Diep onder het aardoppervlak, olie en grondwater sijpelen door gaten in gesteente en ander geologisch materiaal. Verborgen uit het zicht, deze kritieke bronnen vormen een grote uitdaging voor wetenschappers die de toestand van dergelijke tweefasige vloeistofstromen willen evalueren. Gelukkig, de combinatie van supercomputing en op synchrotron gebaseerde beeldvormingstechnieken maakt nauwkeuriger methoden mogelijk voor het modelleren van vloeistofstroming in grote ondergrondse systemen zoals oliereservoirs, putten voor koolstofvastlegging, en grondwaterlagen.

Onderzoekers onder leiding van computerwetenschapper James McClure van Virginia Tech gebruikten de 27-petaflop Titan-supercomputer in de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) om een ​​geometrisch model te ontwikkelen dat slechts een paar belangrijke metingen vereist om te karakteriseren hoe vloeistoffen zijn gerangschikt in poreus gesteente - dat is, hun geometrische toestand.

De OLCF is een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Oak Ridge National Laboratory van DOE. De resultaten van het team zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling Vloeistoffen anno 2018.

Het nieuwe geometrische model biedt geologen een manier om de vloeibare toestand op unieke wijze te voorspellen en een bekende tekortkoming te verhelpen die verband houdt met modellen die al meer dan een halve eeuw worden gebruikt.

Rond de eeuwwisseling van de 20e eeuw, de Duitse wiskundige Hermann Minkowski toonde aan dat 3D-objecten worden geassocieerd met vier essentiële maten:volume, oppervlakte, integrale gemiddelde kromming, en Euler-karakteristiek. Echter, in de traditionele rekenmodellen voor ondergrondse stroming, de volumefractie biedt de enige maatstaf voor de vloeibare toestand en is voor de grootste nauwkeurigheid afhankelijk van observatiegegevens die in de loop van de tijd zijn verzameld. Gebaseerd op Minkowski's fundamentele analyse, deze traditionele modellen zijn onvolledig.

"De wiskunde in ons model is anders dan het traditionele model, maar het werkt heel goed, " zei McClure. "Het geometrische model karakteriseert de microstructuur van het medium met behulp van een zeer beperkt aantal maatregelen."

Om het resultaat van Minkowski op het complex toe te passen, meerfasige vloeistofconfiguraties gevonden in poreus gesteente, Het team van McClure moest een grote hoeveelheid gegevens genereren, en Titan leverde de extreme rekenkracht die nodig was.

Werken met internationale medewerkers, het team selecteerde vijf micro-computertomografie (microCT) datasets verzameld door röntgensynchrotrons om de microscopische structuur van echte rotsen weer te geven. De datasets omvatten twee zandstenen, een zandpakket, een carbonaatgesteente, en een synthetisch poreus systeem dat bekend staat als Robuglas. Het team heeft ook een gesimuleerd pakket bollen toegevoegd.

Binnen elke rots, duizenden mogelijke vloeistofconfiguraties werden gesimuleerd en geanalyseerd, in totaal meer dan 250, 000 vloeistofconfiguraties. Met behulp van de simulatiegegevens, het team kon aantonen dat er een unieke relatie bestaat tussen de vier geometrische variabelen, de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie modellen die de vloeistoftoestand voorspellen vanuit theorie in plaats van te vertrouwen op een historische set gegevens.

"Relaties waarvan ooit werd gedacht dat ze inherent afhankelijk waren van de geschiedenis, kunnen nu worden heroverwogen op basis van rigoureuze meetkundige theorie, ' zei McClure.

Het team gebruikte de open source Lattice Boltzmann voor Porous Media (LBPM) code, ontwikkeld door McClure en genoemd naar de statistiekgestuurde Boltzmann-methode die de vloeistofstroom over een reeks schalen sneller berekent dan berekeningen met eindige methoden, die het meest nauwkeurig zijn op kleine schaal. De LBPM-code, die Titan's GPU's gebruikt om vloeistofstroomsimulaties te versnellen, wordt vrijgegeven via het Open Porous Media Initiative, die open-sourcecodes voor de onderzoeksgemeenschap onderhoudt.

"Lattice Boltzmann-methoden presteren zeer goed op GPU's, " zei McClure. "In onze implementatie, de simulatie draait op de GPU's, terwijl de CPU-kernen informatie analyseren of de toestand van de vloeistoffen wijzigen."

Met uitzonderlijke rekensnelheden, het team was in staat om ongeveer elke 1 de simulatiestatus te analyseren 000 tijdstappen, of bij ongeveer elke minuut rekentijd.

"Hierdoor konden we een zeer groot aantal gegevenspunten genereren die kunnen worden gebruikt om niet alleen de geometrische toestand te bestuderen, maar ook andere aspecten van de stromingsfysica terwijl we verder gaan, ' zei McClure.

Er zijn grotere simulaties nodig om te bestuderen hoe de diverse eigenschappen en microstructuur van echte rotsen het gedrag van de geometrische relatie over lengteschalen beïnvloeden. Een nieuwe generatie supercomputers, zoals het nieuwste systeem van de OLCF - de IBM AC922 Summit met 200 petaflops - zal nodig zijn om stromingsfysica te verbinden over lengteschalen die variëren van poriën van nanometer tot millimeter met reservoirs die meerdere kilometers kunnen overspannen.

"De release van de Summit-supercomputer maakt grotere simulaties mogelijk die de grenzen van ons begrip voor deze complexe multischaalsystemen verder zullen verleggen, ' zei McClure.