Simuleringer af forskellige geometriske tilstande af væske (rød) i sten (tan). Ved hjælp af Titan, forskere validerede en geometrisk model til karakterisering af væskestrømning i porøs sten og geologiske materialer fra teori. Kredit:James McClure
Dybt under jordens overflade, olie og grundvand perkolerer gennem huller i sten og andet geologisk materiale. Skjult for syne, disse kritiske ressourcer udgør en betydelig udfordring for forskere, der søger at evaluere tilstanden af sådanne tofasede væskestrømme. Heldigvis, kombinationen af supercomputing og synkrotron-baserede billeddannelsesteknikker muliggør mere nøjagtige metoder til modellering af væskeflow i store underjordiske systemer som oliereservoirer, dræn til kulstofbinding, og grundvandsmagasiner.
Forskere ledet af beregningsforskeren James McClure fra Virginia Tech brugte den 27-petaflop Titan-supercomputer ved Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) til at udvikle en geometrisk model, der kun kræver nogle få nøglemålinger for at karakterisere, hvordan væsker er arrangeret i porøse bjergarter - dvs. er, deres geometriske tilstand.
OLCF er et amerikansk Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility placeret på DOE's Oak Ridge National Laboratory. Holdets resultater blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsvæske i 2018.
Den nye geometriske model giver geologer en måde at entydigt forudsige væsketilstanden og overvinde en velkendt mangel forbundet med modeller, der har været brugt i mere end et halvt århundrede.
Omkring begyndelsen af det 20. århundrede, den tyske matematiker Hermann Minkowski demonstrerede, at 3D-objekter er forbundet med fire væsentlige foranstaltninger:volumen, overfladeareal, integreret middel krumning, og Euler karakteristisk. Imidlertid, i de traditionelle beregningsmodeller for underjordisk flow, volumenfraktionen giver det eneste mål for væsketilstanden og er afhængig af observationsdata indsamlet over tid for størst nøjagtighed. Baseret på Minkowskis grundlæggende analyse, disse traditionelle modeller er ufuldstændige.
"Matematikken i vores model er anderledes end den traditionelle model, men det fungerer ganske godt, McClure sagde. "Den geometriske model karakteriserer mediets mikrostruktur ved hjælp af et meget begrænset antal mål."
For at anvende Minkowskis resultat på komplekset, flerfasede væskekonfigurationer fundet i porøs sten, McClures team havde brug for at generere en stor mængde data, og Titan leverede den nødvendige ekstreme regnekraft.
Arbejde med internationale samarbejdspartnere, holdet valgte fem mikro-computertomografi (microCT) datasæt indsamlet af røntgensynkrotroner for at repræsentere den mikroskopiske struktur af rigtige sten. Datasættene omfattede to sandsten, en sandpakke, en carbonatsten, og et syntetisk porøst system kendt som Robuglas. Holdet inkluderede også en simuleret pakke kugler.
Inden for hver sten, tusinder af mulige væskekonfigurationer blev simuleret og analyseret, i alt mere end 250, 000 væskekonfigurationer. Ved hjælp af simuleringsdata, teamet var i stand til at vise, at der eksisterer et unikt forhold mellem de fire geometriske variabler, baner vejen for en ny generation af modeller, der forudsiger den flydende tilstand ud fra teori frem for ved at stole på et historisk datasæt.
"Forhold, der engang troede at være i sagens natur afhængige af historie, kan nu genovervejes baseret på streng geometrisk teori, "Sagde McClure.
Holdet brugte open source Lattice Boltzmann for Porous Media (LBPM) kode, udviklet af McClure og opkaldt efter den statistikdrevne gitter Boltzmann-metode, der hurtigere beregner væskestrøm over en række skalaer end beregninger ved hjælp af begrænsede metoder, som er mest nøjagtige i små skalaer. LBPM -koden, som bruger Titans GPU'er til at fremskynde simulering af væskeflow, frigives gennem Open Porous Media Initiative, som opretholder open source-koder for forskningsmiljøet.
"Gitter Boltzmann -metoder fungerer meget godt på GPU'er, " sagde McClure. "I vores implementering, simuleringen kører på GPU'erne, mens CPU -kernerne analyserer oplysninger eller ændrer væskernes tilstand. "
Ved ekstraordinære computerhastigheder, holdet var i stand til at analysere simuleringstilstanden cirka hver 1. 000 tidstrin, eller cirka hvert minut af computertiden.
"Dette tillod os at generere et meget stort antal datapunkter, der kan bruges til at studere ikke kun den geometriske tilstand, men også andre aspekter af flowfysik, når vi bevæger os fremad, " sagde McClure.
Større simuleringer vil være nødvendige for at studere, hvordan de forskellige egenskaber og mikrostruktur af rigtige sten påvirker det geometriske forholds adfærd på tværs af længdeskalaer. En ny generation af supercomputere som OLCF's seneste system - 200 petaflop IBM AC922 Summit - vil være nødvendige for at forbinde flowfysik på tværs af længdeskalaer, der spænder fra nanometer- til millimeterstore porer til reservoirer, der kan strække sig over flere kilometer.
"Frigivelsen af Summit -supercomputeren muliggør større simuleringer, der yderligere vil skubbe grænserne for vores forståelse for disse komplekse multiscale systemer, "Sagde McClure.