Produto:Subsurface Flow Module
Produto:Subsurface Flow Module
Analyze Geophysical Phenomena Involving Fluid Flow with the Subsurface Flow Module

Hoje, depósitos de rejeitos nucleares estão sendo construídos para armazenar barras de combustível usadas pelos próximos cem mil anos, aproximadamente. Esse modelo ilustra um caso hipotético onde uma fresta no recipiente de coleta de combustível leva ao vazamento através de uma fratura na rocha circundante e aterro do túnel acima.
Escoamento Subsuperficial em Meios Porosos Saturados e com Saturação Variável
O Subsurface Flow Module é para engenheiros e cientistas que desejam simular o escoamento subterrâneo ou em outros meios porosos e também conectar esse escoamento a outros fenômenos, como poroelasticidade, transferência de calor, química e campos eletromagnéticos. Pode ser usado para modelar o escoamento em lençóis freáticos, a difusão de rejeitos e poluição através do solo, o escoamento de óleo e gás para poços e o adensamento do solo devido à extração de água de lençóis freáticos. O Subsurface Flow Module pode modelar o escoamento subsuperficial em canais, meios saturados e com saturação variável ou fraturas e acoplá-lo a simulações de transporte de solutos e calor, reações geoquímicas e poroelasticidade. Várias indústrias precisam lidar com desafios envolvendo geofísica e hidrologia. Engenheiros das áreas civil, mineração, petrolífera, agrícola, química, nuclear e ambiental frequentemente precisam levar em conta esses fenômenos uma vez que as indústrias em que trabalham afetam direta ou indiretamente (sob a perspectiva ambientaal) a Terra onde vivemos.
O Escoamento Subsuperficial Afeta Muitas Propriedades Geofísicas
O Subsurface Flow Module contém várias interfaces feitas sob medida que descrevem certas físicas para a modelagem de escoamentos e outros fenômenos em ambientes subterrâneos. Conhecidas como interfaces físicas, elas podem ser combinadas e acopladas diretamente a outras interfaces físicas dentro do Subsurface Flow Module ou com interfaces físicas dentro de qualquer um dos outros módulos na Linha de Produtos COMSOL. Isso inclui o acoplamento do comportamento poroelástico descrito pelo Subsurface Flow Module a aplicações de mecânica de sólidos não lineares para solos e rochas no Geomechanics Module.
Incorpore as Taxas de Reação Geoquímica e a Cinética
O COMSOL oferece a você a flexibilidade para inserir qualquer equação arbitrária nos campos de edição nas interfaces físicas do Subsurface Flow Module, o que pode ser útil para definir taxas de reação e cinéticas geoquímicas nas interfaces para transporte de materiais. Ainda, acoplando essas interfaces físicas ao Chemical Reaction Engineering Module é possível modelar muitas reações multiespécie, através de interfaces físicas fáceis de usar, para definir reações químicas que esse módulo contém. A integração desses dois produtos é bastante útil para modelar as muitas etapas das reações envolvidas na difusão de rejeitos nucleares a partir de seus depósitos por milhares de anos.
Imagens adicionais:
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Típica matriz geoelétrica de eletrodos de superfície sobre a superfície do chão. A densidade da sensibilidade para a configuração Wenner-alfa é ilustrada, junto com o potencial elétrico.
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Compactação em 3D de um reservatório de petróleo provocada por bombeamento, acoplando a lei de Darcy aos deslocamentos provocados pela poroelasticidade.
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Escoamento em um bloco de meio poroso com uma fratura, onde o escoamento na fratura é muito mais rápido do que no restante dos meios porosos. A abordagem de modelagem usa contornos internos para modelar o escoamento livre em 2D, ao mesmo tempo que modela o escoamento em meios porosos em 3D usando a lei de Darcy.
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Produzida por imagens de microscópico eletrônico de varredura, a geometria de poros microscópicos pode ser importada para o COMSOL, onde as distribuições de velocidade e pressão são então calculadas. Modelo cedido por: Arturo Keller, University of California, Santa Barbara, USA.
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A água sobre o chão ingressa em uma coluna de solo relativamente seco e carrega um produto químico. À medida que a água se movimenta através do meio com saturação variável, a substância química se adere a partículas sólidas, desacelerando o transporte do soluto em relação à água. Além disso, as concentrações químicas diminuem devido à biodegradação nas fases líquida e sólida. São ilustrados os contornos de saturação e pressão.
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Degradação de um pesticida em um solo não saturado. É ilustrada a biodegradação do pesticida e dos produtos intermediários ao longo do tempo.
Interfaces Físicas para Simular o Escoamento Subsuperficial
O Subsurface Flow Module inclui várias interfaces físicas para a simulação do escoamento subsuperficial e de processos que dependem dele:
Fluxo em Meios Porosos
A funcionalidade principal do Subsurface Flow Module é sua capacidade de modelar escoamentos em meios porosos de saturação variável e totalmente saturados. As interfaces físicas são configuradas usando termos como pressão e altura de coluna de líquido, que são familiares ao engenheiro que modela a hidrologia. Em escoamento com saturação variável, as propriedades hidráulicas mudam à medida que os fluidos atravessam o meio, preenchendo alguns poros e drenando outros. A equação de Richards é empregada para modelar esse tipo de escoamento, e as formulações de van Genuchten e Brooks-Corey podem ser aplicadas para se levar em conta a retenção nos poros. Há campos de edição para a densidade, viscosidade dinâmica, fração líquida saturada e residual, condutividades hidráulicas e modelos de armazenamento.
O escoamento em meios porosos saturados pode ser modelado através da lei de Darcy ou da extensão de Brinkman à lei de Darcy, dependendo do tamanho dos poros envolvidos. Se o poro é tal que efeitos viscosos ao escoamento possam ser ignorados, então, a lei de Darcy pode ser usada e o escoamento é descrito exclusivamente pela variável de pressão. Se o tamanho dos poros for grande o bastante para que o fluido possa impor mudanças de momento através de efeitos de cisalhamento, então as equações de Brinkman devem ser aplicadas. Elas resolvem as mesmas variáveis que as equações de Navier-Stokes, mas incluem termos que levam em conta a porosidade dos meios através dos quais o fluido escoa.
A interface Fracture Flow também resolve a pressão em contornos internos (2D) dentro de uma matriz em 3D e é acoplada automaticamente às físicas que descrevem o escoamento em meios porosos na matriz circundante. Essa aproximação evita a necessidade da criação de malhas das fraturas reais e economiza os recursos computacionais que isso exigiria. Se um fluido por acaso escoar de um meio para o outro (e de volta) no mesmo modelo, todas as físicas de meios porosos são acopladas automaticamente às descrições de escoamento livre contidas no Subsurface Flow Module.
Fluxo em Canais Livres
Canais ou grandes poros conectados também são encontrados no subsolo e são melhor modelados usando as equações para escoamento. Isso também inclui poços e seus semelhantes em aplicações como extração de óleo. O Subsurface Flow Module suporta dois tipos de escoamento em canal livre: escoamento laminar e escoamento tipo creeping. A interface Laminar Flow resolve as equações de Navier-Stokes, ao passo que a interface Creeping Flow resolve uma versão modificada destas, negligenciando o termo inercial. Também conhecido como escoamento de Stokes, o escoamento tipo creeping é útil para escoamentos com números de Reynolds muito baixos.
Transporte de Material
O transporte de materiais pode ser acoplado ao escoamento subsuperficial e pode ocorrer por meio de convecção e difusão. Fenômenos, como a difusão, podem ser descritos por equações dependentes de variáveis como a concentração, ou serem descritas como anisotrópicas.
A interface Solute Transport adiciona dispersão e retardamento devido à sorção como um mecanismo de transporte. A dispersão considera o fato de que o transporte de solutos geralmente ocorre na direção do escoamento, e o tensor de dispersão é disponibilizado para levar isso em conta. A sorção descreve o processo quando espécies químicas absorvem e, então, dessorvem das partículas nos meios porosos a diferentes taxas. Seu efeito sobre a transferência de material é descrita usando isotermas de Langmuir ou de Freundlich, as quais são disponibilizadas na interface ou através do uso de uma expressão personalizada. A sorção também contribui para retardar o escoamento através do fator de retardamento. Um fator para volatilização, ou a dispersão de espécies químicas a partir do soluto para a fase gasosa imóvel, também é disponibilizado para o escoamento não saturado. Também pode-se inserir suas próprias equações para descrever quaisquer reações que ocorram durante o transporte de material. A interface Solute Transport pode ser acoplada a qualquer interface física apropriada do CFD Module para modelar escoamentos bifásicos e os solutos que eles transportam.
Transferência de Calor
A transmissão de calor ocorre através da condução, convecção e dispersão e deve levar em conta as diferentes condutividades que ocorrem entre as fases sólida e fluida. Em muitos casos, a fase sólida pode ser composta por materiais diferentes com diferentes condutividades e também pode haver uma série de diferentes fluidos. Regras de mistura são disponibilizadas para calcular as efetivas propriedades de transferência de calor na interface Heat Transfer in Porous Media. Essa também contém expressões para dispersão térmica devido à natureza dos meios porosos, bem como um termo para o aquecimento geotérmico ambiente. A dispersão é causada pelo caminho tortuoso do líquido no meio poroso, que não poderia ser descrito se somente o termo convectivo médio fosse levado em conta.
Poroelasticidade
Modelagens de compactação e subsidência são possíveis graças a uma interface física bastante poderosa para a poroelasticidade. A interface Poroelasticity combina uma formulação transiente da lei de Darcy a uma mecânica dos sólidos linear elástica da matriz de meios porosos. O acoplamento da poroelasticidade significa que o escoamento afeta a compressibilidade do meio poroso, ao passo que mudanças em deformações volumétricas, por sua vez, afetarão o transporte de momento, material e calor. Essa interface inclui uma expressão do tensor de tensões, em função do tensor de deformações e do coeficiente de Biot-Willis.
Subsurface Flow Module
Recursos do Produto
- Escoamento em meio poroso com saturação variável pelo uso das equações de Richards
- Taxa de retenção em meio com saturação variável através das formulações de van Genucjten, Books e Corey
- Escoamento em meio poroso saturado através da Lei de Darcy e equações de Brinkman
- Escoamento em canal livre através das equações Navier-Stokes e formulações de Escoamento de Stokes
- Transporte material por de difusão e convecção
- Transporte de soluto por convecção, difusão e dispersão, considerando sorção e fatores de retardo
- Termos para cinéticas das reações geoquímicas
- Transferência de calor em sólidos e líquidos por condução e convecção
- Transferência de calor através de meio poroso considerando diferentes condutividades entre fases, modelos de mistura para condutividades com as fases, convecção e difusão térmica
- Termo para tratamento de aquecimento geotérmico
- Comparação poroelástica e análise de subsidência
Áreas de Aplicação
- Análise de estuário e zona ripário - fluxo, advecção e difusão
- Armazenamento de gás, remediação e sequestro
- Desaguamento mecânico e gravitacional de materiais porosos e fibrosos
- Engenharia de petróleo
- Análise de poluentes em sub-superfície e escoamentos em terrenos superficiais
- Escoamentos de água de pouca profundidade e transporte de sedimento
- Análise de lençol freático e intrusão salina nas águas subterrâneas
- Análise Well head
- Escoamento de águas subterrâneas
Biot Poroelasticity
The Poroelasticity interface couples Darcy's law and solid mechanics to assess deformation of porous media that results from fluid withdrawals. The model builds on top of the Terzaghi Compaction example. Results from Terzaghi compaction and Biot poroelasticity analyses are compared to each other and are a good match to published analyses.
Buoyancy Flow with Darcy's Law — The Elder Problem
Density variations can initiate flow even in a still fluid. In earth systems, density variations can arise from naturally occurring salts, subsurface temperature changes, or migrating pollution. This buoyant or density-driven flow factors into fluid movement in salt-lake systems, saline-disposal basins, dense contaminant and leachate plumes, and ...
Perforated Well
The ability to describe how fluids funnel into tiny perforations oriented about a wellbore is the subject of a rapidly growing number of analyses. In that the perforations are isolated piercings as opposed to rings, the flow field is not suited for axisymmetric analyses — fully 3D simulations are required. This application allows you to ...
Failure of a Multilateral Well
Multilateral wells—those with multiple legs that branch off from a single well—can produce oil efficiently because the legs can tap multiple productive zones and navigate around impermeable ones. Unfortunately, drilling engineers must often mechanically stabilize multilateral wells with a liner or casing, which can cost millions of dollars. ...
Pore-Scale Flow
This non-conventional model of porous media flow utilizes creeping (Stokes) flow in the interstices of a porous media. The model comes from the pore-scale flow experiments conducted by Arturo Keller, Maria Auset, and Sanya Sirivithayapakorn of the University of California, Santa Barbara. The geometry used in the model was produced by scanning ...
Pesticide Transport and Reaction in Soil
Aldicarb is a commercial pesticide, used on a variety of crops, including cotton, fruits, potatoes, and beans. This arises in the possibility that the general population may be exposed to aldicarb through the ingestion of contaminated water and foods. This example looks at the degradation kinetics of aldicarb and its toxic by-products, ...
Variably Saturated Flow and Transport — Sorbing Solute
In this example water ponded in a ring on the ground moves into a relatively dry soil column and carries a chemical with it. As it moves through the variably saturated soil column, the chemical attaches to solid particles, slowing the solute transport relative to the water. Additionally the chemical concentrations decay from biodegradation in ...
Phase Change
This example demonstrates how to model a phase change and predict its impact on a heat transfer analysis. When a material changes phase, for instance from solid to liquid, energy is added to the solid. Instead of creating a temperature rise, the energy alters the material’s molecular structure. Equations for the latent heat of phase changes ...
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