Modelo reducido para propiedades de medios porosos multiescala con geometría cambiante
Autores: Peszynska, Malgorzata; Umhoefer, Joseph; Shin, Choah
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Modelo reducido para propiedades de medios porosos multiescala con geometría cambiante
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería de Sistemas
Palabras clave
Modelado
Medios porosos
Obstrucciones
Permeabilidad
Distribución de probabilidad
Simulaciones
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 28
Citaciones: Sin citaciones
En este documento, consideramos un problema importante para modelar fenómenos complejos acoplados en medios porosos a múltiples escalas. En particular, consideramos el flujo y transporte en el espacio vacío entre los poros cuando el espacio poroso es alterado por nuevas obstrucciones sólidas formadas por crecimiento microbiano o transporte reactivo, y estamos principalmente interesados en obstrucciones de tipo recubrimiento de poros y llenado de poros, observadas en aplicaciones a biofilm en medios porosos y formación de cristales de hidrato, respectivamente. Consideramos el impacto de estas obstrucciones en las propiedades macroscópicas del medio poroso, como la porosidad, permeabilidad y tortuosidad, para lo cual construimos una distribución de probabilidad experimental con modelos reducidos, que implica tres pasos: (1) generación de realizaciones independientes de obstrucciones, seguido por, (2) simulaciones de flujo y transporte a escala de poro, y (3) escalado. Para el primer paso, consideramos tres enfoques: (1A) simulaciones numéricas directas (DNS) del modelo de EDP del proceso físico real llamado BN que forma las obstrucciones, y dos métodos no-DNS, que llamamos (1B) CLPS y (1C) LP. LP es un modelo de tipo Ising en una red, y CLPS es una versión restringida de un modelo de Allen-Cahn para separación de fases con un término de localización. Tanto LP como CLPS son aproximaciones de modelo de BN, y buscan mínimos locales de alguna funcional de energía no convexa, que proporcionan realizaciones plausibles de la geometría obstruida y se ajustan heurísticamente para entregar obstrucciones de recubrimiento o llenado de poros. Nuestros métodos trabajan con geometrías de roca-espacio vacío obtenidas por imágenes, pero evitan la necesidad de imágenes en tiempo real, son bastante económicos y se pueden adaptar a otras aplicaciones. Los modelos reducidos LP y CLPS son menos costosos computacionalmente que DNS, y se pueden ajustar a la fidelidad deseada de las distribuciones de probabilidad de cantidades escaladas.
Descripción
En este documento, consideramos un problema importante para modelar fenómenos complejos acoplados en medios porosos a múltiples escalas. En particular, consideramos el flujo y transporte en el espacio vacío entre los poros cuando el espacio poroso es alterado por nuevas obstrucciones sólidas formadas por crecimiento microbiano o transporte reactivo, y estamos principalmente interesados en obstrucciones de tipo recubrimiento de poros y llenado de poros, observadas en aplicaciones a biofilm en medios porosos y formación de cristales de hidrato, respectivamente. Consideramos el impacto de estas obstrucciones en las propiedades macroscópicas del medio poroso, como la porosidad, permeabilidad y tortuosidad, para lo cual construimos una distribución de probabilidad experimental con modelos reducidos, que implica tres pasos: (1) generación de realizaciones independientes de obstrucciones, seguido por, (2) simulaciones de flujo y transporte a escala de poro, y (3) escalado. Para el primer paso, consideramos tres enfoques: (1A) simulaciones numéricas directas (DNS) del modelo de EDP del proceso físico real llamado BN que forma las obstrucciones, y dos métodos no-DNS, que llamamos (1B) CLPS y (1C) LP. LP es un modelo de tipo Ising en una red, y CLPS es una versión restringida de un modelo de Allen-Cahn para separación de fases con un término de localización. Tanto LP como CLPS son aproximaciones de modelo de BN, y buscan mínimos locales de alguna funcional de energía no convexa, que proporcionan realizaciones plausibles de la geometría obstruida y se ajustan heurísticamente para entregar obstrucciones de recubrimiento o llenado de poros. Nuestros métodos trabajan con geometrías de roca-espacio vacío obtenidas por imágenes, pero evitan la necesidad de imágenes en tiempo real, son bastante económicos y se pueden adaptar a otras aplicaciones. Los modelos reducidos LP y CLPS son menos costosos computacionalmente que DNS, y se pueden ajustar a la fidelidad deseada de las distribuciones de probabilidad de cantidades escaladas.