Разработка высокоточных численных методов, алгоритмов и программного обеспечения высокопроизводительной вычислительной техники для моделирования природных и техногенных воздействий на трубопроводные системы, функционирующие в арктических условиях.

Содержание настоящего проекта составляет цикл работ, направленных на создание математических и компьютерных моделей, алгоритмов и прикладных программных комплексов для высокопроизводительной вычислительной техники, которые будут использованы в целях предсказательного моделирования поведения различных природных и технических объектов, расположенных в климатических зонах многолетнемерзлых грунтов под влиянием различных техногенных факторов. Основная часть намеченных в проекте исследований посвящается развитию содержательных моделей и численных методик для расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) технических объектов - трубопроводов, строительных опор, обсадных колонн и других подобных сооружений, которые находятся в контакте с геологическими структурами – пористыми грунтами, содержащими замерзшую воду, а также коллекторами, содержащими соединения воды с природным газом – твердые гидратные включения. Намечаемые к разработке модели будут построены с учетом двухфазного (лед-вода) либо трехфазного (вода-газ-гидрат) состояния вещества в порах, и двухкомпонентной фильтрационной динамики флюидов, возникающей при определенных термобарических условиях. В этой части разработок предусматривается, что течение может происходить в условиях разложения гидратов с выделением природного газа. В качестве основных методов построения численных методик и решения прикладных задач будут развиты новые сеточно-характеристические схемы, полностью консервативные разностные схемы ( в смысле аппроксимаций балансных уравнений по энергии компонент и в целом для флюидовмещающей среды). Полностью консервативные схемы будут основаны на новых типах интегрально-согласованных аппроксимаций операций векторного анализа, построенных с применением операторно-разностного подхода. Комплексы прикладных программ для моделирования термических процессов, флюидодинамики, НДС, будут разработаны согласно современным принципам объектно-ориентированного и обобщенного проектирования и программирования. В их основу будут положены алгоритмы параллельных вычислений на высокопроизводительной вычислительной технике распределенной и гибридной архитектуры. Использование параллельной вычислительной техники имеет целью обеспечить достаточно высокое разрешение моделируемых структур на разностных сетках в расчетных областях нетривиальной, вообще говоря, геометрии, и, тем самым повысить надежность предсказаний эволюции моделируемых процессов. Апробация программных комплексов, реализующих составные нелинейные модели флюидодинамики и НДС, будет выполнена как на модельных задачах, так и путем сопоставления результатов расчетов с данными натурных измерений. В части моделирования процессов в гидратсодержащих средах будет реализована двухблочная математическая модель, включающая описание многокомпонентного течения в пористой среде с учетом диссоциации газовых гидратов, и напряженно-деформированного состояния пороупругой среды, вмещающей флюид и гидратные отложения. Влияние НДС пористой среды на флюидодинамику будет учтено зависимостью ее свойств (пористости, проницаемости) от давления в среде. Актуальность предлагаемого проекта обусловлена теми обстоятельствами, что в Российской Федерации северные климатические зоны, в которых находятся многолетнемерзлые породы, охватывают более половины территории страны, и в них сосредоточена значительная часть запасов углеводородного сырья. Мерзлые породы относятся к весьма динамичным, и, как следствие, неустойчивым природным системам. В настоящее время северные климатические зоны интенсивно исследуются и осваиваются, в связи с чем имеется настоятельная необходимость скорейшего развития инструментария для расчетно-теоретического анализа сопутствующих этому освоению техногенных процессов. Что касается математических моделей и численных методик решения сопряженных задач флюидодинамики и пороупругих процессов в средах с газогидратными включениями, то их теоретическое описание ранее разрабатывалось, однако соответствующие компьютерные модели и методики предсказательного моделирования, ориентированные на применение современной высокопроизводительной техники, отсутствуют.