多孔介质中非线性Stokes/Darcy-Forchheimer耦合模型的快速算法研究
批准号:
11901497
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
黄健
依托单位:
学科分类:
A0504.微分方程数值解
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
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中文摘要
多孔介质中流体问题广泛存在于石油、天然气等地下流体资源的开发中,其数学模型是依赖于时间的强耦合非线性偏微分方程组。流体问题的数值模拟涉及长时间域、大范围的计算,这导致计算量比较大,计算时间长,收敛速度较慢,因此对大规模、长时间流体问题的数值模拟设计高效快速算法是十分必要的。耦合模型是一类鞍点问题,同时涉及复杂界面情形,因此对其设计快速算法不是一件容易的事情。本项目以二维非线性Stokes/Darcy-Forchheimer耦合模型为切入点,对鞍点问题,设计合理的解耦算法,构造健壮的非线性几何多重网格方法,进行非线性多重网格方法收敛性的理论分析和最优阶误差估计。我们将采用混合元方法离散,并通过构造合适的光滑子,网格间的插值算子以及限制、提升算子,给出算法设计。最后,将结果推广到三维情形,模拟实际问题,实现相应的计算程序。本项目旨在为非线性多重网格方法在不同领域的应用和发展提供理论与技术支持。
英文摘要
Mathematical and physical model for fluid flow in porous media leads to highly coupled time-dependent nonlinear partial differential equations, which are widely used in the exploration and production of underground fluid resources such as oil, natural gas in petroleum reservoir. Numerical simulation of porous flow not only covers wide areas also long duration of time, this results in high computation complexity, slow convergence and long computation time. Therefore, it is urgent to design fast solvers for the coupled nonlinear models, and further research is needed. Notice that it is not easy to construct fast algorithms for coupled nonlinear models because they are very complicated with the involved complex interface conditions and usually appear as saddle point problems. Inspired by this, the project mainly focus on fast algorithms for two dimensional coupled Stokes/Darcy-Forchheimer model. The coupled nonlinear models, which are decoupled by the appropriate algorithms, are discretized by mixed finite element methods. Robust and efficient nonlinear geometry multigrid methods are designed with suitable smoothers and lifting operators for the considered nonlinear models, and rigorous theoretical analysis and numerical experiments are given. Moreover, efficient nonlinear multigrid methods are expanded to three dimensional problems. The project is a further exploration and supplement to applications and theoretical research on fast algorithms for coupled nonlinear models for fluid flow in porous media. In addition, the completion of this project will provide theoretical and technical support to the various applications of nonlinear multigrid methods.
多孔介质中流体问题广泛存在于石油、天然气等地下流体资源的开发中,其数学模型是依赖于时间的强耦合非线性偏微分方程组。流体问题的数值模拟涉及长时间域、大范围的计算,这导致计算量比较大,计算时间长,收敛速度较慢,因此对大规模、长时间流体问题的数值模拟设计高效快速算法是十分必要的。本项目围绕多孔介质中非线性Darcy-Forchheimer耦合模型的快速算法开展了一系列数学理论、数值算法及应用等相关研究工作。首先我们针对二维、三维强可压非线性Darcy-Forchheimer混溶驱动耦合模型,构造了高效特征块中心有限差分方法,给出了相应的误差估计,数值模拟了二维、三维点源点汇实际应用。针对微可压非线性Darcy-Forchheimer混溶驱动耦合模型的特征块中心有限差分方法及两网格快速算法,并给出了严格的理论分析。同时,从理论和数值的角度研究了裂缝性多孔介质中可压缩流体流动的混合维耦合模型,其中裂缝中的流体流动受Brinkman模型和周围多孔介质中的Darcy模型控制。为求解非匹配网格上的混合维耦合模型,构造了一个节点最少的有限体积格式。给出了不同网格尺寸的二阶误差估计。通过数值实验验证了该方法的有效性和准确性。研究了裂缝中渗透率、宽度和粘度等参数以及数学模型中引入的积分参数对裂缝系统流体流动特性的影响。另外,针对时间分数阶热传导反问题构造了相应的高效数值方法。结合隐式有限差分方法离散数学模型,采用迭代正则化方法求解病态反问题。针对非线性系数反问题,设计了高效的神经网络方法。结合CNN,构造了相应的神经网络,并且对常系数以及变系数的情形,与传统正则化方法数值求解非线性反问题,进行了计算效率和计算精度的对比。针对科尔-科尔色散介质中的麦克斯韦方程,设计了一种快速二阶时域有限差分算法。在时间方向上采用加权方法,在空间方向上采用时域有限差分法,实现了二阶时空精度。针对时间分数阶Allen-Cahn和Cahn-Hilliard方程构造高阶无条件能量稳定格式。其中时间方向上采用稳定化方法和SAV方法,严格证明了原始模型以及离散格式的无条件能量稳定性。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:https://doi.org/10.25587/SVFU.2021.81.41.007
发表时间:2021
期刊:Mathematical Notes of NEFU
影响因子:--
作者:Jian Huang;Aleksandr V. Grigorev;Dulus Kh. Ivanov
通讯作者:Dulus Kh. Ivanov
Numerical Methods for Identifying the Diffusion Coefficient in a Nonlinear Elliptic Equation
确定非线性椭圆方程扩散系数的数值方法
DOI:10.25587/svfu.2021.81.41.007
发表时间:2021
期刊:Mathematical Notes of NEFU
影响因子:--
作者:Jian Huang;Aleks;r V. Grigorev;Dulus Kh. Ivanov
通讯作者:Dulus Kh. Ivanov
Accurate and efficient algorithms with unconditional energy stability for the time fractional Cahn–Hilliard and Allen–Cahn equations
准确高效的算法,具有时间分数 Cahn–Hilliard 和 Allen–Cahn 方程的无条件能量稳定性
DOI:10.1002/num.22752
发表时间:2021-01
期刊:Numerical Methods for Partial Differential Equations
影响因子:3.9
作者:Zhengguang Liu;Xiaoli Li;Jian Huang
通讯作者:Jian Huang
A characteristic block-centered finite difference method for Darcy-Forchheimer compressible miscible displacement problem
求解Darcy-Forchheimer可压缩混相位移问题的特征块中心有限差分法
DOI:10.1016/j.cam.2022.114303
发表时间:2022-04
期刊:Journal of Computational and Applied Mathematics
影响因子:2.4
作者:Ao Li;Jian Huang;Wei Liu;Huayi Wei;Nianyu Yi
通讯作者:Nianyu Yi
A numerical method for solving retrospective inverse problem of fractional parabolic equation
求解分数抛物型方程回顾性反问题的数值方法
DOI:10.1016/j.cam.2022.114366
发表时间:2022-04
期刊:Journal of Computational and Applied Mathematics
影响因子:2.4
作者:Lingde Su;Jian Huang;V.I. Vasil’ev;Ao Li;A.M. Kardashevsky
通讯作者:A.M. Kardashevsky
非常规地热多场耦合问题的高效数值方法研究
- 批准号:2025JJ50035
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2025
- 负责人:黄健
- 依托单位:
虚单元法在油藏数值模拟中应用研究
- 批准号:2019JJ50607
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2019
- 负责人:黄健
- 依托单位:
国内基金
海外基金















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