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以FLOW-3D為核心的重力流三維模擬:流體的傳輸、沈積與侵蝕

 
作 者 : Ernst W.M. Hansen, Snorre Heimsund, Riccardo Basani,
Wojciech Nemec and James Brethour
單 位 : Complex Flow Design, Noreco, University of Bergen, Flow Science
來 源 : FLOW-3D 2008 世界使用者大會
簡 介 :

Complex Flow Design AS 為能源產業領域的專業顧問公司,提供數值模擬分析相關的咨詢服務。 Complex Flow Design AS 研發領先業界的方法與軟體工具進行兩項流、水力與沈積等專業真實數值模擬。 Complex Flow Design AS 是 FLOW-3D 原廠 Flow Science 的合作伙伴。

 

圖 1 .石油與天然氣的主要輸出國 挪威

 

內容:
重力流
FLOW-3D 為核心的 MassFlow 計畫
石油與天然氣的探勘與生產
Mass Flow-3D 水下沈積物的重力流動與沈澱
  Mass Flow-3D 為一 調整 FLOW-3D 的傳輸、沈積與侵蝕模式
濁流的模擬

•研究室實驗與數值模擬:

Baas et. al. 2004 ( 單一粒徑 )
Gladstone et. al. 1998 ( 兩種粒徑 )

•礦藏與峽谷地形系統 :

挪威中部 Ormen Lange
    加州離岸 Monterey 峽谷系統
結論

 

 

重力流 :通常是由於密度差造成重力驅動流體

天然的流動系統

 氣體擴散

 鹽水與清水流

 雪崩與山崩

 沈積物的傳輸:水利工程、氣象、衛生工程與地質學

圖 2 .本計畫的主要研究範圍 - 沈積物沈澱

 

Mass Flow-3D 為四年計畫,執行期間從 2004 到 2008 年, Complex Flow Design AS 為主要執行單位 。

圖 3 .本計畫包含 Flow Science 在內 的合作伙伴

 

Mass Flow-3D 計畫簡介: 利用先進的三維數值模式模擬水下質量流與沈積物的遷移過程,主要目的是調整針對不同特性的沈積物調整 FLOW-3D 傳輸、沈積與侵蝕的細部設定。

 驗證不同流體參數與海底地形的數值敏感度

 執行包含三維 礦藏 視覺化的時變數值模擬

 從地層地表的關連性與 礦藏 特性,驗證數值模型的正確性

圖 4 .沈積物的傳輸形式

 

沈積的過程可分為下列幾個階段:傳輸、沈澱、侵蝕、帶起與密固

 本計畫主要的重點 :

  水中的沈積重力流

  深海環境下的質量傳輸,包括滑動、陷落、土石流與濁流

 

 動機:石油與天然氣的 礦藏 估測不確定定非常高,其中主因之一為濁流沈積。

 

圖 5 .水下探勘與實際庫藏分佈的示意圖

 

本計畫的主要的挑戰在於深入瞭解石油與天然氣 礦藏

 可靠的現地深水沈積系統模擬對現有技術而言還是極具挑戰性。

 藉由礦藏的露頭來推斷完整的庫藏分佈通常充滿了假設性、不確定性且無從考證。

 研究室的實驗數據由於尺度的關係和現實狀況有極大差異。

 一般的數值模擬建立在機率模式上,這樣的模擬往往受到實際應用的限制與充滿可觀的風險。

圖 6 .海中濁流傳輸移動

 

圖 7 .不同的動力水頭:A Kelvin-Helmholtz billows; B Frontal lobes and clefts

 

圖 8 .濁流傳輸的基本分類

 

圖 9 . 濁流結構示意圖

 

圖 10 . Mass Flow-3D 於水下質量流的模式概念

 

圖 11. Mass Flow-3D 在不同區域的模擬狀態

 

 

結論

這個計畫說明 FLOW-3D 在模擬濁流流力行為的適用性,提供了研究室實驗以外的另一種深具潛力的可能性。

從數值與實驗的數據比較證明 FLOW-3D 計算流體力學模式可以此類問題一個模擬結果。

 

  利用 FLOW-3D 此類計算流體軟體有下述 幾個優點:

  可以同時連續準確的計算許多相關的流體物理量

  可以針對相同的起始條件進行不同的參數修正數值實驗

  可以將觀測濁流的放大到天然的物理尺度,進行真實尺度條件下的數值模擬。

  可以提供完整的細部濁流水動力分析

 

先前相關計畫一:濁流的 計算流體力學數值模擬

作者: Snorre Heimsund, MSc student, University of Bergen, Norway

 

先前相關計畫二:實驗相關數據

作者: Baas J.H., van Kesteren W. And Postma G.

出處: Deposits of depletivehigh-density turbidity currents: a flume analogue of bed geometry, structure and texture, Sedimentology 51, 2004

圖 p2-1 :實驗設置

 

圖 2-2 :實驗參數設定

 

圖 2-3 :實驗與模擬出流速度比較

 

圖 2-4 :速度分佈隨時間變化

 

圖 2-5 : 密度分佈隨時間變化

 

先前相關計畫三:實驗相關數據

作者: Gladstone C., Phillips J.C., and Sparks R.S.J.

出處: Experiments on bidisperse, constant-volume gravity currents: propagation and sediment deposition, Sedimentology, 45, 1998.

圖 p3-1 :實驗設置與參數設定

 

圖 p3-2 :水槽實驗與數值模擬沈積密度比較

 

先前相關計畫四 : 應用 FLOW-3D 於 挪威中部 Ormen Lange 礦區 之 數值模擬

作者: Snorre Heimsund (Complex Flow Design AS)

Claudia Guargena (A/S Norske Shell)

Nicola M匜ler (Norsk Hydro ASA)

出處: 17th International Sedimentological Congress 2006

圖 p4-1 :模擬區域範圍& FLOW-3D 流動與沈積模擬

 

先前相關計畫五 : 加州離岸 Monterey 峽谷系統之濁流數值模擬

作者: Snorre Heimsund (Complex Flow Design) 、Jingping Xu ( U.S. Geological Survey) 、Wojciech Nemec ( University of Bergen )

出處: AGU Fall Meeting 2007

圖 p5-1 :模擬區域範圍&FLOW-3D 流動模擬