Математическое моделирование процесса термической диссоциации газовых гидратов
Диссертация
Известно, что газовые гидраты существуют в так называемой «зоне стабильности», то есть при выполнении определённых ограничений на температуру и давлениепри выходе за рамки ограничений (также называемых Р-Т условиями) гидраты разлагаются на газ и воду. Этот процесс называется фазовым переходом, или переходом из твёрдой фазы (гидрат) в жидкую (газ и вода), которые разделены границей фаз. Основная… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ С ДВИЖУЩЕЙСЯ ГРАНИЦЕЙ
- 1. 1. Газовые гидраты
- 1. 2. Задачи с движущейся границей
- 1. 3. Математические модели
- 1. 4. Численные методы решения задач с движущейся границей. 22 1.4.1. Многомасштабные методы
- 1. 5. Обратные коэффициентные задачи
- Глава 2. ВАРИАЦИОННЫЕ ФОРМУЛИРОВКИ
- 2. 1. Функциональные пространства
- 2. 1. 1. Декомпозиция пространства V
- 2. 2. Вариационная формулировка
- 2. 3. Оценка погрешности
- 2. 4. Представление решения в виде суммы компонент
- 2. 4. 1. Учёт условия Стефана
- 2. 5. Построение дискретного аналога вариационной формулировки
- 2. 5. 1. Определение конечного элемента
- 2. 5. 2. Дискретный аналог для задачи Стефана
- 2. 5. 3. Технология построения дискретного аналога вариационной формулировки
- 2. 5. 4. Лифтинг-операторы
- 2. 5. 5. Учёт краевых условий
- 2. 5. 6. Сборка глобальной матрицы СЛАУ
- 2. 5. 7. Алгоритм вычисления оператора Ь^
- 2. 5. 8. Двухуровневый итерационный решатель
- 2. 5. 9. Алгоритм решения задачи Стефана
- 2. 1. Функциональные пространства
- 3. 1. Результаты прямого моделирования
- 3. 1. 1. Расчёт температурного поля для льда при нормальном давлении
- 3. 1. 2. Расчёты для гидратсодержащей смеси в однородной среде
- 3. 1. 3. Температурное поле в среде с включениями
- 3. 2. Решение обратной задачи Стефана в одномерном пространстве
- 3. 2. 1. Минимизация функционала ошибки
- 3. 2. 2. Вычисление функции чувствительности
- 3. 2. 3. Результаты
Список литературы
- Дучков, А. Д. Геотермический метод обнаружения газовых гидратов в поддонных осадках / А. Д. Дучков, В. Е. Истомин, Л. С. Соколова // Геология и геофизика. — 2012. — Т. 53, № 7. — С. 922−931.
- Голъмшток, А. Я. О возможности обнаружения донных скоплений газовых гидратов геотермическим методом / А. Я. Гольмшток, А. Д. Дучков, Н. А. Рощина // Вопросы геофизики. Вып. 38.— СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2005.- С. 130−147.
- Сукманова, Е. Н. Разрывный метод Галёркина для решения невязкой задачи Бюргерса / Е. Н. Сукманова // Научный вестник НГТУ. — 2008.-№ 3(32).-С. 45−56.
- Сукманова, Е. Н. Разрывный метод Галёркина для решения задач диффузии-конвекции. Вариационная постановка / Е. Н. Сукманова // Сборник научных трудов НГТУ. 2006. — № 3. — С. 49−54.
- Сукманова, Е. Н. Решение конвективно-диффузионных задач разрывным методом Галёркина / Е. Н. Сукманова // Сборник научных трудов НГТУ. 2006. — № 3. — С. 55−60.
- Иткина, Н. Б. Математическое моделирование процесса диссоциации газовых гидратов многомасштабным разрывным методом Галёркина /
- Бухгалтер, Э. Б. Метанол и его использование в газовой промышленности / Э. Б. Бухгалтер. — М: Недра, 1986. — 238 с.
- Макогон, Ю. Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование / Ю. Ф. Макогон. — М: Недра, 1985. — 232 с.
- Ji, Chuang. Natural gas production from hydrate dissociation: a comparison of axisimmetric models / Chuang Ji, Goodars Ahmadi, Wu Zhang, Duane H. Smith // Proceedings of the Fourth International Conference on Gas Hydrates, Yokohama. May 19−23, 2002.
- Jeannin, L. Formation & dissociation of methane hydrates in sediments, part I: A new experimantal set-up for measurements and modelling at the core scale // Proceedings of the Fourth International Conference on Gas Hydrates, Yokohama. — Yokohama: 2002.
- Дучков, А. Д. Измерение теплопроводности синтетических образцов донных осадков, содержащих гидраты метана / А. Д. Дучков, А. Ю. Манаков, С. А. Казанцев, М. Е. Пермяков, А. Г. Огиенко // Физика Земли. 2009. — № 8. — С. 42−50.
- Басниев, К. С. Перспективы освоения залежей природных гидратов / К. С. Басниев, А. В. Щебетов // Наука и техника в газовой промышленности. 2004. — № 1−2. — С. 56−62.
- Дмитриевский, А. М. Локализованные потоки глубинных углеводородных флюидов и генезис скоплений газогидратов / А. М. Дмитриевский, Б. М. Валяев.- М: Геос, 2002.- С. 319−322.
- Нифантов, А. В. Создание методики математического моделирования разработки газогидратных месторождений термическими методами: автореферат диссертации канд. техн. наук / А. В. Нифантов. — М., 2006.
- Соловьев, В. А. Газогидратность недр мирового океана / В. А. Соловьев // Газовая промышленность. — 2001. — № 12. — С. 19−23.
- Истомин, В. А. Исследования газовых гидратов в россии / В. А. Истомин, В. С. Якушев // Газовая промышленность. — 2001.— № 6.— С. 49−53.
- Богатыренко, Р. С. Особенности разработки и эксплуатации газогидратных месторождений (на примере Мессояхского месторождения): автореферат диссертации канд. техн. наук / Р. С. Богатыренко.— М., 1979. 24 с.
- Арутюнов, В. С. Введение в газохимию. Учебное пособие / В. С. Арутюнов, A. JI. Лапидус. — М: РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2004. 109 с.
- Голубев, В. А. Свидетельства присутствия газогидратов в верхнем слое донных осадков озера байкал: результаты измерений теплопроводности in situ / В. А. Голубев // Доклады Академии наук. — 1998. — Т. 358, К0- 3. С. 384−388.
- Карслоу, Г. Теплопроводность твёрдых тел / Г. Карслоу, Д. Егер. — М.: Наука, 1964. 487 с.
- Мейрманов, А. М. Метод двухмасштабной сходимости нгуетсенга в задачах фильтрации и сейсмоакустики в упругих пористых средах / А. М. Мейрманов // Сибирский математический э/сурнал — 2007. — Т. 48, № 3. С. 645−667.
- Donaldson, R. D. — Generalized Stefan Problems. Linear analysis and computation. — Master's thesis, The University of British Columbia, 2003.
- Crank, J. Free and moving boundary problems / J. Crank. — Oxford: Clarendon Press, 1984.
- Goodman, J. On the early exercise boundary of the american put option / J. Goodman, D. N. Ostrov // SIAM J. Appl. Math. 2002.- no. 62.— Pp. 1823−1835.
- Нигматулин, P. И. Динамика многофазных сред, часть 1 / Р. И. Ниг-матулин. — 1987. — 464 с.
- Нигматулин, Р. И. Динамика многофазных сред, часть 2 / Р. И. Нигматулин. — 1987. — 360 с.
- Hill, J. М. One-dimensional Stefan problems: an Introduction / J. M. Hill. — Harlow: Longman Scientific & Technical, 1987.
- Бондарев, Э. А. Механика образования гидратов в газовых потоках / Э. А. Бондарев, Г. Д. Бабэ, А. Г. Гройсман, М. А. Каниболотский.— Новосибирск: Наука, 1976. — 157 с.
- Kim, Н. С. Kinetics of methane hydrate decomposition / H. C. Kim, P. R. Bishnoy, R. A. Heidelmann, S. S. H. Rizvi // Chem. Eng. Science. — 1987. — Vol. 42, no. 7. Pp. 1645−1653.
- Cowalsky, М. В. Comparison of kinetic and equilibrium reaction models in simulating gas hydrate behavior in porous media / M. B. Cowalsky, G. J. Moridis // Energy Conversion and Management — 2007. — no. 48. — Pp. 1850−1863.
- М., Максимов А. Математическая модель объемной диссоциации газовых гидратов в пористой среде: учет подвижности водной фазы / Максимов А. М. // ИФЖ. 1992. — Т. 62, № 1. — С. 76−81.
- Jeannin, L. Formation &- dissociation of methane hydrates in sedimants. part II: Numerical modeling // Proceedings of the Fourth International Conference on Gas Hydrates, Yokohama. — Yokohama: 2002.
- Черский, H. В. О тепловом методе разработки газогидратных залежей / Н. В. Черский, Э. А. Бондарев // Доклады Академии наук СССР. — 1972. Т. 203, № 3. — С. 550−552.
- Максимов, А. М. Математическая модель объемной диссоциации газовых гидратов в пористой среде: учёт водной фазы / А. М. Максимов // Инженерно-физический журнал. — 1992. — Т. 62, Ne 1. — С. 76−81.
- Wang, Lirng. Hydrostatic fluid-structure characteristic analysis of hydrauli-cally dumped rubber mount // Proceedings of the World Congress on Engineering, July 1−3.- Vol. II.- London, U.K.: 2009.
- Vuik, C. A conserving discretization for a Stefan problem with an interface reaction at the free boundary / C. Vuik, A. Segal, F. J. Vermolen // Comput. Visual Sci. 2000. — no. 3. — Pp. 109−114.
- Javierre, E. A comparison of numerical models for one-dimensional Stefan problems / E. Javierre, C. Vuik, F.J. Vermolen, S. van der Zwaag // Journal of Computational and Applied Mathematics. — 2006. — no. 192. — Pp. 445 459.
- Гольдман, H. Л. Обратные задачи Стефана. Теория и методы решения / H. JI. Гольдман. М.: Изд-во МГУ, 1999. — 294 с.
- Лаевский, Ю. М. Двухтемпературная модель гидратсодержащей среды / Ю. М. Лаевский, А. А. Калинкин // Матем. моделирование.— 2010. Т. 22, № 4. — С. 23−31.
- Lee, Tien-Cahng. Determination of thermal conductivity and formation temperature from cooling history of friction-heated probes / Tien-Cahng Lee, A. D. Duchkov, S. G. Morozov // Geophys. J. Int. 2003. — no. 152. -Pp. 433−442.
- Федоренко, P. П. Разностная схема для задачи стефана / Р. П. Фе-доренко // Ж. вычисл. матем. и матем. физ, — 1975.— № 15:5.— С. 1339−1344.
- Riviere, Beatrice. Discontinuous Galerkin methods from two-phase flow in porous media: Tech. Rep. 2004−28 / Beatrice Riviere, Peter Bastian: University of Heidelberg, 2004.
- Ahmed, S.G. A new numerical algorithm for 2D moving boundary problems using a boundary element method / S.G. Ahmed, S.A. Meshrif // Computers & Mathematics with Applications. — 2009. — Vol. 58, no. 7. — Pp. 1302−1308.
- Juric, D. A front-tracking method for dendritic solidification / D. Juric, S. Tryggvason // J. Comput. Phys. 1996. — no. 123.- Pp. 127−148.
- Boettinger, W. J. Phase-field simulation of solidification / W. J. Boettinger, J. A. Warren, C. Beckermann, A. Karma // Annu. Rev. Mater. Res.— 2002. no. 32. — Pp. 163−194.
- Zabaras, Nicolas. A deforming finite element method analysis of inverse Stefan problem / Nicolas Zabaras, Yimin Ruan // International journal for numerical methods in engineering. — 1989. — Vol. 28. — Pp. 295−313.
- Alotto, P. Discontinuous finite element methods for the simulation of rotating electrical machines / P. Alotto, A. Bertoni, I. Perugia, D. Schotzau // CIMPEL. 2001. — no. 20. — Pp. 448−462.
- Perugia, Ilaria. On the coupling of local discontinuous Galerkin and conforming finite element methods / Ilaria Perugia, Dominic Shdtzau // Journal of Scientific Computing. — 2001. — Vol. 16, no. 4.
- Hughes, Т. J. R. Multiscale phenomena: Green’s functions, the Dirichlet-to-Neumann formulation, subgrid scale models, bubbles and the origins of stabilized meghods / T. J. R. Hughes // Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 1995. — no. 127. — Pp. 387−401.
- Hughes, T. J. R. The variational multiscale method a paradigm for computational mechanics / T. J. R. Hughes, G. R. Feijoo, L. Mazzei, J.-B. Quin-cy // Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. — 1998. — no. 166. — Pp. 3−24.
- Holmen, J. Sensitivity of the scale partition for variational multiscale large-eddy simulation of channel flow / J. Holmen, T. J. R. Hughes, A. A. Oberai, G. N. Wells // Physics of Fluids. 2004. — no. 16. — Pp. 824−827.
- Hughes, T. J. R. Large eddy simulation and the variational multiscale method / T. J. R. Hughes, L. Mazzei, К. E. Jansen // Computing and Visualization in Science. — 2000. — no. 3. — Pp. 47−59.
- Bochev, P. A multiscale discontinuous Galerkin method. — 2005. — Режим доступа: http://www.ices.utexas.edu/media/reports/2005/0517.pdf, свободный.
- Hughes, Thomas J. R. A multiscale discontinuous Galerkin method with the computational structure of a continuous Galerkin method. — 2005, — Режим доступа: http://www.ices.utexas.edu/media/reports/2005/0516.pdf, свободный.
- Buff a, A. Analysis of a multiscale discontinuous Galerkin method for convection-diffusion problems / A. Buffa, T. J. R. Hughes, G. Sangalli // SI AM Journal on Numerical Analysis. — 2006. — Vol. 44, no. 4. — Pp. 14 201 440.
- Сукманова, E. H. Многомасштабный метод конечных элементов с использованием вариационной постановки разрывного метода Галёрки-на / Е. Н. Сукманова // Российская научно-техническая конференция
- Информатика и проблемы телекоммуникаций", 27−28 апреля 2009: материалы конференции. Т. 1.— 2009. — С. 64−67.
- Scovazzi, Guglielmo. Multiscale methods in science and engineering: P. / Stanford University. 2004. — 232 pp.
- Wang, Wei. Thi discontinuous Galerkin method for the multiscale modeling of dynamics of crystalline solids / Wei Wang, Xiantao Li, Chi-Wang Shu // Multiscale Model. Simul- 2008. Vol. 7, no. 1. — Pp. 294−320.
- Efendiev, Y. A generalized condection-diffusion model for subgrid transport in porous media / Y. Efendiev, L. J. Durlofsky / / SI AM Multiscale Modeling an dSimulation. 2003. — no. 1. — Pp. 504−526.
- Ginting, V. Upscaled modeling in multiphase flow applications / V. Gint-ing, R. Ewening, Y. Efendiev, R. Lazarov // Computational and Applied Mathematics. 2004. — Vol. 23, no. 2−3. — Pp. 213−233. www.scielo.br/cam.
- Larson, M. G. Adaptive variational multiscale method for convection-diffusion problems / M. G. Larson, A. Malqvist // Comm. Numer. Methods Engrg. 2009. — no. 25. — Pp. 65−79.
- Cockburn, B. The local discontinuous Galerkin finite element method for convection-diffusion systems / B. Cockburn, C. W. Shu // SI AM J. Numer. Anal. 1998. — no. 35. — Pp. 2440−2463.
- Brezzi, F. Discontinuous Galerkin approximations for elliptic problems / F. Brezzi, G. Manzini, D. Marini, P. Pietra, A. Russo // Numer. Methods Partial Differential Equations. 2000. — no. 16. — Pp. 365−378.
- Oden, J. T. A discontinuous hp finite element method for diffusion problems / J. T. Oden, Ivo Babuska, С. E. Baumann //J. Comput. Phys.— 1998. no. 146. — Pp. 491−519.
- Riviere, В. Improved energy estimates for interior penalty constrained and discontinuous Galerkin methods for elliptic problems I / B. Riviere, M. F. Wheeler, V. Girault //J. Comput Geosci. 1999. — no. 3. — Pp. 337−360.
- Arnold, D. N. Unified analysis of discontinuous Galerkin methods for elliptic problems / D. N. Arnold, F. Brezzi, B. Cockburn, L. D. Marini // SIAM J. Numer. Anal. 2002. — no. 29. — Pp. 1749−1779.
- J.K.Kraus,. A multilevel method for discontinuous Galerkin approximation of three-dimensional elliptic problems / J.K.Kraus, S.K.Tomar // Num. Lin. Alg. Appl. 15. 2008. — no. 15. — Pp. 417−438.
- Cockburn, В. Runge-Kutta discontinuous Galerkin methods for convection-dominated problems / B. Cockburn, C. Shu // J. Sci. Сотр.— 2001.— no. 16.-Pp. 173−261.
- Chen, Z. Mixed RKDG finite element methods for the 2-D hydrody-namic model for semiconductor device simulation / Z. Chen, B. Cockburn, J. Jerome, C. W. Shu // VLSI Design. — 1995. — no. 3.- Pp. 145−158.
- Галанин, M. П. Применение RKDG метода для численного решения задач газовой динамики / М. П. Галанин, Е. В. Грищенко, Е. Б. Савенков, С. А. Токарева. Москва, 2006. — 31 с. — Препринт ИПМ № 52.
- Ольшанский, М. А. Лекции и упражнения по многосеточным методам / М. А. Ольшанский. — М.: Издательство ЦПИ при механико-математическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова, 2003. — 176 с.
- Saad, Y. Iterative solution of linear systems in the 20th century: Tech. Rep. umsi-99−152 / Y. Saad, H. A. van der Vorst: Minnesota Supercomputer Institute, University of Minnesota, Minneapolis, MN, 1999.
- Федоренко, P. П. Релаксационный метод решения разностных эллиптических уравнений / Р. П. Федоренко // Ж. Вычисл. матем. и матем. физ. 1961. — Т. 1, № 5. — С. 922−927.
- Aksoylu, В. A family of physics-based preconditioners for solving elliptic equations on highly heterogeneous media / B. Aksoylu, H. Klie // Applied Numerical Mathematics. — 2009. — no. 59. — Pp. 1159−1186.
- Aksoylu, В. Towards a rigorously justified algebraic preconditioner for high-contrast diffusion problems / B. Aksoylu, I. G. Graham, H. Klie, R. Sche-ichl // Computing and Visualization in Science.— 2008.— no. 11.— Pp. 319−331.
- Axelsson, 0. On multilevel preconditioners which are optimal with respect to both problem and discretization parameters / 0. Axelsson, S. Margen-ov // Computational Methods in Applied Mathematics. — 2003.— Vol. 3, no. 1.- Pp. 6−22.
- Романов, В. Г. Обратные задачи математической физики / В. Г. Романов.- М.: Наука, 1984.- 261 с.
- Кабанихин, С. И. Обратные и некорректные задачи / С. И. Кабани-хин. — Н.: Сибирское научное издательство, 2009. — 457 с.
- Избранные труды А. Н. Тихонова. — М.: Макс Пресс, 2001. — 485 с.
- Тихонов, А. Н. Методы решения некорректных задач / А. Н. Тихонов,
- B. Я. Арсенин. М.: Наука, 1986. — 287 с.
- Zabaras, Nicholas. Inverse problems in heat transfer: P. / Stanford University. 2004.
- Бойко, О. А. Применение методов планирования эксперимента при решении обратных коэффициентных задач теплопереноса / О. А. Бойко, С. М. Зеркаль, Н. Б. Иткина. — Н.: Институт математики им.
- C.Л.Соболева СО РАН, 2003. 20 с.
- Sudirham, J. J. A study on discontinuous Galerkin finite element methods for elliptic problems: Tech. rep. / J. J. Sudirham, J. J. W. van der Vegt, R. M. J. van Damme: September 2003. — Режим доступа: http://doc.utwente.n1/65 875/l/1690.pdf, свободный.
- Bassi, F. A high-order accurate discontinuous finite element method for inviscid and viscous turbomachinery flows // Proceedings of 2nd European Conference on Turbomachinery, Fluid Dynamics and Thermodynamics. — Antwerpen, Belgium: 1964. Pp. 99−108.
- Keeling, Stephen L. Some notes on elliptic regularity Электронный ресурс. / Stephen L. Keeling. — Режим доступа: http://www.kfunigraz.ac.at/imawww/keeling/pde-ellip-reg.pdf, свободный.
- Годунов, С. К. Разностные схемы / С. К. Годунов, В. С. Рябенький. — М.: Наука, 1977. 439 с.
- Nechaev, О. Multilevel iterative solversfor the edge finite element solution of the 3D Maxwell equation / O. Nechaev, E. Shurina, M. Botchev // Computers & Mathematics with Applications. — 2008. — Vol. 55, no. 10. — Pp. 2346−2362.
- Морев, А. И. Газобаллонные автомобили: Справочник / А. И. Морев, В. И. Ерохов, Б. А. Бекетов. — М.: Транспорт, 1992. — 175 с.
- Физические величины / Под ред. И. С. Григорьев, Е. 3. Мейлихов.— М.: Энергоатомиздат, 1991.— 1232 с.
- Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. акад. И. К. Кикоин. — М.: Атомиздат, 1976. — 1008 с. t
- Пермяков, М. Е. Эффективная теплопроводность гидратосодержащих образцов по результатам лабораторных измерений при различных Р-Т-условиях: Диссертация на соискание степени кандидата технических наук / ИНГГ СО РАН. Новосибирск, 2010.
- Гройсман, А. Г. Теплофизические свойства газовых гидратов / А. Г. Гройсман. — Новосибирск: Наука, 1985. — 94 с.
- Дучков, А. Д. Газогидраты метана в осадках озера Байкал / А. Д. Дуч-ков // Российский химический журнал. — 2003. — Т. ХЬУП (З). — С. 4250.