On digital rock simulations of multiphase flow with discontinuous Galerkin methods
Digital Rock nennt sich ein moderner Digitalisierungsprozess der Öl-und-Gas-Industrie zur Vorhersage von Fluid-Fels-Interaktion, an dem das Interesse insbesondere aufgrund von zunehmend verfügbarer Computerleistung und der Weiterentwicklung von Bildverarbeitung stetig wächst. Hierbei wird Mehrphasenfließen durch poröses ölhaltiges Felsgestein auf der Millimeterskala simuliert; die Porenstruktur muss dabei explizit aufgelöst werden, um dann mittels Upscaling auf makroskopische Größen wie relative Permeabilität Rückschlüsse zu ziehen. Daten wie diese tragen zur Optimierung von tertiärer Ölgewinnung bei, die ohne Digitalisierung kostenintensive Laborexperimente zur Erhebung erfordern würden. Die komplexe Porengeometrie, das große Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis und die Rauheit der Oberfläche stellen u.a. für die Modellierung der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse, deren numerische Approximation und algorithmische Umsetzung eine Herausforderung dar.
Florian Frank hat im Rahmen seiner Habilitationsschrift neuartige numerische Verfahren entwickelt, um effizient und robust den Transport unmischbarer Fluidphasen durch den Porenraum zu simulieren. Diese Verfahren sind von ihm und seinen Mitautorinnen und -autoren theoretisch analysiert, numerisch validiert und mittels eines neu geschriebenen parallelen C++-Digital-Rock-Prototypen gegen physikalische Benchmarks getestet worden. Da die Rechengebiete sehr groß und komplex sind, und Simulationen daher sehr viel Rechenzeit benötigen, ist ein spezielles p-Mehrgitter-Verfahren erarbeitet worden, um das Lösen zu beschleunigen. Der Kontaktwinkel zwischen Fluidphasengrenze und Gestein spiegelt die Benetzungseigenschaft der Oberfläche wider. Eine neue energiebasierte Randbedingung ist hergeleitet worden, die bei rauen Oberflächen eine physiktreue Simulation ermöglicht. In Zusammenarbeit mit dem Chemieingenieurwesen hat Florian Frank neue Algorithmen zur Berechnung von Grenzflächenkonzentrationsprofilen konstruiert, die sowohl stabiler als auch effizienter sind als die etablierten. Er gehört zu den Hauptentwicklern der FAU Open-Source-Bibliothek FESTUNG, die inzwischen in zahlreichen Publikationen, Dissertationen und BSc/MSc-Arbeiten als Werkzeug verwendet worden ist. Franks Habilitationsschrift verbindet die Disziplinen Mathematische Modellierung, Numerik, High-Performance-Computing, Physik, Geowissenschaften, Thermodynamik und Chemieingenieurwesen.
On digital rock simulations of multiphase flow with discontinuous Galerkin methods
Digital Rock nennt sich ein moderner Digitalisierungsprozess der Öl-und-Gas-Industrie zur Vorhersage von Fluid-Fels-Interaktion, an dem das Interesse insbesondere aufgrund von zunehmend verfügbarer Computerleistung und der Weiterentwicklung von Bildverarbeitung stetig wächst. Hierbei wird Mehrphasenfließen durch poröses ölhaltiges Felsgestein auf der Millimeterskala simuliert; die Porenstruktur muss dabei explizit aufgelöst werden, um dann mittels Upscaling auf makroskopische Größen wie relative Permeabilität Rückschlüsse zu ziehen. Daten wie diese tragen zur Optimierung von tertiärer Ölgewinnung bei, die ohne Digitalisierung kostenintensive Laborexperimente zur Erhebung erfordern würden. Die komplexe Porengeometrie, das große Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis und die Rauheit der Oberfläche stellen u.a. für die Modellierung der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse, deren numerische Approximation und algorithmische Umsetzung eine Herausforderung dar.
Florian Frank hat im Rahmen seiner Habilitationsschrift neuartige numerische Verfahren entwickelt, um effizient und robust den Transport unmischbarer Fluidphasen durch den Porenraum zu simulieren. Diese Verfahren sind von ihm und seinen Mitautorinnen und -autoren theoretisch analysiert, numerisch validiert und mittels eines neu geschriebenen parallelen C++-Digital-Rock-Prototypen gegen physikalische Benchmarks getestet worden. Da die Rechengebiete sehr groß und komplex sind, und Simulationen daher sehr viel Rechenzeit benötigen, ist ein spezielles p-Mehrgitter-Verfahren erarbeitet worden, um das Lösen zu beschleunigen. Der Kontaktwinkel zwischen Fluidphasengrenze und Gestein spiegelt die Benetzungseigenschaft der Oberfläche wider. Eine neue energiebasierte Randbedingung ist hergeleitet worden, die bei rauen Oberflächen eine physiktreue Simulation ermöglicht. In Zusammenarbeit mit dem Chemieingenieurwesen hat Florian Frank neue Algorithmen zur Berechnung von Grenzflächenkonzentrationsprofilen konstruiert, die sowohl stabiler als auch effizienter sind als die etablierten. Er gehört zu den Hauptentwicklern der FAU Open-Source-Bibliothek FESTUNG, die inzwischen in zahlreichen Publikationen, Dissertationen und BSc/MSc-Arbeiten als Werkzeug verwendet worden ist. Franks Habilitationsschrift verbindet die Disziplinen Mathematische Modellierung, Numerik, High-Performance-Computing, Physik, Geowissenschaften, Thermodynamik und Chemieingenieurwesen.
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Foto: FAU
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