Trono Figueras, Renato (2022) Desarrollo y simulación de alta resolución de un modelo simplificado de corrientes de turbidez / Development and high-resolution simulation of a simplified model of turbidity currents. Proyecto Integrador Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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| PDF (Tesis) Español 6Mb |
Resumen en español
En este trabajo se desarrolla, implementa, valida y evalúa un modelo de bajo costo computacional para simular corrientes de turbidez submarinas, las cuales son flujos turbulentos submarinos que transportan sedimentos. Los sedimentos y la materia orgánica, y el mecanismo por el cual se depositan en el lecho marino, pueden dar lugar a yacimientos de petróleo y gas. Así, el estudio de las corrientes de turbidez es fundamental para llevar a cabo prospección petrolera off-shore, lo cual es de gran interés en Argentina debido a la influencia que tiene la industria del petróleo en la economía del país. Sin embargo, como consecuencia de las grandes dimensiones de las corrientes de turbidez, las simulaciones de alta resolución y a gran escala resultan muy costosas computacionalmente, con cálculos que requieren meses en más de mil procesadores. El modelo desarrollado en el presente trabajo, llamado Improved Turbidity Current with a Roof (ITCR), tiene como objetivo reproducir, mediante cálculos de bajo costo computacional en relación al modelo a gran escala, las características fundamentales de una corriente de turbidez submarina si se tiene como input el perfil de concentración de sedimentos de la misma, el cual puede medirse experimentalmente. Esto permite identificar rápidamente casos de particular interés que ameriten simulaciones más precisas. El Modelo ITCR se basa en un modelo precursor del grupo de investigación en el que se enmarca este trabajo; el Modelo TCR, el cual sirve para simular un flujo con sedimentos dentro de un canal cerrado, con techo en su parte superior. Gracias a condiciones de borde periódicas en la dirección del flujo, puede utilizarse un dominio pequeño modelando un flujo desarrollado, con un bajo costo computacional. El Modelo ITCR aprovecha eso y además permite forzar en el flujo un perfil de concentración media de sedimentos. Dado que la concentración es la fuerza impulsora de las corrientes de turbidez, forzando un perfil de concentración correspondiente a una de estas corrientes se puede capturar gran parte de la fenomenología de la misma, aún con la presencia del techo del canal. La implementación del Modelo ITCR consistió en el desarrollo de un algoritmo que permite realizar el forzado de concentración media, y en la programación de dicho algoritmo en Fortran77, lenguaje en el que se basa el solver utilizado en este trabajo para realizar los cálculos. El solver mencionado, Nek5000, permite resolver explícitamente las ecuaciones de Navier-Stokes y del transporte de escalares abarcando todas las es calas del flujo, lo que se conoce como simulación numérica directa (DNS). Para validar el modelo se constató que el mismo produce los mismos resultados que el Modelo TCR cuando se lo aplica a casos TCR. Esto se hizo a través de la comparación de resultados con un caso TCR mostrado en Cantero et al. 2009 [5]. Para evaluar el modelo, se compararon resultados con los de un modelo a gran escala mostrados en Salinas et al. 2021 (a y b) [6] [7], de alto costo computacional, y con mediciones experimentales de laboratorio mostradas en Sequeiros et al. 2010 [8]. Se obtuvo que el Modelo ITCR reproduce satisfactoriamente, en forma cualitativa, una corriente de turbidez en régimen subcrítico y parcialmente bien una corriente de turbidez en régimen supercrítico, con las mayores diferencias en la zona superior del flujo. Aún así, podría mejorarse la precisión cuantitativa de los resultados. En cuanto a la comparación con mediciones experimentales, los perfiles de velocidad media en la dirección del flujo se correlacionan de forma aceptable con los medidos, especialmente los correspondientes a casos subcríticos. Sin embargo, se considera que debe mejorarse la precisión del Modelo ITCR antes de utilizarlo para analizar en detalle corrientes de turbidez experimentales.
Resumen en inglés
In this work, a low-cost computational model is developed, implemented, validated and tested to simulate submarine turbidity currents, which are submarine turbulent flows that transport sediments. These sediments and the mechanism by which they are deposited on the seabed can give rise to oil and gas deposits. Thus, the study of turbidity currents is essential to carry out offshore oil prospecting, which is of great interest in Argentina due to the influence that the oil industry has on the country’s economy. However, due to the large dimensions of turbidity currents, full-scale, highresolution simulations are computationally very expensive, with calculations taking months on more than a thousand processors. The model developed in the present work, named Improved Turbidity Current with a Roof (ITCR), aims to reproduce, through less expensive computational calculations than the full-scale model, the fundamental characteristics of a submarine turbidity current if its sediment concentration profile is provided as an input, which can be measured experimentally. This allows to quickly identify cases of particular interest that merit more precise simulations. The ITCR Model is based on a precursor model of the research group; the TCR Model, which allows simulating a flow with sediments in a closed channel, with a roof on its upper part. Thanks to periodic boundary conditions in the flow direction, a small domain can be used and the flow can be developed in loop, obtaining low computational cost. The ITCR Model takes advantage of this and also allows forcing an average sediment concentration profile into the flow. Since the sediment concentration is the driving force behind turbidity currents, forcing a concentration profile corresponding to one of these currents can capture much of its phenomenology, even with the presence of the channel roof. The implementation of the ITCR Model consisted in the development of an algorithm that allows forcing the average concentration profile, and in the programming of that algorithm in Fortran77, the language of the solver used in this work. The solver Nek5000 allows to explicitly solve the Navier-Stokes and the scalar transport equations covering all flow scales, which is known as direct numerical simulation (DNS). The model reproduces the same results as the TCR Model when applied to TCR cases, which was validated through the comparison of results with a TCR case shown inCantero et al. 2009 [5]. To test the model, results were compared with those of a full-scale model shown in Salinas et al. 2021 (a and b) [6] [7], of high computational cost, and with experimental laboratory measurements shown in Sequeiros et al. 2010 [8]. The ITCR Model satisfactorily reproduces, qualitatively, a turbidity current in a subcritical regime and partially well a turbidity current in a supercritical regime, with problems in the upper zone of the channel. Regarding the comparison with experimental measurements, the mean velocity profiles in the direction of the flow correspond in an acceptable way with those measured, especially those corresponding to subcritical cases. However, it is considered that the accuracy of the ITCR Model should be improved before using it to analyze experimental turbidity currents in detail.
| Tipo de objeto: | Tesis (Proyecto Integrador Ingeniería Mecánica) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Turbulence; Turbulencia; Sediments; Sedimentos; Turbidity; Turbidez; [Turbidity currents; Corrientes de turbidez] |
| Referencias: | [1] Quarteroni, A. Numerical models for differential problems. Springer, 2014. vi, 23 [2] Canuto, C., Hussaini, M. Y., Quarteroni, A., Zang, T. A. Spectral methods: evolution to complex geometries and applications to fluid dynamics. Springer, 2007. vi, 24 [3] Fischer, P. F. Implementation considerations for the oifs/characteristics approach to convection problems. Mathematics and computer science divison, Argonne National Laboratory. vi, 27 [4] H., G. M. Turbidity currents. Encyclopedia of Earth System Science, 1992. ix, 2 [5] Cantero, M. I., Balachandar, S., Cantelli, A., Pirmez, C., Parker, G. Turbidity current with a roof: Direct numerical simulation of self-stratified turbulent channel flow driven by suspended sediment. Journal of Geophysical Research, 114, 2009. ix, xiv, xv, 3, 4, 14, 18, 39, 40, 64 [6] Salinas, J. S., Balachandar, S., Shringarpure, M., Fedele, J., Hoyal, D., Zuñiga, S., et al. Anatomy of subcritical submarine flows with a lutocline and an intermediate destruction layer. Nature Communications, 12, 2021. ix, xiv, xvi, 2, 3, 5, 17, 18, 19, 47, 48, 49, 51, 54, 64 [7] Salinas, J. S., Balachandar, S., Cantero, M. I. Control of turbulent transport in supercritical currents by three families of hairpins vortices. Physical Review Fluids, 6, 2021. ix, xiv, xvi, 3, 5, 18, 19, 47, 54, 58, 64 [8] Sequeiros, O. E., Spinewine, B., Beaubouef, R. T., Sun, T., Garcia, M. H., Parker, G. Characteristics of Velocity and Excess Density Profiles of Saline Underflows and Turbidity Currents Flowing over a Mobile Bed. Journal of Hydraulic Engineering, 136, 2010. xiv, xvi, 47, 58, 65 [9] García, M. H. Sedimentation engineering: Processes, measurements, modeling, and practice. American Society of Civil Engineers, 2008. 2, 39 [10] White, F. M. Fluid mechanics. McGraw-Hill, 2015. 10 [11] Pope, S. B. Turbulent flows. Cambridge University Press, 2000. 14, 36 [12] Shringarpure, M. S., Cantero, M. I., Balachandar, S. Mechanism of Complete Turbulence Suppression in Turbidity Currents Driven by Mono-disperse and Bidisperse Suspension of Sediment. Journal of Computational Multiphase Flows, 6, 2014. 16 [13] Chong, M. S., Perry, A. E., Cantwell, B. J. A general calssification of threedimensional flow fields. Phys. Fluids, 2, 1990. 20 [14] Chakraborty, P., Balachandar, S., Adrian, N. J. On the relationships between local vortex identification schemes. Journal of Fluid Mechanics, Cambridge University Press, 535, 2005. 20 [15] Deville, M. O., Fischer, P. F., Mund, E. H. High-order methods for incompressible fluid flow. Cambridge University Press, 2004. 25, 69, 70 [16] Nek5000: Computational Fluid Dynamics Code. https://www.anl.gov/mcs/ nek5000-computational-fluid-dynamics-code. Accedido: 27 de marzo de 2022. 28 [17] Rocksclusters website. http://www.rocksclusters.org/. Accedido: 6 de junio de 2022. 32 [18] Slurm Workload Manager. https://slurm.schedmd.com/. Accedido: 6 de junio de 2022. 32 [19] MobaXterm website. https://mobaxterm.mobatek.net/. Accedido: 6 de junio de 2022. 32 [20] Vreman, A. W., Kuerten, G. M. Comparison of direct numerical simulation databases of turbulent channel flow at Reτ = 180. Physics of Fluids, 26, 2014. 34 |
| Materias: | Ingeniería mecánica > Mecánica computacional |
| Divisiones: | Aplicaciones de la energía nuclear > Tecnología de materiales y dispositivos > Mecánica computacional |
| Código ID: | 1083 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 18 Jul 2022 10:38 |
| Última Modificación: | 18 Jul 2022 10:38 |
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