Математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена

Построена математическая модель для изучения локально-неравновесных во времени геомиграционных процессов солевых растворов в условиях массообмена. Поставлена соответствующая нелинейная краевая задача и приведен алгоритм получения ее приближенного решения. Побудовано математичну модель для вивчення л...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Компьютерная математика
Дата:2012
Автори: Булавацкий, В.М., Гладкий, А.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2012
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84702
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена / В.М. Булавацкий, А.В. Гладкий // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2012. — № 2. — С. 3-9. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-84702
record_format dspace
spelling Булавацкий, В.М.
Гладкий, А.В.
2015-07-13T15:18:56Z
2015-07-13T15:18:56Z
2012
Математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена / В.М. Булавацкий, А.В. Гладкий // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2012. — № 2. — С. 3-9. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
ХХХХ-0003
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84702
517.954:532.546
Построена математическая модель для изучения локально-неравновесных во времени геомиграционных процессов солевых растворов в условиях массообмена. Поставлена соответствующая нелинейная краевая задача и приведен алгоритм получения ее приближенного решения.
Побудовано математичну модель для вивчення локально-нерівноважних у часі геоміграційних процесів сольових розчинів за умов масообміну. Поставлена відповідна нелінійна крайова задача та наведено алгоритм отримання її наближеного розв’язку.
The mathematical model for research of local - nonequilibrium geomigration process of solute solutions is constructed. The statement of corresponding nonlinear boundary-value problem and the algorithm of receipt of its approximation solution are given.
ru
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Компьютерная математика
Математическое моделирование
Математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена
Математичне моделювання локально-нерівноважного геоміграційного процесу за умов масообміну
Mathematical modeling of local-nonequilibrium geomigration process in conditions mass transfer
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена
spellingShingle Математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена
Булавацкий, В.М.
Гладкий, А.В.
Математическое моделирование
title_short Математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена
title_full Математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена
title_fullStr Математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена
title_full_unstemmed Математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена
title_sort математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена
author Булавацкий, В.М.
Гладкий, А.В.
author_facet Булавацкий, В.М.
Гладкий, А.В.
topic Математическое моделирование
topic_facet Математическое моделирование
publishDate 2012
language Russian
container_title Компьютерная математика
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
format Article
title_alt Математичне моделювання локально-нерівноважного геоміграційного процесу за умов масообміну
Mathematical modeling of local-nonequilibrium geomigration process in conditions mass transfer
description Построена математическая модель для изучения локально-неравновесных во времени геомиграционных процессов солевых растворов в условиях массообмена. Поставлена соответствующая нелинейная краевая задача и приведен алгоритм получения ее приближенного решения. Побудовано математичну модель для вивчення локально-нерівноважних у часі геоміграційних процесів сольових розчинів за умов масообміну. Поставлена відповідна нелінійна крайова задача та наведено алгоритм отримання її наближеного розв’язку. The mathematical model for research of local - nonequilibrium geomigration process of solute solutions is constructed. The statement of corresponding nonlinear boundary-value problem and the algorithm of receipt of its approximation solution are given.
issn ХХХХ-0003
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84702
citation_txt Математическое моделирование локально-неравновесного геоимиграционного процесса в условиях массообмена / В.М. Булавацкий, А.В. Гладкий // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2012. — № 2. — С. 3-9. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT bulavackiivm matematičeskoemodelirovanielokalʹnoneravnovesnogogeoimigracionnogoprocessavusloviâhmassoobmena
AT gladkiiav matematičeskoemodelirovanielokalʹnoneravnovesnogogeoimigracionnogoprocessavusloviâhmassoobmena
AT bulavackiivm matematičnemodelûvannâlokalʹnonerívnovažnogogeomígracíinogoprocesuzaumovmasoobmínu
AT gladkiiav matematičnemodelûvannâlokalʹnonerívnovažnogogeomígracíinogoprocesuzaumovmasoobmínu
AT bulavackiivm mathematicalmodelingoflocalnonequilibriumgeomigrationprocessinconditionsmasstransfer
AT gladkiiav mathematicalmodelingoflocalnonequilibriumgeomigrationprocessinconditionsmasstransfer
first_indexed 2025-11-24T16:23:46Z
last_indexed 2025-11-24T16:23:46Z
_version_ 1850485156881629184
fulltext Компьютерная математика. 2012, № 2 3 Математическое моделирование Построена математическая мо- дель для изучения локально-нерав- новесных во времени геомиграци- онных процессов солевых раство- ров в условиях массообмена. Пос- тавлена соответствующая нели- нейная краевая задача и приведен алгоритм получения ее прибли- женного решения.  В.М. Булавацкий, А.В. Гладкий, 2012 УДК 517.954:532.546 В.М. БУЛАВАЦКИЙ, А.В. ГЛАДКИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНО-НЕРАВНОВЕСНОГО ГЕОМИГРАЦИОННОГО ПРОЦЕС СА В УСЛОВИЯХ МАССООБМЕНА Введение. Вопросы математического моде- лирования пространственно-временных про- цессов геофильтрации и массопереноса представляют значительный интерес, прежде всего, при разработке современных геотех- нологий добычи полезных ископаемых а также при изучении вопросов охраны подзе- мных вод и водозаборов от загрязнений, яв- ляющихся результатом действия техноген- ных факторов человеческой деятельности (в частности, знание особенностей динамики геофильтрационных процессов играет важ- ную роль при решении задач охраны подзем- ных вод от загрязнений токсичным содержи- мым накопителей промстоков [1, 2]). Отметим, что математическое моделиро- вание геофильтрационных процессов, явля- ясь одним из важнейших направлений геои- нформатики и геогидродинамики, развива- ется преимущественно в предположении насыщенности массивов геопористой среды чистой водой [3]. Однако, в настоящее время особую актуальность приобретают исследо- вания в области математического моделиро- вания динамики указанных процессов в мас- сивах насыщенных солевыми растворами. При этом проведены комплексные исследо- вания в области математического моделиро- вания динамики геофильтрации солевых растворов при учете релаксационных свойств жидкости, релаксационных свойств пористо- В.М. БУЛАВАЦКИЙ, А.В. ГЛАДКИЙ Компьютерная математика. 2004, № 1 4 го скелета, учете неизотер- мичности процесса и термо- диффузии, теплового расши- рения жидкой фазы и другие. [4]. В.М. БУЛАВАЦКИЙ, А.В. ГЛАДКИЙ Компьютерная математика. 2012, № 2 4 В сложных горно-геологических условиях существенно проявляется нерав- новесность геофильтрационного процесса, которая обусловлена рядом причин, изложенных, например в [5]. Это приводит к необходимости разработки методов математического моделирования динамики локально-неравновесных геофильт- рационных процессов. Далее построена математическая модель для исследова- ния динамики процесса фильтрации и массопереноса солевых растворов в гео- пористой среде (в частности фрактальной структуры) в условиях сильной вре- менной нелокальности при учете массообмена с вмещающими породами. В рам- ках предложенной модели выполнена постановка соответствующей краевой задачи для массива конечной мощности с проницаемыми гранями и разработана методика приближенного решения указанной краевой задачи. 1. Построение математической модели процесса и постановка краевой задачи. Используем следующее обобщение геофильтрационного закона Дарси [3] на случай движения солевых растворов с учетом осмоса в условиях сильной временной нелокальности: 1 x t k p C u D x x −β  ∂ ∂= − + ν µ ∂ ∂  , (1) где xu – скорость фильтрации; p – давление; C − концентрация солей в жидкой фазе; k – коэффициент фильтрации; µ – вязкость жидкости; ν − коэффициент осмоса [2]; 1 tD −β – оператор дробного дифференцирования Римана – Лиувилля [6, 7] порядка 1− β (0 1< β ≤ ). Отсюда с учетом уравнения неразрывности [3] * 1 0xu p x t ∂ ∂+ β = ∂ ∂ (2) ( * 1β − коэффициент упругоемкости пласта), получаем уравнение для определе- ния фильтрационного давления в виде 2 2 1 2 2t p p C D t x x −β  ∂ ∂ ∂= κ − η ∂ ∂ ∂  (3) или 2 2 ( ) 2 2 ( , )t p C D p x t x x β ∂ ∂= κ − η ∂ ∂ , (4) где * 1 kκ = µβ , * 1 νη = β , ( ) tD β − оператор регуляризованной дробной производ- ной (по Капуто [6, 7]) порядка .β Предполагая наличие также условий сильной временной нелокальности для диффузионного процесса, будем исходить из следующего обобщения закона Фика: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНО-НЕРАВНОВЕСНОГО ... Компьютерная математика. 2012, № 2 5 1 1 t t x C q D d CJ u x −β −β∂ = − + ∂  , (5) где q − диффузионный поток, d − коэффициент диффузии, 1 tJ −β − дробный интеграл Римана – Лиувилля порядка 1− β [6]. Для получения уравнения кон- вективной диффузии растворимых веществ при геофильтрации солевых раство- ров запишем одномерное уравнение баланса массы с учетом межфазного массо- обмена в виде 0 C N q t t x ∂ ∂ ∂σ + + = ∂ ∂ ∂ , (6) где σ − пористость среды, N − концентрация вещества в твердой фазе. Тогда из соотношения (6), с учетом (1) и (5), в предположении слабой сжимаемости сре- ды получаем уравнение для определения концентрации солей жидкой фазе в виде: 2 1 2t C N C k p C C D d t t x x x x −β   ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂σ + = + − ν  ∂ ∂ ∂ µ ∂ ∂ ∂   (7) или 2 ( ) ( ) 2 ( , ) ( , )t t C k p C C D C x t D N x t d x x x x β β  ∂ ∂ ∂ ∂σ + = + − ν ∂ µ ∂ ∂ ∂  . (8) Обобщенное на случай временной нелокальности уравнение кинетики мас- сообмена с учетом уравнения неравновесной обратимой сорбции при изотерме Генри запишем в виде ( ) ( )tD N C Nβ = γ σ − α , (9) где α − коэффициент равновесного сорбционного распределения, γ − коэффи- циент скорости сорбции. Таким образом, неклассическая математическая модель геофильтрации со- левых растворов с учетом осмотических явлений в условиях массообмена и вре- менной нелокальности базируется на системе уравнений дробного порядка вида 2 2 ( ) 2 2 ( , )t p C D p x t x x β ∂ ∂= κ − η ∂ ∂ , (10) 2 ( ) ( ) 2 ( , ) ( , )t t C k p C C D C x t D N x t d x x x x β β  ∂ ∂ ∂ ∂σ + = + − ν ∂ µ ∂ ∂ ∂  , (11) где ( ) ( , )tD N x tβ определяется согласно (9). Эта модель обобщает на случай наличия локально-неравновесных во време- ни условий протекания процесса математическую модель равновесного массо- переноса солевых растворов в деформируемых пористых средах в условиях дей- ствия осмотических явлений [2]. Действительно, при 1β → из (10), (11) получа- ем соответствующие соотношения из [2]. В.М. БУЛАВАЦКИЙ, А.В. ГЛАДКИЙ Компьютерная математика. 2012, № 2 6 В рамках предложенной модели, моделирование динамики полей давлений и концентраций при геофильтрации в условиях временной нелокальности про- цесса сводится, например, в случае массива конечной мощности ,l к решению в области (0, ) (0, )l × + ∞ системы уравнений (9)–(11) с краевыми условиями (0, ) 0p t = , ( , ) 0p l t = , 0( ,0)p x p= , (12) 0(0, )C t C= , ( , ) 0 C l t x ∂ = ∂ , ( ,0) 0C x = , 0( , 0)N x N= , (13) где 0p – начальное давление в массиве, 0C – заданное значение концентрации солей на входе фильтрационного потока, 0N − заданная начальная концентра- ция вещества в твердой фазе. 2. Методика получения приближенного решения краевой задачи и вы- числительный алгоритм. Введем в рассмотрение сеточную область { }: ( 0, 1 )h i ix x ih i mω = = = + , где h −шаг сетки по геометрической пере- менной и поставим в соответствие задаче для вычисленя поля давлений (10), (12) дифференциально-разностную задачу вида ( )( ) ( ) 2 1 ( ) 2 ( ) ( )m tD u t T E u t w t h β = − +r r r , (14) (0) ,u e=r r (15) где обозначено [ ]1 2 0 0 0( ) ( ), ( ),..., ( ) , ( , ,..., ) , T T mu t p t p t p t e p p p= =r r [ ] ( ) 1 2 3 12 ( ) ( ), ( ), ..., ( ) (2 ) ( ) , T m mw t w t w t w t E T V t h η  = = − − ω  r rr [ ]1 2 1( ) ( ), ( ) ,..., ( ) , (1, 0,...,0) , T T mV t C t C t C t= ω = r r ( ),mT ( ) 3 mT – квадратные матрицы порядка ,m определенные в [8], E – единич- ная матрица порядка .m Введем также в рассмотрение P – трансформации векторов u r и w r соот- ношениями ( ) ( )ˆ ˆ( ) ( ), ( ) ( ),m mu t P u t w t P w t= = r rr r (16) где ( ) , 1 mm kj k j P p =  =   – фундаментальная матрица порядка m [8]. Умножая (14), (15) слева на матрицу ( ),mP с учетом соотношения [8] ( ) ( ) ( ) ( ) ,m m m mT P P= Λ где ( ) 1 2, ,...,m m Λ = λ λ λ −  диагональная матрица собственных чисел матрицы ( ),mТ получаем задачу в изображениях, записываемую в скалярной форме в виде МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНО-НЕРАВНОВЕСНОГО ... Компьютерная математика. 2012, № 2 7 ( ) ˆ ˆ ˆ( ) ( ) ( )t i i i iD u t u t w tβ − κ = ( 1, )i m= , (17) ˆ ˆ(0)i iu e= ( 1, )i m= , (18) где 2 1 ( 2),i ih κ = λ − 0 1 ˆ , m i ik k e p p = = ∑ ( )1 12 1 ˆ ( ) ( ) 2 ( ) ( ) . m i ik k k k k w t p C t C t C t h − + = η= − − +∑ Согласно [6] решение задачи (17), (18) запишем в виде ( )1 , 0 ˆ ˆ ˆ( ) ( ) ( ) ( ) ) ( ( 1, ) t i i i i iu t e E t t E t w d i mβ β− β β β β= κ + − τ κ − τ τ τ =∫ , (19) где ( )E zβ − функция Миттаг–Леффлера, , ( )E zα β − обобщенная функция Мит- таг – Леффлера [6]. Возвращаясь в соотношениях (19) к оригиналам по геометрической пере- менной, получаем точное решение исходной дифференциально-разностной за- дачи (14), (15) в виде следующей явной зависимости функции давления p от концентрации C : ( )1 1 1 0 ( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( ) ( 1, ), tm i i k k k ik k p t G t C C C t d i m− + = = − τ − τ + τ Φ − τ τ =∑∫ (20) где 1 1 ( ) ( ) m m i is sk s s k G t p p E tββ = = = κ∑∑ , 1 ,2 1 ( ) ( ) m ik is sk s s t t p p E t h β− β β β = ηΦ = κ∑ . Задача (11), (13) для вычисления полей концентраций решается численно. Для этого введем в рассмотрение сеточную область hτω = { }( , ) : ( 0, 1 ), ( 0, )i j i jx t x ih i m t j j n= = = + = τ = ( ,h τ − шаги сетки по гео- метрической переменной и времени соответственно) и используем, например, монотонную разностную схему А.А. Самарского, которая в обозначениях рабо- ты [9] запишется в виде ( ) ˆ ˆ ˆ ˆ( )t xx x xC C u C u C C Nβ + −σ∆ = χ + + − γ σ − α , (21) где d R χ = , 1 2 h u R d = + , ( )1 2 u u u± = ± , 0 0 x x u kp C= − ν . При этом в соотношении (21) оператор ( ) t β∆ обозначает дискретный аналог про- изводной дробного порядка ( ).tD β Согласно [10] можно записать j+1 ( ) ( ) t , 0 1 , (2 ) j j s t s s C b Cβ = ∆ = Γ − β ∑ (22) В.М. БУЛАВАЦКИЙ, А.В. ГЛАДКИЙ Компьютерная математика. 2012, № 2 8 где ( ) 1 1 1( 1) ( )j sb j s j s−β −β −β = τ − + − −  , 1 , s s t s C C C + −= τ , ( )Γ α − гамма- функция Эйлера. В классе достаточно гладких функций имеем ( ) tD uβ = ( ) ( )t u Oβ= ∆ + τ [10]. Расписывая в соотношении (21) соответствующие разностные операторы и приводя подобные члены, получаем следующую систему линейных алгебраи- ческих уравнений: 1 1 1 1 1 j j j j j j j i i i i i i iA C S C B C F+ + + − +− + = − ( 1, ; 0, )i m j n= = , (23) где обозначено 1 ( ) j j ji i iA u h h − χ= −    , 1 ( ) j j ji i iB u h h + χ= +    , , (2 ) j j j i i iS A Bβ σ= − γσ + + τ Γ − β 11 ( ) 0 1 . (2 ) s sj j j j ji i i i s i s C C F C b N +− β =  σ −= − + αγ Γ − β τ τ  ∑ Разностные уравнения системы (23) являются трехточечными и эффективно решаются методом прогонки [9]. Устойчивость метода прогонки для системы (23) вытекает из факта диагонального преобладания в матрице коэффициентов данной системы алгебраических уравнений. Концентрация N вещества в твердой фазе находится с учетом (9) в явном виде: ( )1 0 , 0 ( , ) ( ) ( ) ( ) ( , ) t N x t N E t t E t C x dβ β− β β β β= −αγ + σγ − τ −αγ − τ τ τ∫ . (24) Вычислительный алгоритм для приближенного решения рассматриваемой задачи состоит в последовательном вычислении величин C , p и N согласно (21), (20) и (24). Заключение. Рассмотренная в работе математическая модель позволяет чи- сленно моделировать динамику процессов переноса при геофильтрации солевых растворов в локально-неравновесных по времени условиях при наличии массо- обмена. Учет явления временной нелокальности миграционного процесса и яв- ления массообмена при выработке инженерных решений, например, в области проектирования систем экологически безопасного функционирования поверхно- стных накопителей промышленных и бытовых стоков в сложных горно- геологических условиях и геосредах фрактальной структуры позволит избежать ряда ошибок в прогнозировании степени безопасности указанных объектов. В.М. Булавацький, А.В. Гладкий МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ЛОКАЛЬНО-НЕРІВНОВАЖНОГО ГЕОМІГРАЦІЙНОГО ПРОЦЕСУ ЗА УМОВ МАСООБМІНУ Побудовано математичну модель для вивчення локально-нерівноважних у часі геоміграцій- них процесів сольових розчинів за умов масообміну. Поставлена відповідна нелінійна крайо- ва задача та наведено алгоритм отримання її наближеного розв’язку. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНО-НЕРАВНОВЕСНОГО ... Компьютерная математика. 2012, № 2 9 V.M. Bulavatsky, A.V. Gladky MATHEMATICAL MODELING OF LOCAL-NONEQUILIBRIUM GEOMIGRATION PROCESS IN CONDITIONS MASS TRANSFER The mathematical model for research of local - nonequilibrium geomigration process of solute solu- tions is constructed. The statement of corresponding nonlinear boundary-value problem and the algorithm of receipt of its approximation solution are given. 1. Булавацький В.М., Кривонос Ю.Г., Скопецький В.В. Некласичні математичні моделі про- цесів тепло- та масопереносу. − К.: Наук. думка, 2005.− 283 с. 2. Власюк А.П., Мартинюк П.М. Математичне моделювання консолідації грунтів в процесі фільтрації сольових розчинів.– Рівне: Вид-во УДУВГП, 2004. – 211 с. 3. Баренблатт Г.И., Ентов В.Н., Рыжик В.М. Движение жидкостей и газов в природных пластах. – М.: Недра, 1984. – 303 с. 4. Бомба А.Я., Булавацький В.М., Скопецький В.В. Нелінійні математичні моделі процесів геогідродинаміки. – К.: Наук. думка, 2007. – 292 с. 5. Хасанов М.М., Булгакова Г.Т. Нелинейные и неравновесные эффекты в геологически сложных средах. – Москва – Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. – 288 с. 6. Kilbas A.A., Srivastava H.M., Trujillo J.J. Theory and applications of fractional differential equations. – Amsterdam: Elsevier, 2006. – 523 p. 7. Чикрий А.А., Матичин И.И. Об аналоге формулы Коши для линейных систем произволь- ного дробного порядка // Доп. НАН України, 2007. – № 1. – С. 50–55. 8. Положий Г.Н. Численное решение двумерных и трехмерных краевых задач математиче- ской физики и функции дискретного аргумента. – Киев: Вища школа, 1962. – 161 с. 9. Самарский А.А. Теория разностных схем. – М.: Наука, 1977. – 656 с. 10. Таукенова Ф.И., Шхануков–Лафишев М.Х. Разностные методы решения краевых задач для дифференциальных уравнений дробного порядка // Журн. вычислительной матема- тики и математической физики. – 2006. – 46, № 10. – С. 1871–1881. Получено 10.09.2012 Об авторах: Булавацкий Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины, e-mail: v_bulav@ukr.net Гладкий Анатолий Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом Института кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины.