Subsurface Flow Module

Analyse des Phénomènes Géophysiques Basés sur des Ecoulements Souterrains

Subsurface Flow Module

Des dépôts de déchets radioactifs sont désormais construits pour stocker, pendant les cent mille prochaines années, les barres de combustibles usagées. Ce modèle représente le cas hypothétique suivant : une brèche dans le réservoir à grappes de combustible entraîne une fuite par rupture de la roche avoisinante et du remblai du tunnel situé au-dessus.

Ecoulement Souterrain dans des Milieux Saturés et à Saturation Variable

Le Subsurface Flow Module s'adresse aux ingénieurs et aux chercheurs souhaitant simuler des écoulements dans les sols ou dans d'autres milieux poreux saturés et à saturation variable, ou des fissures. Ce module leur permet de coupler ces écoulements avec d'autres phénomènes, tels que la poroélasticité, le transfert de chaleur, le transport réactionnel et la présence de champs électromagnétiques. Il peut servir à simuler un écoulement souterrain, la dissémination des déchets et des polluants dans le sol, l'écoulement de pétrole et de gaz dans les puits et les glissements de terrain dus à l'exploitation des nappes phréatiques. Ces simulations sont utiles à de nombreuses industries, qui doivent faire face à des problématiques d'ordre géophysique et hydrologique.

Un Ecoulement Souterrain Affecte de Nombreuses Propriétés Géophysiques

Le Subsurface Flow Module propose plusieurs interfaces sur mesure pour décrire certaines physiques entrant dans la modélisation d'écoulements et d'autres phénomènes liés aux environnements souterrains. Il est possible d'associer ces interfaces physiques et de les coupler directement à d'autres interfaces physiques du Subsurface Flow Module ou à des interfaces physiques d'autres modules appartenant à la suite de produits COMSOL. Un exemple est celui du couplage du comportement poroélastique décrit par le Subsurface Flow Module avec des applications de mécanique des solides pour les sols et les formations rocheuses du Geomechanics Module.

Intégrer les Taux de Réactions et les Cinétiques Géochimiques

COMSOL vous permet de saisir des équations arbitraires dans les champs d'édition des interfaces physiques du Subsurface Flow Module, ce qui s'avére utile pour définir des taux de réactions géochimiques dans les interfaces de transport de matériaux. Le couplage de ces interfaces physiques avec le Chemical Reaction Engineering Module implique que vous pouvez modéliser de nombreuses réactions de plusieurs espèces dans des interfaces conviviales pour définir les réactions chimiques. L'intégration de ces deux modules est très utile pour par exemple simuler les nombreuses phases de réaction liées à la dissémination de déchets radioactifs depuis leur dépôt de stockage pendant des milliers d'années.


Images Supplémentaires

  • Porte-électrodes pour surface géoélectrique standard installé à la surface du sol. La densité de la sensibilité pour la configuration Wenner-alpha est représentée, ainsi que le potentiel électrique. Porte-électrodes pour surface géoélectrique standard installé à la surface du sol. La densité de la sensibilité pour la configuration Wenner-alpha est représentée, ainsi que le potentiel électrique.
  • Compactage 3D d'un réservoir de pétrole du fiat du pompage et couplage de la loi de Darcy aux déplacements induits par la poroélasticité. Compactage 3D d'un réservoir de pétrole du fiat du pompage et couplage de la loi de Darcy aux déplacements induits par la poroélasticité.
  • Ecoulement en milieu poreux en présence d'une fissure, où l'écoulement est beaucoup plus rapide que dans le reste du milieu poreux. L'approche de modélisation utilise des conditions limites internes pour la modélisation de l'écoulement libre en 2D alors que la modélisation du milieu poreux en 3D repose sur la loi de Darcy. Ecoulement en milieu poreux en présence d'une fissure, où l'écoulement est beaucoup plus rapide que dans le reste du milieu poreux. L'approche de modélisation utilise des conditions limites internes pour la modélisation de l'écoulement libre en 2D alors que la modélisation du milieu poreux en 3D repose sur la loi de Darcy.
  • Produite par des images de microscope électronique à balayage, la géométrie des pores à l'échelle microscopique peut être importée dans COMSOL où les distributions de vitesse et de pression sont ensuite calculées. Modèle gracieusement offert par : Arturo Keller, université de Californie, Santa Barbara. Produite par des images de microscope électronique à balayage, la géométrie des pores à l'échelle microscopique peut être importée dans COMSOL où les distributions de vitesse et de pression sont ensuite calculées. Modèle gracieusement offert par : Arturo Keller, université de Californie, Santa Barbara.
  • L'eau sur le sol se déplace dans une colonne de sol relativement sèche et transporte avec elle des substances chimiques. A mesure que l'eau se déplace à travers des milieux à saturation variable, les substances chimiques s'adsorbent sur des particules solides, ce qui ralentit le transport du soluté par rapport à l'eau. En outre, les concentrations chimiques diminuent en raison de la biodégradation dans les phases liquide et solide. Les contours de saturation et de charge de pression sont représentés. L'eau sur le sol se déplace dans une colonne de sol relativement sèche et transporte avec elle des substances chimiques. A mesure que l'eau se déplace à travers des milieux à saturation variable, les substances chimiques s'adsorbent sur des particules solides, ce qui ralentit le transport du soluté par rapport à l'eau. En outre, les concentrations chimiques diminuent en raison de la biodégradation dans les phases liquide et solide. Les contours de saturation et de charge de pression sont représentés.
  • La dégradation d'un pesticide dans un sol insaturé. La biodégradation du pesticide et des produits intermédiaires au fil du temps est représentée. La dégradation d'un pesticide dans un sol insaturé. La biodégradation du pesticide et des produits intermédiaires au fil du temps est représentée.

Interfaces Physiques pour la Simulation d'Ecoulements Souterrains

Le Subsurface Flow Module propose plusieurs interfaces physiques pour la simulation d'écoulements souterrains et des processus associés :

Ecoulement en Milieu Poreux

La principale fonctionnalité du Subsurface Flow Module réside dans la possibilité de modéliser un écoulement dans des milieux poreux à saturation variable et entièrement saturés. Les interfaces physiques sont configurées à l'aide de variables comme la charge hydraulique et la charge de pression, que les spécialistes de la modélisation hydrologique utilisent couramment. Dans un écoulement à saturation variable, les propriétés hydrauliques changent à mesure que les fluides s'écoulent à travers le milieu, remplissent certains pores et en vident d'autres. L'équation de Richards permet de modéliser ce type d'écoulement et les formulations de Van Genuchten, Brooks et Corey peuvent être appliqués pour prendre en compte la rétention dans les pores. Des champs sont disponibles dans les interfaces pour modifier la densité, la viscosité dynamique, la fraction liquide saturée et résiduelle, les conductivités hydrauliques et les modèles de stockage.

Vous pouvez modéliser l'écoulement en milieu poreux saturé grâce à la loi de Darcy ou à l'extension de la loi de Darcy énoncée par Brinkman, selon la taille des pores en question. Si le pore est tel que les effets visqueux sur l'écoulement sont négligeables, vous pouvez appliquer la loi de Darcy, l'écoulement étant exclusivement caractérisé par la variable de pression. Si la taille des pores est suffisamment grande pour que le fluide impose des changements de quantité de mouvement grâce à des effets de cisaillement, vous pouvez appliquer les équations de Brinkman. Elles résolvent les mêmes variables que les équations de Navier-Stokes, mais intègrent des facteurs de porosité du milieu que le fluide traverse.

L'interface Ecoulement en Fracture permet également de simuler la pression sur des surfaces internes (2D) dans une matrice 3D et est automatiquement couplée à la physique caractérisant l'écoulement en milieu poreux dans la matrice 3D environnante. Cette approximation vous évite d'avoir à mailler les fractures réelles à toute petite échelle et d'utiliser les ressources numériques correspondantes. Si un liquide s'écoule d'un milieu libre à un milieu poreux dans le même modèle, toutes les caractéristiques physiques du milieu libre sont automatiquement couplées aux descriptions de l'écoulement en milieu poreux dans le Subsurface Flow Module.

Ecoulement en Canal Libre

Le sous-sol contient également des canaux ou des pores de grande taille. Ceux-ci sont modélisés de façon plus efficace à l'aide des équations prévues pour les écoulements à l'échelle macroscopique. Les puits et les installations similaires dans des applications du type extraction pétrolière entrent également dans ce cas de figure. Le Subsurface Flow Module propose deux types d'écoulement en canal libre : laminaire et rampant. L'interface Ecoulement laminaire permet de résoudre les équations de Navier-Stokes et l'interface Ecoulement rampant résout une version modifiée de ces équations, sans facteur d'inertie. L'écoulement rampant ou écoulement de Stokes est utile pour les écoulements présentant des nombres de Reynolds très bas.

Transport de Matériaux

Le transport de matériaux peut être couplé à un écoulement souterrain et peut être induit par convection et diffusion. Il est possible de caractériser les propriétés telles que la diffusion grâce à des équations dépendantes de la concentration ou des propriétés du milieu (par exemple dans un milieu anisotrope).

L'interface Transport de soluté ajoute comme mécanisme de transport la dispersion et le retard due à la sorption. La dispersion tient compte du fait que le transport de soluté se produit dans la direction de l'écoulement. Le tenseur de dispersion permet de prendre en compte ce point. La sorption désigne le processus d'absorption par des espèces chimiques et de désorption à des vitesses variables sur des particules dans un milieu poreux. Son impact sur le transfert de matériaux est décrit soit à l'aide d'une isotherme de Langmuir ou de Freundlich disponible dans l'interface, soit avec une expression que vous définissez. La sorption contribue également au ralentissement de l'écoulement au moyen du facteur de réduction de la vitesse de propagation. Un facteur de volatilisation, c'est-à-dire de dispersion des espèces chimiques du soluté dans la phase de gaz immobile, est également proposé pour les écoulements non saturés. Vous pouvez également entrer vos propres équations pour caractériser des réactions se produisant durant le transport des matériaux. L'interface Transport de soluté peut être couplée à n'importe quelle interface physique pertinente du CFD Module pour modéliser un écoulement diphasique et le soluté qu'il transporte.

Transfert de Chaleur

Le transfert de chaleur se produit par conduction, convection et dispersion et doit prendre en compte les différentes conductivités survenant entre la phase solide et la phase liquide. Dans de nombreux cas, la phase solide peut se composer de divers matériaux avec différentes conductivités, mais aussi de plusieurs liquides. Des règles de mélange sont fournies pour calculer les propriétés de transfert thermique efficace dans l'interface Transfert de chaleur en milieu poreux. Elle propose également des expressions pour la dispersion de chaleur engendrée par la nature des milieux poreux et un facteur de réchauffement géothermique. La dispersion est provoquée par le parcours tortueux du liquide dans le milieu poreux qui ne pourrait pas être décrit si seul le facteur de convection moyenne était pris en considération.

Poroélasticité

La modélisation du compactage et des glissements de terrain est possible dans une excellente interface physique pour la poroélasticité. L'interface Poroélasticité associe une formulation temporelle de la loi de Darcy à la mécanique des solides linéaire et élastique de la matrice des milieux poreux. Le couplage poroélastique implique que l'écoulement affecte la compressibilité du milieu poreux et que les changements liés aux contraintes de volume altèrent à leur tour le mouvement et le transport de matériaux et de chaleur. Cette interface prévoit une expression pour le tenseur des contraintes comme fonction du tenseur des déformations et du coefficient de Biot-Willis.

Multiphysics Simulations Help Track Underground Fluid Movements

Pumping and Injecting from a Single Borehole

Phase Change

Buoyancy Flow with Darcy's Law—The Elder Problem

Variably Saturated Flow and Transport—Sorbing Solute

Free Convection in a Porous Medium

Biot Poroelasticity

Pore-Scale Flow

Pesticide Transport and Reaction in Soil

Failure of a Multilateral Well

Forchheimer Flow