Review of the use of Péclet numbers to determine the relative importance of advection and diffusion in low permeability environments

In low permeability environments, transport by advection is often neglected based on a Péclet number criterion. Such a criterion usually states that if the Péclet number (Pe) is much smaller than 1, diffusion dominates over advection and transport may be modeled considering diffusion only. Unfortunately, up to 10 different Péclet number definitions exist and for a particular case these different definitions lead to very diverse Péclet number values, differing several orders of magnitude from each other. In this paper, the different Péclet number definitions are therefore evaluated on their ability to determine the relative importance of transport by advection and by diffusion in low permeability environments. This is done by comparing the results of the analytical solution for pure diffusion with the analytical solution for diffusion, advection and dispersion for a large number of different input parameter values. The relation between the different Péclet numbers and the difference between the calculated concentration considering diffusion only and the calculated concentration considering both diffusion and advection is studied. These calculations show that some Péclet number definitions are not well suited to decide whether advection may be neglected in low permeability media.RésuméDans les milieux à faible perméabilité, le transport par advection est souvent négligeable lorsqu’on se base sur le critère du nombre de Péclet. Un tel critère suggère habituellement que pour un nombre de Péclet beaucoup plus petit que 1, la diffusion domine sur l’advection et que le transport peut être modélisé par diffusion seulement. Malheureusement, il existe jusqu’à environ dix définitions du nombre de Péclet et pour un cas spécifique, ces différentes définitions mènent à des valeurs du nombre de Péclet très différentes, et qui varient entre elles de plusieurs ordres de grandeur. Dans cet article, les différentes définitions du nombre de Péclet sont évaluées en fonction de leur habileté à déterminer l’importance relative du transport par advection et par diffusion dans les milieux à faible perméabilité. Ceci est fait en comparant les résultats de la solution analytique pour la diffusion pure à la solution analytique pour la diffusion, l’advection et la dispersion, et ce, pour un grand nombre de valeurs différentes comme paramètre d’entrée. La relation entre les différents nombres de Péclet et la différence entre la concentration calculée en considérant la diffusion seulement et la concentration calculée considérant simultanément la diffusion et l’advection est étudiée. Ces calculs prouvent que certaines définitions de nombre de Péclet ne sont pas appropriées afin de décider si l’advection peut être négligée dans les milieux à faible perméabilité.ResumenFrecuentemente se descuida el transporte por avección en ambientes de baja permeabilidad sobre la base del criterio del número de Péclet. Dicho criterio usualmente sostiene que si el número de Péclet (Pe) es mucho menor a 1, la difusión domina sobre la avección y es posible modelar el transporte considerando la difusión únicamente. Desafortunadamente existen 10 definiciones diferentes del número de Péclet y para un caso en particular estas diferentes definiciones conducen a valores de número de Péclet muy diversos los cuales difieren entre sí en varias magnitudes. Por lo tanto, en este artículo se evalúan las diferentes definiciones en base a su habilidad para determinar la importancia relativa del transporte por avección y difusión en ambientes de baja permeabilidad. Esto se lleva a cabo mediante la comparación de los resultados de la solución analítica para difusión pura con los de la solución analítica por difusión, avección y dispersión para un número amplio de diferentes valores como parámetro. Se ha estudiado la relación entre los diferentes números de Péclet y las diferencias entre la concentración calculada considerando difusión únicamente y considerando tanto difusión como avección. Estos cálculos muestran que algunas de las definiciones de los números de Péclet no son muy apropiadas par decidir si se puede descuidar la avección en medios de baja permeabilidad.