Subsurface Flow Module

Per l'analisi di fenomeni geofisici basati sui flussi nel sottosuolo

Subsurface Flow Module

I depositi per i rifiuti radioattivi in fase di costruzione serviranno a immagazzinare le barre di combustibile nucleare esaurite per i prossimi centomila anni circa. Questo modello mostra il caso ipotetico in cui una breccia nel serbatoio del combustibile causa una perdita attraverso una frattura nella roccia circostante e il riempimento del tunnel soprastante.

Flusso nel sottosuolo in mezzi porosi saturi e insaturi

Il Subsurface Flow Module è destinato a tecnici e ricercatori che desiderino simulare il flusso di un fluido nel sottosuolo o in altri mezzi porosi e collegarlo ad altri fenomeni, come poroelasticità, trasferimento termico, reazioni chimiche e campi elettromagnetici. Può essere utilizzato per modellare il flusso di acque sotterranee e la dispersione di inquinanti nel sottosuolo, il flusso di petrolio e gas verso i pozzi e la subsidenza del terreno a causa dell'estrazione di acque sotterranee. Il Subsurface Flow Module può modellare il flusso nel sottosuolo in canali, in mezzi porosi saturi e insaturi o in fratture e accoppiare queste simulazioni al trasporto di soluti e di calore, a reazioni geochimiche e a poroelasticità. Molti settori industriali devono far fronte a problematiche legate alla geofisica e all'idrologia. I tecnici che operano nell'ambito dell'ingegneria civile, mineraria, petrolifera, agraria, chimica, nucleare e ambientale devono spesso considerare questi fenomeni dal momento che le applicazioni industriali su cui lavorano influiscono direttamente o indirettamente (attraverso considerazioni di carattere ambientale) sulla Terra in cui viviamo.

Il flusso nel sottosuolo interessa molte proprietà geofisiche

Il Subsurface Flow Module offre una serie di interfacce su misura per descrivere i fenomeni fisici che stanno alla base della modellazione del flusso e di altri fenomeni nel sottosuolo. Queste interfacce fisiche possono essere combinate e accoppiate direttamente tra loro all'interno del Subsurface Flow Module o associate ad altre contenute in un qualsiasi modulo della suite di prodotti COMSOL. Un esempio è costituito dall'accoppiamento del comportamento poroelastico descritto dal Subsurface Flow Module con applicazioni di meccanica dei solidi non lineari per terreni e rocce del Geomechanics Module.

Introdurre le velocità di reazioni geochimiche e la cinetica

COMSOL offre la flessibilità di inserire equazioni arbitrarie nei campi di specificazione delle interfacce fisiche del Subsurface Flow Module. Queste possono essere utili per definire le velocità di reazione geochimica e la cinetica nelle interfacce per il trasporto di materiale. L'accoppiamento di queste interfacce fisiche con quelle contenute nel Chemical Reaction Engineering Module permette di modellare reazioni multi-specie attraverso interfacce fisiche intuitive che hanno lo scopo di definire le reazioni chimiche contenute in questo modulo. L'integrazione di questi due prodotti è molto utile per modellare i numerosi passaggi di reazione che descrivono le perdite dai depositi di scorie nucleari nell'arco di migliaia di anni.

Altre immagini:

  • Tipico array di elettrodi superficiali geoelettrici sulla superficie della terra. Viene mostrata la densità della sensibilità per la configurazione alfa Wenner, insieme al potenziale elettrico. Tipico array di elettrodi superficiali geoelettrici sulla superficie della terra. Viene mostrata la densità della sensibilità per la configurazione alfa Wenner, insieme al potenziale elettrico.
  • Compattazione 3D di un bacino petrolifero causata dal pompaggio, ottenuta accoppiando la legge di Darcy agli spostamenti prodotti dalla poroelasticità. Compattazione 3D di un bacino petrolifero causata dal pompaggio, ottenuta accoppiando la legge di Darcy agli spostamenti prodotti dalla poroelasticità.
  • Flusso in un blocco di mezzo poroso con una frattura, dove il flusso nella frattura è molto più veloce che nel resto del mezzo. L'approccio di modellazione utilizza contorni interni per modellare il flusso libero in 2D, mentre per il flusso in mezzi porosi in 3D è stata utilizzata la legge di Darcy. Flusso in un blocco di mezzo poroso con una frattura, dove il flusso nella frattura è molto più veloce che nel resto del mezzo. L'approccio di modellazione utilizza contorni interni per modellare il flusso libero in 2D, mentre per il flusso in mezzi porosi in 3D è stata utilizzata la legge di Darcy.
  • La geometria dei pori microscopici generata dalla scansione di immagini con microscopio elettronico, può essere importata in COMSOL per calcolare le distribuzioni di velocità e pressione. Modello per gentile concessione di Arturo Keller, University of California, Santa Barbara. La geometria dei pori microscopici generata dalla scansione di immagini con microscopio elettronico, può essere importata in COMSOL per calcolare le distribuzioni di velocità e pressione. Modello per gentile concessione di Arturo Keller, University of California, Santa Barbara.
  • L'acqua drena in un terreno relativamente asciutto e trasporta con sé una sostanza chimica. Mentre scorre nel mezzo insaturo, la sostanza chimica attacca le particelle solide, rallentando il trasporto del soluto rispetto all'acqua. Inoltre le concentrazioni chimiche decadono per biodegradazione sia nella fase liquida che in quella solida. Sono illustrati il carico piezometrico e la saturazione del mezzo. L'acqua drena in un terreno relativamente asciutto e trasporta con sé una sostanza chimica. Mentre scorre nel mezzo insaturo, la sostanza chimica attacca le particelle solide, rallentando il trasporto del soluto rispetto all'acqua. Inoltre le concentrazioni chimiche decadono per biodegradazione sia nella fase liquida che in quella solida. Sono illustrati il carico piezometrico e la saturazione del mezzo.
  • La degradazione di un pesticida in un terreno non saturo. Vengono mostrati la biodegradazione del pesticida e i prodotti intermedi della reazione nel tempo. La degradazione di un pesticida in un terreno non saturo. Vengono mostrati la biodegradazione del pesticida e i prodotti intermedi della reazione nel tempo.

Interfacce fisiche per simulare il flusso nel sottosuolo

Il Subsurface Flow Module offre diverse interfacce fisiche per la simulazione del flusso nel sottosuolo e dei processi da esso dipendenti:

Flusso in mezzi porosi

La funzionalità principale del Subsurface Flow Module riguarda la capacità di modellare il flusso in mezzi porosi saturi e insaturi. Le interfacce fisiche sono impostate sui valori di pressione e carico idraulico, termini comunemente utilizzati in ambito idrologico-idraulico. Nel flusso insaturo, le proprietà idrauliche cambiano allo scorrere del fluido attraverso il mezzo, mentre questo riempie alcuni pori e ne svuota altri. L'equazione di Richards consente di modellare questo tipo di flusso e le formulazioni di van Genuchten e di Brooks-Corey possono essere applicate per considerare la ritenzione nei pori. Sono forniti campi di modifica per il settaggio di densità, viscosità dinamica, frazione liquida satura e residua, conducibilità idraulica e modelli di accumulo.

Il flusso in mezzi porosi saturi può essere modellato attraverso la legge di Darcy o l'estensione di Brinkman alla legge di Darcy, a seconda delle dimensioni dei pori interessati. Se i pori sono tali da poter ignorare gli effetti viscosi nel flusso, si potrà utilizzare la legge di Darcy e il flusso sarà descritto esclusivamente dalla variabile di pressione. Se invece i pori sono grandi abbastanza da imporre modifiche alla quantità di moto nel fluido per gli effetti di taglio, si dovranno applicare le equazioni di Brinkman. La soluzione genera le stesse variabili delle equazioni di Navier-Stokes, con in più i termini che considerano la porosità del mezzo in cui scorre il fluido.

L'interfaccia Fracture Flow risolve anche la pressione sui contorni interni (2D) all'interno di una matrice 3D ed è accoppiata automaticamente alla fisica che descrive il flusso in mezzi porosi della matrice circostante. Questa approssimazione evita di dover generare la mesh delle fratture reali e riduce la domanda di risorse computazionali. Nei casi di un fluido che scorre da un mezzo a un altro (e viceversa) nello stesso modello, tutti i fenomeni fisici dei mezzi porosi sono accoppiati automaticamente alle descrizioni del flusso libero nel Subsurface Flow Module.

Flusso in canale libero

Anche l'ambiente sotterraneo presenta canali o serbatoi e per la loro modellazione è opportuno utilizzare le equazioni fluidodinamiche. Ciò vale anche per pozzi e giacimenti in applicazioni relative per esempio all'estrazione petrolifera. Il Subsurface Flow Module supporta due regimi di flusso libero: laminare e creeping flow. L'interfaccia Laminar Flow risolve le equazioni di Navier-Stokes mentre l'interfaccia Creeping Flow ne risolve una versione modificata, che trascura il termine inerziale. Denominato anche flusso di Stokes, il creeping flow è utile per flussi con numeri di Reynolds molto bassi.

Trasporto di materiale

Il trasporto di materiale può essere accoppiato al flusso nel sottosuolo e può aver luogo per convezione e diffusione. Proprietà come la diffusione possono essere descritte da equazioni dipendenti da variabili, come la concentrazione, oppure essere impostate come anisotrope.

L'interfaccia Solute Transport aggiunge funzionalità che considerano la dispersione e il ritardo dovuto all'adsorbimento come meccanismo di trasporto. La dispersione tiene conto del fatto che il trasporto di soluti si verifica spesso nella direzione del flusso e, per considerare questo fenomeno, è disponibile il tensore di dispersione. L'adsorbimento descrive il processo in cui le specie chimiche passano da una fase di adsorbimento a una di desorbimento a velocità diverse dalle particelle nei mezzi porosi. L'effetto sul trasporto di materiale è descritto mediante l'isoterma di Langmuir o di Freundlich, entrambe disponibili nell'interfaccia, oppure attraverso un'espressione definita dall'utente. L'adsorbimento contribuisce anche a rallentare il flusso per il fattore di ritardo. Per il flusso non saturo è anche disponibile un fattore di volatilizzazione, ossia la dispersione delle specie chimiche dalla fase soluta a quella gassosa immobile. È inoltre possibile specificare equazioni personalizzate per descrivere eventuali reazioni che avvengono durante il trasporto di materiale. L'interfaccia Solute Transport può essere accoppiata a qualsiasi interfaccia fisica appropriata contenuta nel CFD Module per modellare il flusso bifase e il soluto che trasporta.

Trasferimento termico

Il trasferimento termico ha luogo per conduzione, convezione e dispersione e deve prendere in considerazione le diverse conducibilità che si verificano tra le fasi solida e liquida. In molti casi, la fase solida può essere costituita da materiali differenti con diversa conducibilità e anche la fase liquida può contenere un certo numero di fluidi differenti. L'interfaccia Heat Transfer in Porous Media offre regole per calcolare le proprietà di uno scambio termico efficace ed espressioni per la dispersione di calore in virtù della natura del mezzo poroso, oltre a un termine per il riscaldamento geotermico di fondo. La dispersione è causata dal percorso tortuoso seguito dal liquido nel mezzo poroso, che non sarebbe descritto se si tenesse conto solo del termine convettivo medio.

Poroelasticità

La modellazione della compattazione e della subsidenza sono possibili attraverso un'interfaccia fisica molto potente per la poroelasticità. L'interfaccia Poroelasticità combina una formulazione transitoria della legge di Darcy alla meccanica dei solidi elastici lineari della matrice dei mezzi porosi. L'accoppiamento della poroelasticità significa che il flusso del fluido influisce sulla comprimibilità del mezzo poroso, mentre le variazioni delle tensioni volumetriche interesseranno a loro volta la quantità di moto, il materiale e il trasporto di calore. Questa interfaccia include un'espressione del tensore di sforzo come funzione del tensore di deformazione e del coefficiente di Biot-Willis.

Multiphysics Simulations Help Track Underground Fluid Movements

Pumping and Injecting from a Single Borehole

Variably Saturated Flow and Transport—Sorbing Solute

Phase Change

Pore-Scale Flow

Free Convection in a Porous Medium

Pesticide Transport and Reaction in Soil

Forchheimer Flow

Buoyancy Flow with Darcy's Law—The Elder Problem

Failure of a Multilateral Well

Biot Poroelasticity