Djupt under jordens yta, olja och grundvatten tränger igenom luckor i berg och annat geologiskt material. Dold för sikte, dessa kritiska resurser utgör en betydande utmaning för forskare som vill utvärdera tillståndet för sådana tvåfasiga vätskeflöden. Lyckligtvis, kombinationen av superdatorer och synkrotronbaserade bildtekniker möjliggör mer exakta metoder för modellering av vätskeflöde i stora underjordiska system som oljereservoarer, sjunker för koldioxidbindning, och grundvatten akviferer.

Forskare som leds av beräkningsvetaren James McClure från Virginia Tech använde 27-petaflop Titan superdator vid Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) för att utveckla en geometrisk modell som endast kräver några få viktiga mätningar för att karakterisera hur vätskor är arrangerade i poröst berg-det är, deras geometriska tillstånd.

OLCF är ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility som ligger vid DOE's Oak Ridge National Laboratory. Lagets resultat publicerades i Fysiska granskningsvätskor år 2018.

Den nya geometriska modellen erbjuder geologer ett sätt att på ett unikt sätt förutsäga vätskestatus och övervinna en välkänd brist i samband med modeller som har använts i mer än ett halvt sekel.

Omkring 1900 -talets början den tyska matematikern Hermann Minkowski visade att 3D-objekt är associerade med fyra väsentliga mått:volym, ytarea, integrerad genomsnittlig krökning, och Euler -egenskap. Dock, i de traditionella beräkningsmodellerna för underflödesflöde, volymfraktionen ger det enda måttet på vätskestatus och bygger på observationsdata som samlats in över tid för största noggrannhet. Baserat på Minkowskis grundläggande analys, dessa traditionella modeller är ofullständiga.

"Matematiken i vår modell skiljer sig från den traditionella modellen, men det fungerar ganska bra, "Sa McClure." Den geometriska modellen kännetecknar mediets mikrostruktur med ett mycket begränsat antal åtgärder. "

För att tillämpa Minkowskis resultat på komplexet, flerfasiga vätskekonfigurationer som finns i poröst berg, McClures team behövde generera en stor mängd data, och Titan gav den extrema beräkningskraft som behövs.

Arbeta med internationella samarbetspartners, laget valde ut fem mikro-datortomografi (microCT) datamängder som samlats in av röntgensynkrotroner för att representera den mikroskopiska strukturen hos riktiga bergarter. Datauppsättningarna innehöll två sandstenar, ett sandpaket, en karbonatsten, och ett syntetiskt poröst system som kallas Robuglas. Teamet inkluderade också ett simulerat paket med sfärer.

Inom varje sten, tusentals möjliga vätskekonfigurationer simulerades och analyserades, totalt mer än 250, 000 vätskekonfigurationer. Med hjälp av simuleringsdata, laget kunde visa att det finns ett unikt samband mellan de fyra geometriska variablerna, banar väg för en ny generation modeller som förutsäger det flytande tillståndet från teorin snarare än genom att förlita sig på en historisk uppsättning data.

"Relationer som en gång trodde att de är historiaberoende i sig kan nu omprövas på grundval av strikt geometrisk teori, "Sa McClure.

Teamet använde öppen källkod Lattice Boltzmann for Porous Media (LBPM) -kod, utvecklad av McClure och uppkallad efter den statistikdrivna galler Boltzmann-metoden som beräknar vätskeflödet över en skala av skalor snabbare än beräkningar med ändliga metoder, som är mest exakta i små skalor. LBPM -koden, som använder Titans GPU:er för att påskynda vätskeflödessimuleringar, släpps genom Open Porous Media Initiative, som upprätthåller öppen källkoder för forskarsamhället.

"Gitter Boltzmann -metoder fungerar mycket bra på GPU:er, "Sade McClure." I vår implementering, simuleringen körs på GPU:erna medan CPU -kärnorna analyserar information eller ändrar vätskans tillstånd. "

Vid exceptionella datahastigheter, laget kunde analysera simuleringstillståndet ungefär var 1:a, 000 tidssteg, eller ungefär varje minut av datortiden.

"Detta tillät oss att generera ett mycket stort antal datapunkter som kan användas för att studera inte bara det geometriska tillståndet utan också andra aspekter av flödesfysik när vi går framåt, "Sa McClure.

Större simuleringar kommer att behövas för att studera hur de verkliga bergens olika egenskaper och mikrostruktur påverkar det geometriska förhållandets beteende över längdskalor. En ny generation superdatorer som OLCF:s senaste system-200-petaflop IBM AC922 Summit-kommer att behövas för att ansluta flödesfysik över längdskalor som sträcker sig från nanometer- till millimeterstora porer till reservoarer som kan sträcka sig över flera kilometer.

"Frisläppandet av Summit -superdatorn möjliggör större simuleringar som ytterligare kommer att skjuta gränserna för vår förståelse för dessa komplexa multiskala system, "Sa McClure.