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Tony Jefferson
Author with expertise in Microbially Induced Carbonate Precipitation in Construction
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Influence of Spatially Varying Boundary Conditions Based on Material Heterogeneity

Evan Ricketts et al.Jul 15, 2024
When conducting numerical analyses, boundary conditions are generally applied homogeneously, neglecting the inherent heterogeneity of the material being represented. Whilst the heterogeneity is often considered within the medium, its influence on the response at the boundary should also be accounted for. In this study, A novel approach to applying heterogeneous boundary conditions in the simulation of physical systems is presented, particularly focusing on moisture transport in unsaturated soils. The proposed method divides the surface into blocks or “macro-elements” and scales the boundary conditions based on the variation of material properties within these blocks. The principle of using overlapping kernel functions allows local effects to be considered, impacting neighbouring regions. To demonstrate the efficacy of the approach, a set of analyses were conducted that considered infiltration into a body of unsaturated soil, with various configurations of material properties and boundary conditions. The numerical simulations indicate that the application of scaled boundary conditions leads to a more natural and realistic response in the system. The applied method is independent on the numerical techniques employed in the simulation process, making it adaptable to existing computational codes, offering flexibility in capturing complex behaviours, and providing insights into how heterogeneity influences the system’s overall response.
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Stochastic modelling of unstable preferential flow in spatially varying water repellent soils

Evan Ricketts et al.Apr 25, 2024
It has been established that material variability can lead to distinct unstable hydraulic behaviour, and is prominent in soils due to their large spatial heterogeneity. This behaviour is amplified when the wettability of the medium is non-uniform, specifically if the soil becomes hydrophobic. When soil is naturally water repellent (WR), there is often spatial variability of wettability, such that a network of preferential flow paths is created. As water infiltrates, the water repellent regions will impede flow, resulting in preferential wetting pathways. This leads to highly preferential fingered flow, and can result in rapid movement of contaminants, or induce localised erosion. The WR properties of soil can be induced artificially through the addition of chemicals, via contamination, and as the consequence of natural processes such as wildfire. In this study, an investigation into the modelling of hydrophobic soil is presented. Local spatial variations in material parameters are accounted for using Gaussian random fields as part of a stochastic finite element model. This is then employed to replicate field scale experiments. A key component of the model is the relationship used to represent the saturation-capillary pressure relationship responsible for defining water entry pressures. For wettable soil, this can be achieved with the standard van Genuchten relation. For hydrophobic soil, this is not applicable; thus, an alternative is employed. Results from numerical simulations are presented, which are based on a set of published experimental data
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