Decoupled overlapping grids for modelling transient behaviour of oil wells

This research presents a new method, the decoupled overlapping grids method, for the numerical modelling of transient pressure and rate properties of oil wells. The method is implemented in two stages: a global stage solved in the entire domain with a point or line source well approximation, and a local (post-process) stage solved in the near-well region with the well modelled explicitly and boundary data interpolated from the global stage results. We have carried out simulation studies in two- and three- dimensions to investigate the accuracy of the method. For homogeneous case studies in 2D, we have demonstrated the convergence rate of the maximum error in the quantities of interest of the global and local stage computations by numerical and theoretical means. We also proposed a guideline for the selection of the relative mesh sizes of the local and global simulations based on error trends. Comparison to other methods in the literature showed better performance of the decoupled overlapping grids method in all cases. We carried out further investigations for heterogeneous case studies in 2D and partially-penetrating wells in 3D which show that the error trends observed for the 2D homogeneous case deteriorate only slightly, and that a high level of accuracy is achieved. Overall the results in this thesis demonstrate the potential of the method of decoupled overlapping grids to accurately model transient wellbore properties for arbitrary well con gurations and reservoir heterogeneity, and the gain in computational e ciency achieved from the method

Semi-Structured multigrid methods on Voronoi meshes to the resolution of the Darcy-Oberbeck-Boussinesq model

La mayoría de los problemas en física e ingeniería se modelan mediante ecuaciones en derivadas parciales. Como mayores exponentes de este hecho tenemos las ecuaciones de Maxwell, el problema elástico o las ecuaciones de Navier-Stokes. La resolucíon de las ecuaciones en derivadas parciales se basa en el uso de métodos numéricos que están basados en un proceso de discretización. Lo cual, conduce al planteamiento de un sistema de ecuaciones algebraicas cuya resolución puede llegar a ser muy costosa. Por tanto, desarrollar métodos eficientes repercute en la posibilidad de realizar más ensayos con un menor costo de recursos. Hay dos grandes grupos de resolución de estos sistemas de ecuaciones, uno serian los métodos basados en el método del gradiente conjugado, y el otro los métodos multimalla. Es importante remarcar, que los métodos multimalla se pueden usar como precondicionadores de los métodos de gradiente conjugado. Esta tesis, se va a centrar en los métodos multimalla. Los métodos multimalla, son conocidos por ser muy rápidos resolviendo problemas de tipo parabólico y elíptico. Dentro de los métodos multimalla, nos encontramos dos familias. Los métodos geométricos son especialmente rápidos y tienen un bajo consumo de memoria, pero tienen la limitación de que el dominio debe ser regular y la malla estructurada, lo que limita su aplicación. Por otra parte, tenemos los métodos algebraicos, los cuales son mas lentos y requieren más memoria pero se pueden aplicar a dominios de cualquier complejidad. Una alternativa que pretende obtener lo mejor de ambos métodos es el uso de métodos geométricos en mallas semi-estructuradas. Estos consisten en crear una malla inicial no estructurada que se adapte a la geometría del dominio para posteriormente, refinar regularmente esta malla inicial hasta alcanzar la precisión deseada. De esta manera, obtenemos una malla que se adapta al dominio, y dentro de esta malla, dominios estructurados donde podemos aplicar métodos multimalla geométricos. Se han realizado estudios con mallas rectangulares y con triangulares, estas ultimas con nodos en los vértices. Generalmente, las mallas utilizadas para triangular un dominio son las mallas de Delaunay porque se construyen muy rápidamente y además, tienden a dar una triangulación con pocos triángulos puntiagudos y muchos triángulos acutángulos. La malla dual de Delaunay es conocida como malla de Voronoi. La línea que une los vértices de Voronoi es perpendicular a la triangulación de Delaunay. Por tanto, su uso para discretizar ecuaciones en derivadas parciales es muy interesante, ya que para discretizar las derivadas en la dirección normal basta con un cociente de diferencias. Utilizaremos triángulos acutángulos, por lo que el punto de Voronoi siempre estará dentro del triángulo. Pero su posición cambia en función de la forma del triángulo, lo cual, puede dar lugar a grandes anisotropías debidas al mallado y no al problema. Uno de los componentes más importantes de los métodos multimalla es el suavizador. El estudio de suavizadores para mallas centradas en celdas es escaso y nulo para mallas semi-estructuradas. Por tanto, el estudio de nuevos suavizadores es uno de nuestros objetivos. Para ello, deberemos estudiar la complejidad del problema y diseñar nuevos suavizadores que sean capaces de tratar con esta anisotropía inducida por la malla. A la vez que desarrollamos el método multimalla genérico, nos centraremos en la resolución del modelo Darcy-Oberbeck-Boussinesq. Este modelo tiene a su vez un sistema de ecuaciones de tipo mixto con incógnitas de presión y de velocidad. Por tanto, deberemos extender lo estudiado para resolver este sistema. Localizaremos las proyecciones de la velocidad en los lados de los triángulos. En este punto tenemos dos opciones, el uso de suavizadores de tipo Vanka, dentro del cual deberemos resolver cada vez un sistema de ecuaciones de tipo punto silla, o de tipo distributivo. Como no podemos saber de antemano cual sería mas eficiente, deberemos analizar ambos. El modelo Darcy-Oberbeck-Boussinesq, es un modelo que se utiliza para calcular el comportamiento de flujos en medios porosos saturados, los cuales son movidos por diferencias de densidad dentro del fluido. Este modelo puede ser utilizado en el problema de almacenaje de CO2 en acuíferos salinos. Notemos que la velocidad y la concentración están acopladas, haciendo que el problema sea altamente no lineal. De hecho, al poco tiempo del comienzo del proceso se crean inestabilidades difícilmente modelizables que exigen pasos de tiempo muy pequeños

Using local defect correction for laminar flame simulation

ix+129hlm.;24c

Numerical Simulations of Various Rotor Designs in Hover and Forward Flight

This paper presents numerical simulations of different rotor designs using high-fidelity CFD methods. Firstly, hover results are presented for the PSP rotor blade. The impact of a transitional turbulence model on the blade performance was examined and good correlation with test data was obtained. A grid sensitivity study indicated an influence on the transition location predictions, however, the effect on the integrated loads was not significant. The surface pressure distributions and sectional loads were also examined. The PSP rotor was also simulated in forward flight and blade surface pressure was compared with wind tunnel data. The predictions were found to follow data obtained from pressure transducers

Validation of the steady state hover formulation for accurate performance predictions

This paper shows accurate predictions for hover performance regardless of planform geometry, blade-tip Mach number, or disk loading. To prove this statement, sensitivity analyses were performed along with performance predictions for four rotor designs. Planform effects were also studied, such as the blade anhedral, showing the strong sensitivity of the rotor blade performance due to geometric features. The steady-state solution methodology with imposed Froude boundary conditions is shown to give accurate results for relatively coarse grid sizes. This approach leads to reduced computational costs as compared to time-dependent simulations. It is also recognized that, given the current accuracy of the available experimental data, the use of more advanced computational fluid dynamics methods may not be fully justified. To advance the accuracy of modern computational fluid dynamics methods, a comprehensive experimental dataset is required

Parallel Scientific Computing with Applications in Material Science and Metallurgy

A new software tool for the solution of complex time-dependent systems of partial differential is presented. High levels of parallelization are achieved in a framework that allows the developer to implement ad-hoc solvers for computationally challenging problems on a higher abstraction level without the need to understand in the low-level parallel implementation. Moreover, thanks to this new implementation, advanced numerical methods, such as mesh adaptivity, implicit time stepping, and multigrid methods can be employed with ease. Here the implementation of this new tool is presented and validated against simple elliptic and more complex phase-field models. Its parallel performance is then assessed

Development of a finite volume method for elastic materials and fluid-solid coupled applications

This thesis presents the development of a parallel finite volume numerical method to analyse thermoelastic and hyperelastic materials and applied problems with mutual interaction between a fluid and a structure. The solid problem follows a cell-centred finite volume formulation for three-dimensional unstructured grids under the same framework that is frequently devoted to computational fluid dynamics. Second-order accurate schemes are used to discretise both in time and space. A direct implicit time integration promotes numerical stability when facing vibration and quasi-static scenarios. The geometrical non-linearities, encountered with the large displacements of both Saint Venant-Kirchhoff and neo-Hookean models, are tackled by means of an updated Lagrangian approach. Verification of the method is conducted with canonical cases which involve: static equilibrium, thermal stress, vibration, structural damping, large deformations, nearly incompressible materials and high memory usage. Significant savings in computation time are achieved owing to the acceleration strategies implemented within the system resolution, namely a segregated algorithm with Aitken relaxation and a block-coupled system arrangement. The similarities between the block-coupled method and the displacement-based finite element method, with regards to the matrix form of the resulting equations, allow for including Rayleigh viscous damping within a finite volume solver. The program for structures is to be coupled with the in-house fluid numerical models in order to produce a unified fluid-structure interaction platform, where an arbitrary Lagrangian-Eulerian approach is used to solve the flow in a conforming grid. As a first step, the method for incompressible Newtonian fluids is adapted to deal with structure-coupled problems. To do so, the Lagrangian-Eulerian version of the Navier-Stokes equations is presented, and automatic moving mesh techniques are developed. These techniques are designed to mitigate the mesh quality deterioration and to satisfy the space conservation law. Besides, a semi-implicit coupling algorithm, which only implicitly couples the fluid pressure term to the structure, is implemented. As a result, numerical stability for strongly coupled phenomena at a reduced computational cost is obtained. These new tools are tested on an applied case, consisting of the turbulent flow through self-actuated flexible valves. Finally, a pioneering coupled numerical model for the thermal and structural analysis of packed-bed thermocline storage tanks is developed. This thermal accumulation system for concentrated solar power plants has attracted the attention of the industry due to the economic advantage compared to the usual two-tank system. Dynamic coupling among the thermoelastic equations for the tank shell and the numerical models for all other relevant elements of the system is considered. After validating the model with experimental results, the commercial viability of the thermocline concept, regarding energetic effectiveness and structural reliability, is evaluated under real operating conditions of the power plants.Esta tesis presenta el desarrollo de un método numérico paralelo basado en volúmenes finitos para analizar materiales termoelásticos e hiperelásticos y problemas con una interacción mutua entre un fluido y una estructura. El problema del sólido sigue una formulación de volúmenes finitos centrada en las celdas para mallas no-estructuradas tridimensionales, bajo el mismo marco que se suele emplear en la dinámica de fluidos computacional. Se utilizan esquemas de segundo orden de precisión para discretizar el tiempo y el espacio. Una integración temporal directa implícita asegura estabilidad numérica al afrontar escenarios casi-estáticos o de vibración. Las no linealidades, que aparecen con los amplios desplazamientos de los modelos de Saint Venant-Kirchhoff y de neo-Hookean, son abordadas con un enfoque Lagrangiano actualizado. La verificación del método se realiza a través de casos canónicos que involucran: equilibrio estático, tensiones térmicas, vibración, amortiguación estructural, grandes deformaciones, materiales casi incompresibles y altos requerimientos de memoria. Se registra un ahorro significativo en el tiempo de cálculo gracias a las estrategias de aceleración implementadas dentro de la resolución del sistema, principalmente un algoritmo segregado con relajación Aitken y una disposición acoplada en bloques del sistema. Las similitudes entre este método acoplado en bloques y el método de los elementos finitos basados en el desplazamiento, con respecto a la forma matricial de las ecuaciones resultantes, permiten incluir la amortiguación viscosa tipo Rayleigh dentro de un solucionador de volúmenes finitos. El programa para estructuras se acoplará con los modelos numéricos internos para fluidos con el objetivo de generar una plataforma unificada de interacción fluido-estructura, donde se usa un enfoque arbitrario Lagrangiano-Euleriano sobre una malla conforme para resolver el fluido. Como primer paso, el método para flujos incompresibles Newtonianos se adapta para lidiar con problemas acoplados a una estructura. Para ello, se presenta la versión Lagrangiana-Euleriana de las ecuaciones de Navier-Stokes y se desarrollan técnicas automáticas de movimiento de malla. El diseño de estas técnicas se centra en mitigar el deterioro de la calidad de la malla y satisfacer la ley de conservación del espacio. Además, se implementa un algoritmo de acoplamiento semi-implícito, que sólo acopla implícitamente el término fluido de presión a la estructura. Como resultado, se obtiene estabilidad numérica para fenómenos fuertemente acoplados a un coste computacional reducido. Estas nuevas herramientas se prueban en un caso aplicado, que consiste el flujo turbulento a través de válvulas flexibles autoactivadas. Finalmente, se desarrolla un modelo numérico acoplado pionero para analizar estructuralmente y térmicamente los tanques termoclina de almacenamiento térmico. Este sistema de acumulación para centrales termosolares ha atraído la atención de la industria debido al ahorro económico comparado con el sistema de doble tanque habitual. Se tiene en cuenta el acoplamiento dinámico entre las ecuaciones gobernantes de la pared del tanque y las de todos los elementos relevantes del sistema. Tras validar el modelo con datos experimentales, se evalúa la viabilidad comercial de estos tanques, en cuanto a rendimiento energético y fiabilidad estructural, bajo condiciones reales de operación de las centrales.Postprint (published version

Pore-scale Direct Numerical Simulation of Flow and Transport in Porous Media

This dissertation presents research on the pore-scale simulation of flow and transport in porous media and describes the application of a new numerical approach based on the discontinuous Galerkin (DG) finite elements to pore-scale modelling. In this approach, the partial differential equations governing the flow at the pore-scale are solved directly where the main advantage is that it does not require a body fitted grid and works on a structured partition of the domain. Furthermore this approach is locally mass conservative, a desirable property for transport simulation. This allows the investigation of pore-scale processes and their effect on macroscopic behaviour more efficiently. The Stokes flow in two and three dimensional disordered packing was solved and the flow field was used in a random-walk particle tracking model to simulate the transport through the packing. The permeabilities were computed and asymptotic behaviour of solute dispersion for a wide range of Péclet numbers was studied. The simulated results agree well with the data reported in the literature, which indicates that the approach chosen here is well suited for pore-scale simulation

Mixed finite element methods: implementation with one unknown per element, local flux expressions, positivity, polygonal meshes, and relations to other methods

International audienceIn this paper, we study the mixed finite element method for linear diffusion problems. We focus on the lowest-order Raviart--Thomas case. For simplicial meshes, we propose several new approaches to reduce the original indefinite saddle point systems for the flux and potential unknowns to (positive definite) systems for one potential unknown per element. Our construction principle is closely related to that of the so-called multi-point flux-approximation method and leads to local flux expressions. We present a set of numerical examples illustrating the influence of the elimination process on the structure and on the condition number of the reduced matrix. We also discuss different versions of the discrete maximum principle in the lowest-order Raviart--Thomas method. Finally, we recall mixed finite element methods on general polygonal meshes and show that they are a special type of the mimetic finite difference, mixed finite volume, and hybrid finite volume family