detailed insights on different aspects of heat and mass transfer mechanisms in karst systems by considering convective heat flux in ventilated conduits, fractured epikasrt and ice-filled clefts subject to atmospheric temperature variations. Further investigations on this topic can be facilitated by using the current developed models as a basis for the community of geoscience, hydrogeology, and cryosphere.
Les grottes ventilées par l’effet cheminée, où le flux d’air est entraîné par contraste de densité (température) entre l’intérieur et l’extérieur de la grotte, peuvent transférer les signaux atmosphériques à certaines distances des entrées — appelées longueur de convection — avant d'atteindre un équilibre thermique avec la roche environnante. Les signaux atmosphériques consistent en différentes fréquences, telles que les fluctuations annuelles et journalières, avec des amplitudes propres. La distribution spatiale de ces amplitudes à travers les galeries de grottes ainsi que l’étendue de l’impact thermique généré sur la roche environnante sont étudiées dans cette thèse à l’aide d’un modèle thermique démontrant que la longueur de convection est approximativement proportionnelle à l’amplitude des fluctuations annuelles du débit divisé par la racine carrée du rayon de la grotte. Ce résultat est testé avec des données de terrain provenant d’un tunnel de mine et de deux grottes.
Les galeries réelles des grottes comportent de nombreux obstacles et irrégularités augmentant les coefficients de transfert locaux et les frottements par rapport à ceux calculés à partir des corrélations empiriques dérivées pour des tuyaux standard. De plus, le flux d'air peut transporter de la vapeur d'eau, entraînant des phénomènes locaux de condensation ou d'évaporation. Quatre scénarios thermiques sont conçus pour étudier ces processus complexes à l’aide de simulations numériques. Les résultats d’une année de données de terrain issues de la surveillance de la grotte de Longeaigue, en Suisse, concordent avec les résultats du modèle thermique. Enfin, un modèle aéraulique-thermique a été développé en utilisant les températures externes et la résistance aéraulique de la grotte comme entrées pour calculer le débit massique d'air dans les grottes ventilées.
L’épikarst, situé dans la couche superficielle du karst, contribue au transfert rapide de l’eau de recharge à travers les fractures par flux concentré ou au transfert lent à travers la matrice rocheuse par flux diffusif. Une géométrie spéculative en 3D de l’épikarst est construite à partir de la distribution d’un réseau de fractures discrètes (DFN) et un
modèle thermique simple est développé pour des conditions hydrauliques extrêmes incluant des fractures entièrement saturées et non saturées. Bien que certaines intensités de précipitations ne soient pas réalistes, elles peuvent néanmoins être utilisées comme scénarios hydrauliques extrêmes pendant une crue. Dans ces cas, le flux de chaleur convectif dans les fractures devient dominant et les modèles classiques basés sur la conduction ne peuvent pas prédire efficacement la réponse thermique de la température souterraine dans l'épikarst.
Les régions karstiques sujettes au pergélisol subissent des variations de température atmosphérique dans la couche active à différentes échelles temporelles. La prédiction du taux de fonte dans les aquifères riches en glace est essentielle en raison de leur impact profond sur l’hydrogéologie, influençant à la fois la disponibilité en eau et la stabilité mécanique du sol. Une approche complète des mécanismes de transfert thermique dans ce milieu spécifique est proposée au moyen d’un modèle couplant hydraulique et thermique. Dans un réseau de fracture, la convection naturelle dans l’eau de fonte se produit en raison du comportement anormal de l’eau entre 0 et 4 °C, augmentant le taux de fonte d’environ un ordre de grandeur par rapport à un modèle basé uniquement sur la conduction dans l’eau stagnante. Les résultats du modèle sont comparés qualitativement aux données de terrain de la glacière de Monlési en Suisse et confirment l’accord entre les observations réelles et le modèle proposé lorsque la convection naturelle est prise en compte.
Les résultats de cette thèse fournissent des perspectives détaillées sur les différents mécanismes de transfert de chaleur et de masse dans les systèmes karstiques en considérant le flux thermique convectif dans les conduits ventilés, les épikarsts fracturés et les fractures remplies de glace soumises aux variations de température atmosphérique. Des recherches supplémentaires sur ce sujet pourraient être facilitées par l’utilisation de modèles développés comme base pour la communauté des géosciences, de l’hydrogéologie et de la cryosphère.
Abstract
Heat and mass transfer in karst environments are characterized by the complex interactions between geological, hydrological, and atmospheric processes. Karst systems, facilitate unique heat transfer mechanisms through extensive networks of underground fractures, voids and caves representing fragile ecosystems where biogeochemical processes largely depend on temperature. Caves also host unique environmental records whose interpretation closely depends on temperature as well. Achieving a good understanding of the thermal response of karst to atmosphere signals is thus central to quantify dissolution/precipitation rates to interpret geochemical partitioning, to evaluate shallow geothermal extraction efficiency and to determine impacts on organisms living in karst.
Ventilated caves influenced by the chimney effect, where airflow is driven by the density (temperature) contrast between the interior and exterior of the cave, can transmit atmospheric signals to specific distances from entrances—referred to as the convection length—before reaching thermal equilibrium with the surrounding rock. Atmospheric signals consist of different frequencies such as yearly and daily fluctuations with certain amplitudes. The spatial distributions of these amplitudes through cave passages as well as the extent of generated thermal impact on the surrounding rock are investigated in this thesis by developing a thermal model illustrating that the convective length is approximately proportional to the amplitude of the flowrate annual fluctuations divided by the square root of the cave radius. This result is tested against field data from a mine tunnel and two caves.
The real cave passages comprise many obstacles and irregularities increasing the local transfer coefficients and friction compared to the calculated ones from empirical correlations derived for standard pipes. Furthermore, the airflow can transfer water vapor from atmosphere into the cave resulting in local condensation or evaporation. Four thermal scenarios are designed in order to study these complex processes using numerical simulations. The results of one-year field data from monitoring of Longeaigue cave in Switzerland agree with the thermal model results. Finally, an aeraulic-thermal model was developed using the external temperatures and cave aeraulic resistance as inputs calculating air mass flow rate in ventilated caves.
Epikarst located at uppermost layer of karst contributes to the fast transfer of recharge water through fractures by concentrated flow or slow transfer through rock matrix by diffusive flow. A speculative 3D epikarst geometry is built based on the distribution of Discrete Fracture Network (DFN) and a simple thermal model is developed for extreme hydraulic conditions including fully saturated and unsaturated fractures. Although some rainfall intensities are unrealistically high, they can nonetheless be used as extreme hydraulic scenarios during floods. In these cases, convective heat flux in fractures becomes dominant and classical conduction-base models cannot efficiently predict thermal response of underground temperature in epikarst.
Ice-clefts in karstic permafrost region experience temperature variations of atmosphere in the active layer at different time scales. The prediction of melting rate in ice-rich aquifers is essential for their profound impact on their hydrogeological properties, influencing both water availability and the mechanical stability of the ground necessitating a comprehensive understanding of heat transfer mechanisms in this specific medium by developing a fully coupled hydraulic-thermal model. Free convection in meltwater in the ice-clefts occurs due to the anomalous behavior of water between 0 and 4 ℃ increasing the melting rate by approximately an order of magnitude compared to a model based on purely conduction in stagnant water. The model outcomes are compared qualitatively with field data from Monlesi ice cave in Switzerland and confirm the agreement between real-world observations and the proposed model when free convection is considered.
The results of this thesis provide more detailed insights on different aspects of heat and mass transfer mechanisms in karst systems by considering convective heat flux in ventilated conduits, fractured epikasrt and ice-filled clefts subject to atmospheric temperature variations. Further investigations on this topic can be facilitated by using the current developed models as a basis for the community of geoscience, hydrogeology, and cryosphere.
Notes
Thesis advisors: Prof. Tit. Pierre-Yves Jeannin, SISKA (CH) (director)
Prof. Benoît Valley, University of Neuchâtel (CH)(co-director)
Dr. Marc Luetscher, SISKA (CH)
Dr. Frédéric Doumenc, FAST (FR)
Examiners: Prof. Franci Gabrovšek, ZRC SAZU (SI)
Defended on the 10th of January 2025
No de thèse : 3164
Prof. Benoît Valley, University of Neuchâtel (CH)(co-director)
Dr. Marc Luetscher, SISKA (CH)
Dr. Frédéric Doumenc, FAST (FR)
Examiners: Prof. Franci Gabrovšek, ZRC SAZU (SI)
Defended on the 10th of January 2025
No de thèse : 3164
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Type de publication
doctoral thesis
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