數值模擬(數值模擬技術)

數值模擬

數值模擬技術一般指本詞條

數值模擬也叫計算機模擬。依靠電子計算機,結合有限元或有限容積的概念,通過數值計算和圖像顯示的方法,達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。數值模擬技術誕生於1953年Bruce G.H和PeacemanD.W模擬了一維氣相不穩定徑向和線形流。受當時計算機能力及解法限制,數值模擬技術只是初步套用於解一維一相問題。兩相流動模擬誕生於1954年,West W J和Garvin W.W模擬了油藏不穩定兩相流。

基本介紹

  • 中文名:數值模擬
  • 外文名:numerical simulation
  • 別稱計算機模擬
  • 對象工程問題和物理問題
  • 提出時間:1953年
  • 提出者:Bruce G.H和PeacemanD.W
發展史,特性,包含步驟,

發展史

1955年Peaceman與Rachford研發的交替隱式解法(ADI)是數值模擬技術的重大突破。該解法非常穩定,而且速度快,所以迅速在包括石油,核物理,熱傳導等領域得到廣泛套用。1958年Douglas,Jim和Blair,P.M第一次進行了考慮毛管壓力效果的水驅模擬。1959年,Douglas Jim和Peaceman D.W第一次進行了兩維兩相模擬,這標誌著現代數值模擬技術的開始。在他們的模擬器里全面考慮了相對滲透率,粘度,密度,重力及毛管壓力的影響。
60年代數值模擬技術的發展主要在數值解法,第一個有效的數值模擬解法器是1968年Stone推出的SIP(Strong Implicit Procedure)。該解法可以很好地用來模擬非均質油藏和形狀不規則油藏。另一個突破是時間隱式法,該方法可以用來有效的解高流速問題,比如錐進問題。60年代其他方面的發展還有1967年Coats K.H和Nielsen R.L首次進行了三維兩相模擬,而且提出了垂直平衡和擬相對滲透率毛管壓力方法。1968年Breitenbach E.A發表了三維三相模擬解法。
Stone在70年代發表了三相相對滲透率模型,由油水和油氣兩相相對滲透率計算油、氣、水三相流動時的相對滲透率,該技術現在還廣為套用。70年代另一項主要成就是Peaceman提出的從格線壓力來確定井底流壓的校正方法,及現在通用的Peaceman方程。在解法方面的發展是採用了正交加速的近似分解法。70年代在組分和熱采模擬方面也取得很大進展,1973年Nolen J.S描述了考慮油氣中間組分分布的組分模擬,Cook提出變黑油模擬來進行組分模擬。Shutler在1970年發表了對兩維三相模型的蒸氣注入模擬。70年代在EOR方面也取得了極大進展。
80年代最大的成就是Appleyyard J R和Cheshire I.M發表了嵌套因式分解法,該解法非常穩定而且速度快,是目前最為廣泛套用的解法。正是基於該解法,Cheshire I.M於1981年同John Appleyard和Jon Holmes成立ECL公司,開始研發後來主導數值模擬軟體市場的ECLIPSE軟體。80年代見證的另一個主要發展是組分模型,雖然組分模型在60年代就已經推出,但很不穩定。80年代提出的體積平衡和Yong-Stephenson方程解決了組分模型穩定問題,使組分模型可以廣為套用。Ponting D.K提出了角點格線模擬模型,這樣可以真實地描述油藏。
90年代數值模擬的進展主要在粗化技術,並行計算,PEBI格線等方面。Zoltan E.Heinemann提出了PEBI格線,PEBI格線結合了正交格線和角點格線的優點,現在正逐漸成為主流數值模擬格線體系。VIP於1994年推出並行算法,ECLIPSE於1996年推出並行算法。CMG於2001年推出並行算法。粗化技術的難點在於滲透率的粗化,基於流動計算進行的滲透率粗化可以較真實的符合地質模型,現在新的粗化技術還在發展。
21世紀數值模擬技術發展體現在兩方面,一方面是一體化模擬技術,數值模擬將不只是對油藏的模擬,數值模擬將對油藏,井筒,地面設備,管網以及油氣處理廠進行一體化模擬,從而最最佳化管理油田。另一方面是定量進行屬性不確定性分析,定量分析屬性不確定性對計算結果的影響。

特性

在計算機上實現一個特定的計算,非常類似於履行一個物理實驗。這時分析人員已跳出了數學方程的圈子來對待物理現象的發生,就像做一次物理實驗。
數值模擬實際上應該理解為用計算機來做實驗。比如某一特定機翼的繞流,通過計算並將其計算結果在螢光屏上顯示,可以看到流場的各種細節:如激波是否存在,它的位置、強度、流動的分離、表面的壓力分布、受力大小及其隨時間的變化等。通過上述方法,人們可以清楚地看到激波的運動、渦的生成與傳播。總之數值模擬可以形象地再現流動情景,與做實驗沒有什麼區別。

包含步驟

從上面的例子可以看到,數值模擬包含以下幾個步驟:
首先要建立反映問題(工程問題、物理問題等)本質的數學模型。具體說就是要建立反映問題各量之間的微分方程及相應的定解條件。這是數值模擬的出發點。沒有正確完善的數學模型,數值模擬就無從談起。牛頓型流體流動的數學模型就是著名的納維—斯托克斯方程(簡稱方程)及其相應的定解條件。
數值模擬和數值學術交流會數值模擬和數值學術交流會
數學模型建立之後,需要解決的問題是尋求高效率、高準確度的計算方法。由於人們的努力,目前已發展了許多數值計算方法。計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法,還包括貼體坐標的建立,邊界條件的處理等。這些過去被人們忽略或迴避的問題,現在受到越來越多的重視和研究。
在確定了計算方法和坐標系後,就可以開始編製程序和進行計算。實踐表明這一部分工作是整個工作的主體,占絕大部分時間。由於求解的問題比較複雜,比如方程就是一個非線性的十分複雜的方程,它的數值求解方法在理論上不夠完善,所以需要通過實驗來加以驗證。正是在這個意義上講,數值模擬又叫數值試驗。應該指出這部分工作決不是輕而易舉的。
在計算工作完成後,大量數據只能通過圖像形象地顯示出來。因此數值的圖像顯示也是一項十分重要的工作。目前人們已能把圖作得像相片一樣逼真。利用錄像機或電影放映機可以顯示動態過程,模擬的水平越來越高,越來越逼真。
套用
湍流是自然界當中普遍存在的一種非常複雜的流動現象,但人們對湍流機理的認識及其數值模擬方法至今仍處於探索階段。包括已故諾貝爾獎獲得者Feynman在內的好幾位物理學家認為,湍流是經典物理學中尚未得到解決的最後一個大難題。人們用現代的理論和方法系統地研究湍流現象始於19世紀末,O.Reynolds提出統計平均方法是湍流研究的起點。一個多世紀以來,儘管在湍流本質認識和實際套用方面,湍流研究都取得了很大的進步,但是隨著計算流體力學及計算空氣動力學方法的不斷完善,計算機性能的不斷提高,湍流的數值模擬方法已成為阻礙人們套用N- S方程進行水流運動特性分析、管道螺旋流水力輸送研究、飛機設計等的瓶頸之一。對湍流基礎研究的進展,可以直接促進許多實際工程及科學套用的進步。目前,湍流數值模擬的方法有:直接數值模擬(Direct Numerical Simulation,DNS)、雷諾平均模擬(Reynolds Averaged Navier- Stokes,RANS)和大渦數值模擬(Large Eddy Simulation,LES)。

相關詞條

熱門詞條

聯絡我們