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基于有限元的海洋天然气水合物开采多场耦合数值模拟方法及应用

天然气水合物 数值模拟 多场耦合 控制体有限元

天然气水合物降压开采是一个复杂的多相多场耦合过程。研究天然气水合物相关的能源、环境和地质灾害问题需要开发可以考虑上述耦合效应的数学模型及高效的算法。本文建立了水合物开采THMC多场耦合数学模型。该模型由考虑相变的非等温多相渗流的流体部分和非弹性本构的固体部分组成。模型考虑了流固双向耦合作用，即孔隙压力和水合物相变对固体变形的影响以及固体变形对渗流行为的影响。本文引入了控制体积有限元法和有限元混合的新型数值模拟方法求解上述THMC模型。该方法可在满足渗流过程局部守恒的前提下在同一套网格系统中实现固体变形的耦合计算。基于上述方法开发了水合物开采多场耦合模拟器QIMGHyd-THMC。与实验模拟结果的对比验证表明该模拟器可以实现水合物开采THMC多场耦合过程的模拟。