Вычислительные проблемы моделирования природных и индустриальных процессов в Арктической зоне Российской Федерации презентация

Федерации

Чл-корр. РАН, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой информатики и вычислительной математики МФТИ
Игорь Борисович Петров,
petrov@mipt.ru

морской, а также в условиях Арктики
Численное моделирование в геологии
Численное моделирование экспериментов по исследованию прочностных характеристик льда

и обратные задачи электроразведки;
Комплексные задачи сеймо- и электроразведки;
Расчет механических и прочностных характеристик льда, как твердого деформируемого тела;
Задачи миграции (дрейфа) крупных ледовых образований (КЛО);
Задачи безопасности морских стационарных ледостойких платформ (МСЛСП) и плавающих (якорных) платформ нефтегазовой промышленности при воздействии природных факторов (ЛО);
Задачи заторашивания МСЛП;
Моделирование процессов образования КЛО;
Расчет на прочность нефтегазо-проводов, наземных и поддонных;
Проблемы безопасного плавания судов ледового класса при наличии КЛО;
Посадка самолета на плавающую льдину (ледовое поле).

периодических и сейсмических нагрузок на технические сооружения в Арктике.
Климатические задачи Арктики.
Прогнозирование динамики ледовой обстановки с учетом обработки данных наблюдений в воздушном и водном бассейнах Арктики.
Обнаружение “метановых бомб” на Ямале.
Задачи геомеханики (расчет локализации контактных поверхностей в геологических средах).
Определение положения газоносных слоев вблизи скважины (задачи безопасности скважин).
Расчет поля температур в КЛО с учетом фазовых переходов, солнечной радиации и разрушения льда при их движении в Северных морях.
Расчет жизненного цикла ледового острова с учетом тепловых, радиационных и механических нагрузок.
Проблема связи в Арктической зоне РФ.
Проблема жизнеобеспечения в условиях низких температур.

до конца решенных проблем:

масштабный эффект: обобщение результатов лабораторных экспериментов (измеренные механические, прочностные и др. параметры) на натурные полномасштабные эксперименты;
неоднородность параметров льда и толщины ледяного поля: параметры неоднородности зависят от природных условий, требуют сбора натурных данных и статистической обработки; из-за неполноты исходных данных в некоторых случаях используются вероятностные подходы;
сложная кристаллическая структура льда: морской лёд анизотропный (трансверсально-изотропный) ;
морской лёд слоистый: у каждого слоя свои механические и прочностные параметры, которые зависят от температуры, солёности, пористости;
существование скоростных режимов: на малых скоростях в зоне контакта наблюдается перекристаллизация льда, образование микротрещин из-за сдвиговых напряжений и таяние граничного слоя, что в совокупности называют пластическим режимом; режим поведения на высоких скоростях называют хрупким.

разрушения: трещины, характерные для твердого тела, а также смесь из раскрошенного льда и более крупных осколков; это и определяет «пилообразный» вид нагрузки на опору;
необходимость значительного измельчения расчётной сетки в области контакта в случае тонкого ледяного поля и широкого основания опоры ведёт к значительному увеличению требуемых вычислительных ресурсов;
ввиду того, что практический интерес представляют как пиковые, так и средние нагрузки на опору, а максимальные скорости движения ледяных полей порядка 0.1 м/с, то при использовании явных схем интегрирования по времени необходимо вычислить миллионы шагов по времени;
эффективный способ распараллеливания алгоритма контактного взаимодействия большого числа объектов на многопроцессорных вычислительных системах;
значительные затраты машинного времени из-за того, что характерные времена процесса существенно превышают акустические (и, соответственно, курантовский шаг).

collision with a bergy bit incorporating hydrodynamics, a validated ice model and damage to the vessel // Cold regions. Science and Technology, 2012.

Презентация ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

// Cold regions. Science and Technology, V. 52, N. 3, 2008.

и трещин

Арктики

(важно при 3D инверсии)

Не мельче 50 м

Ex
Частотная и временная область

Источник во льду, без резервуара

Источник на дне Источник на дне, без резервуара

Источник во льду, без резервуара, 0.135 сек.

Источник на дне, 0.0675 сек. Источник в воде, без резервуара, 0.0675 сек.

Источник на дне, без резервуара

Источник во льду Источник во льду, без резервуара

Источник на дне, без резервуара

Источник во льду Источник во льду, без резервуара

пластического (объемного) разрушения в случае превышения величины пластической деформации порогового значения

измеряется величина приложенной нагрузки от осевого смещения

На внутренней картине разрушения синим цветом показано разрушение по критерию на растяжение, красным – объёмное разрушение ячеек

локальных растяжений.
Наименее подвержены разрушению конические области, находящиеся в непосредственном контакте с прессом.
Внутри образца преобладает объёмное разрушение, в результате чего лёд крошится в мелкую крошку.

закреплённой границы

льда.

По оси X отложен номер временного отсчёта (интервал между отсчётами 0.00023c), по оси Y – сила сжатия пресса, Н.

центральный расчёт соответствует типовому значению, слева предел увеличен, справа - уменьшен

экологически чистой энергии, который может быть доставлен по морю в различные страны, но вместе с тем представляет серьезную угрозу при катастрофах.

РИС. 1. Конечно-элементная модель танкера.

РИС. 2. Распределение напряжений при ударе.

Моделирование столкновения танкера с причалом
Институт автоматизации проектирования РАН. Н/рук. темы д.ф.-м.н. В.Л.Якушев

C-130H Hercules.

a)

b)

масса автомобиля – 2.2т; скорость – 15м/с; толщина льда – 0.26м. (ИПМ РАН)

зоне (a) и в выделенном Арктическом регионе России (b). (ИВМ РАН)

a)

b)