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Tough3断裂多孔介质中非等温多相流动和传输的模拟器套件

TOUGH("Transport Of Unsaturated Groundwater and Heat")软件代码套件是多维数值模型,用于模拟多孔和断裂介质中水、蒸汽、不凝性气体和热量的耦合传递。该模拟器套件于20世纪80年代初在劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)开发,主要用于地热油藏工程,现在广泛用于大学,政府组织和私营企业。

软件详情介绍

Software details

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111111.gifTOUGH("Transport Of Unsaturated Groundwater and Heat")软件代码套件是多维数值模型,用于模拟多孔和断裂介质中水、蒸汽、不凝性气体和热量的耦合传递。该模拟器套件于20世纪80年代初在劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)开发,主要用于地热油藏工程,现在广泛用于大学,政府组织和私营企业,用于核废料处理,环境修复问题,地热,石油和天然气储层的能源生产以及天然气水合物矿床,地质碳固存, vadose 带水文,以及涉及渗透介质中耦合的热、水文、地球化学和机械过程的其他用途。TOUGH模拟器套件不断更新,正在开发新的状态方程(EOS)模块,并在TOUGH框架中实施了改进的过程描述(请参阅TOUGH开发历史概述)。值得注意的是,EOS属性模块用于水,NaCl和CO的混合物2已被开发并广泛用于地质碳固存过程的分析。


TOUGH及其应用已成为500多篇同行评审期刊文章,会议论文集和项目报告的主题。TOUGH及其各种模块都记录在一系列手册中。

Karsten Pruess于9月18日星期二在加利福尼亚州伯克利举行的2012年TOUGH研讨会上被授予TOUGH代码开发终身成就奖。


TOUGH3是用于断裂多孔介质中流动和运输的基本模拟器。它是为涉及强热驱动流的问题而开发的,并使用多相方法来模拟流体和热流,这充分考虑了气相和液相的运动,潜热和显热的传递以及液体和蒸汽之间的相变。TOUGH3 取代了 TOUGH2 和 TOUGH2-MP 系列代码,可在串行模式、多处理器机器或大规模并行群集上运行。2222.jpg

提供处理不同流体混合物的灵活性,其属性在单独的状态方程(EOS)模块中描述。TOUGH3 使用积分有限差分方法进行空间离散化,以及一阶完全隐式时间差分。线性方程求解可以选择稀疏直接求解器或各种预处理共轭梯度算法。在实验精度范围内,水的热物理性质由蒸汽表方程表示。该程序提供了用于指定热量和流体的注入或抽取的选项。双孔隙率、双渗透率和多重相互作用连续 (MINC) 方法可用于模拟断裂多孔介质中的流动。

虽然 TOUGH3 主要设计用于地热储层研究和高水平的核废料隔离,但它可以应用于更广泛的热和水分传递以及多孔材料的干燥问题。TOUGH3模拟器是为涉及强热驱动流的问题而开发的。为了描述这些现象,使用了流体和热流的多相方法,它完全解释了气相和液相的运动,潜热和显热的传递以及液体和蒸汽之间的相变。TOUGH3根据达西定律考虑了在压力,粘性和重力作用下发生的液相和气相中的流体流动。相之间的干扰通过相对磁导率函数表示。该代码包括气相中的克林肯贝格效应和二元扩散,以及液相的毛细管和相吸附效应。热传递通过传导(导热系数取决于水饱和度)、对流和二元扩散(包括显热和潜热)发生。

TOUGH3 整合了串行 (TOUGH2 V2.1) 和并行 (TOUGH2-MP V2.0) 实现,使仿真能够使用单个代码在台式计算机和超级计算机上执行。TOUGH3 除了现有的 TOUGH2 串行求解器和 TOUGH2-MP 中使用的 Aztec 求解器外,还包括新的 PETSc 并行线性求解器。PETSc 求解器的性能优于并联的 Aztec 求解器和串行的内部 TOUGH3 线性求解器。TOUGH3 还集成了许多新功能,解决了错误,并提高了数据处理的灵活性。由于改进的功能和可用性,TOUGH3在解决与地下水流建模相关的各种科学和实际应用中棘手且计算要求苛刻的问题方面更加强大和高效。

TOUGH3 是一种通用数值模拟程序,用于多孔和断裂介质中多相、多组分流体混合物的多维流体和热流。TOUGH3 求解了描述一般多相、多组分系统中流体和热流的质量和能量平衡方程。流体平流是用达西定律的多相扩展来描述的;此外,在所有相中都有扩散质量传递。热流通过传导和对流发生,后者包括显热效应和潜热效应。热力学条件的描述基于所有相的局部平衡的假设。流体和地层参数可以是任意非线性函数的主要热力学变量。

对于数值模拟,必须离散化连续的空间和时间变量。空间离散化直接从基本守恒方程的积分形式进行,而不将它们转换为偏微分方程。这种"积分有限差分"方法(IFDM)避免了对全局坐标系的任何引用,因此具有适用于一维、二维和三维中正则或不规则离散化的优势。IFDM还通过对几何数据进行简单的预处理,可以对断裂介质实施双孔隙度和多孔隙度方法。时间被离散化为一阶向后有限差分。这与接口处通量项的上游加权相结合是必要的,以避免在涉及相(不)形的流动问题中不切实际的时间步长限制,并实现无条件的稳定性。

与以前版本的TOUGH不同,TOUGH3现在作为单个软件包发布,包括核心和所有EOS模块。唯一的例外是EOS7C-ECBM,T2Well-ECO2N和EOS9nT,它们将继续单独许可。


TOUGH 3 的新特性

概要

TOUGH 3灵活多态的(EOS)模块能轻松的处理研究不同的流体混合物。  

TOUGH 3支持使用空间离散积分有限差分法和一阶全隐式差分法。对于线性方程组解,可以选择采用稀疏直接求解器或各种预条件共轭梯度算法处理。水的热物理性质在实验精度中用蒸汽表方程表示。该程序提供了指定注入或撤出热量和流体的选项,双孔隙度、双渗透性和多重交互连续性(MINC)方法可用于裂缝性孔隙介质的流动建模流程。

TOUGH 3用于范围更加广大,不仅适用于处理地热储层研究和高水平的核废料隔离,还适用于热量和水分转移问题,以及在多孔材料的干燥过程处理。

TOUGH 3模拟器的开发涉及到强烈的热驱动流问题,为了描述这些现象,它采用了一种多相流体和热流的方法,充分考虑了气体和液体相的运动、潜热和显热的输送以及液体和蒸汽之间的相变。TOUGH 3根据达西定律,在压力、粘性和重力作用下,液体和气态的流体流动以及相位间的干扰用相对渗透率函数表示。该代码包括在气相的Klinkenberg效应和二元扩散,以及液相的毛细管和相吸附效应影响。热传导是通过传导(热导依赖于水饱和度)、对流和二元扩散(包括敏感和潜热)产生的

●新增功能特性

TOUGH 3兼具了 TOUGH2 所有功能和代码. TOUGH 3经过众多研究人员多年的自主研发,已经发展成为一个在FORTRAN90中编码的单一旗舰模拟器,能够开发多处理器机器(包括大规模并行版本TOUGH2-MP)。

全新的TOUGH 3,具有显著的编码修改能力,尤其在并行执行中线性方程的解决方案能力,可以很容易的在地下过程中找到熟悉的子程序名称和FORTRAN代码(如流量、运输、相平衡、毛管压力、子程序等)。

●针对大问题的新并行能力New Parallel Capabilities for Large Problems

TOUGH 3不仅可以利用TOUGH2标准序列共轭梯度求解器和Aztec并行线性方程求解器,还可以利用可移植的、可扩展的科学计算工具箱(PETSc)中的所有求解器。当在有多个处理器的计算机上安装时,TOUGH 3可以在数百万个网格块(每个网格块2-4个方程)的顺序下模拟非常大的问题。

上图: 性能测试的强硬3-EOS3单相注入冷水成均匀地热储层10公里×10公里×4公里在体积离散成853128体积元素(网格块)显示运行时扩展的处理器数量(测试由Antonio Pio Rinaldi (ETH), 2018)。 

●最新的授权模型New Licensing Model

为了简化购买流程,现在最新的TOUGH 3现在作为一个单独的包销售,包含了3个核心和相关所有的状态(EOS)模块。包含: EOS1, EOS2, EOS3, EOS4, EOS5, EOS7, EOS7R, EOS7C, EOS7CA, EOS8, EOS9, EWASG, ECO2N, ECO2N V2, ECO2M, TMVOC.

2018年3月22日,TOUGH 3正式上线,TOUGH 2从此停止销售。TOUGH 3所有模块不可以单独采购,只能作为一个整体销售。但是Source和Executable可以单独采购,但是注意,如果您想使用Executable功能,就必须要先采购Source。

●增加和改进Additions and Improvements Relative to TOUGH2

◆ 大量的bugs错误被修复和改进,有利于促进在未来的几年中的代码维护和增加的能力

◆ 合并和更新了几个EOS模块,例如: TMVOC, ECO2N, ECO2M, EOS7C, and EOS7CA

◆ 在初始化阶段动态分配与问题大小相关的数组

◆ 显著提高输出选项 (例如:printout in CSV, TECPLOT, or PETRASIM format for selected element-, connection-, and generation-related output variables)

◆ 增加和提升了更灵活的输入选项 (例如: time dependent GENER block)

◆ 合并并采用了许多增强功能被实施在iTOUGH2中的增强功能,例如: hysteresis modules for all EOS’s, semi-analytical heat solutions for wellbores, multiple biodegradation reactions in TMVOC

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TOUGH2简介

概要

TOUGH2 是一个通用的数值模拟程序对多相多元流体和热流量,在孔隙和裂隙介质多组分流体混合物。主要应用领域包括地热水库工程、核废料隔离研究、环境评估和修复以及可变饱和介质和含水层中的流动和运输。

TOUGH2 提供了处理不同流体混合物的灵活性,这些混合物的特性应用在不同的状态(EOS)模块中。

TOUGH2 采用积分有限差分法进行空间离散化,并采用一阶(first-order)完全隐式时间差分法。 

对于线性方程解,可以选择一个稀疏的直接求解器或各种预先条件共轭梯度算法。在实验精度范围内,将水的热物理性质用蒸汽表方程表示。该程序提供了指定注射或提取热量和液体的选项:双孔隙度、双渗透性和多重交互连续性(MINC)方法可用于裂缝性孔隙介质的流动建模。

TOUGH2 虽然主要用于地热储层研究和高水平的核废料隔离,但亦可应用于更广泛的热量和水分转移问题,以及在多孔材料的干燥过程中。

TOUGH2是针对强热驱动流(heat-driven flow)的问题,开发的模拟器。为了更清晰的描述这些现象,我们采用了流体和热流的多相方法,充分考虑了气体和液相的运动,它们的潜在和显热的传递,以及液体和蒸汽之间的相变。

TOUGH2 根据达西定律,在压力、粘性和重力作用下,充分考虑到液体和气态的流体流动。以及相位之间的干扰用相对渗透率函数表示。该代码包括气相的Klinkenberg效应和二元扩散,以及液相的毛细管和相吸附效应。热传导是通过传导(热导依赖于水饱和度)、对流和二元扩散(包括敏感和潜热)产生的。

●功能与特点

TOUGH2是多相流体和多组分流体混合物在多孔介质和断裂介质中流动的通用数值模拟程序。

TOUGH2可以解决难解的质量和能量平衡方程描述流体和热流在一般的多相,多组分系统。并采用达西定律的多相扩展来描述流体平流; 此外,在所有阶段都有扩散的大规模传导;热流是通过传导和对流发生的,后者包括敏感和潜热效应。热力学条件的描述是建立在所有相的局部平衡假设的基础上的。流体和地层参数可以是主热力学变量的任意非线性函数。

对于数值模拟,连续空间和时间变量必须离散化。空间离散直接由基本守恒方程的积分形式进行,不将其转化为偏微分方程。

这种“积分有限差分法(IFDM)避免提及到一个全球性的坐标系统,从而提供的优点是适用于定期或不定期的在一,两离散,和三个维度。通过简单的几何数据的预处理手段,实现双和多裂隙介质孔隙率的方法实现IFDM。时间完全隐式化为一阶向后有限差分。这与上游通量加权在接口上是必要的,以避免不切实际的时间步长限制的流动问题涉及阶段(DIS)的外观,并实现无条件稳定性。

版本模块详细介绍

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