Моделирование подповерхностного потока и переноса веществ в различных масштабах

Учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории представили метод, который позволяет преодолеть вычислительные трудности при моделировании подземных процессов, происходящих как в микромасштабе (десятки-сотни микрометров — размер частиц грунта и пор), так и в значительно более крупных масштабах. Исследователи впервые провели моделирование порового потока и переноса на большом, дециметровом объёме.

Преодолевая разрыв между малыми и большими пространственными масштабами, новый метод моделирования может пролить свет на влияние процессов на уровне пор на явления полевого масштаба. Это открывает путь к более точным оценкам рисков загрязнения подземных вод и разработке более эффективных стратегий восстановления.

Для моделирования использовался образец природной пористой среды с широким диапазоном размеров зёрен. Учёные сравнили результаты симуляций с данными колоночных экспериментов на том же образце. Для неинвазивного сканирования образца применялась рентгеновская компьютерная томография (XCT), а для расчётов использовались высокопроизводительные коды на суперкомпьютере. Поскольку томография не могла обеспечить достаточное разрешение для идентификации пор в мелкозернистых областях, содержащих ил и глину, команда разработала многоуровневый подход к сегментации, разделив образец на области твёрдого материала, пор и пористого твёрдого вещества. Сравнение двух стратегий сегментации показало, что только моделирование на основе тройной сегментации, учитывающей неразрешимые поры, дало результаты, согласующиеся с экспериментальными наблюдениями. Это подтвердило способность метода успешно моделировать поровый поток в объёме, соответствующем масштабу колонки.