Моделирование установившейся фильтрации жидкости в кусочно-неоднородной упругопористой области в классе почти-периодических функций (плоская задача)

Бесплатный доступ

При моделировании фильтрации жидкости в пористой среде принято считать коэффициент фильтрации постоянным, в результате чего решение упрощается и сводится к краевой задаче для уравнения Лапласа. В настоящей работе строятся с помощью обобщенного дискретного преобразования Фурье почти-периодические по Бору аналитические решения плоской задачи установившейся фильтрации жидкости в упругопористой кусочно-неоднородной области. Область представляет собой полосу, состоящую нескольких слоев (полос) с различными упругими и фильтрационными характеристиками. В предположении, что коэффициент фильтрации упругопористой среды зависит от первого инварианта тензора напряжений, считаем его линейно-зависимым от координаты, изменяющейся вдоль ширины полосы. Задача фильтрации сводится к решению системы дифференциальных уравнений в частных производных с заданными граничными условиями на верхней и нижней границах всей многослойной полосы и условиями на внутренних линиях раздела сред, которая, в свою очередь, сводится к решению задачи Коши для системы обыкновенных дифференциальных уравнений Бесселя. Все решения в данной работе получены в виде абсолютно сходящихся рядов Бора - Фурье, коэффициенты которых выражаются через заданные функции. Смоделирована фильтрация жидкости в трехслойной полосе, состоящей из слоев различных легких и достаточно упругопористых осадочных и магматических горных пород. Построены графики искомых механических параметров. Показана их сходимость к граничным условиям и условиям на линиях раздела сред. В работе также приведены основные сведения, касающиеся свойств почти-периодических функций и обобщенного дискретного преобразования Фурье, необходимые для более детального понимания проблемы.

Еще

Моделирование, фильтрация жидкости, упругопористая среда, кусочно-неоднородная область, обобщенное дискретное преобразование фурье, почти-периодическая функция, коэффициент фильтрации

Короткий адрес: https://sciup.org/146282665

IDR: 146282665   |   УДК: 532.5   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.2.05

Modeling of steady-state liquid filtration in a piecewise inhomogeneous elastic-porous medium in the class of almost-periodic functions (plane problem)

When modeling liquid filtration in a porous medium, it is assumed that the filtration coefficient is constant, as a result of which the solution is simplified and reduced to a boundary value problem for the Laplace equation. In this paper, the almost periodic of Bohr analytical solutions of the plane problem of steady-state liquid filtration in an elastic - porous piecewise inhomogeneous domain are constructed using a generalized discrete Fourier transform . The domain is a strip consisting of several layers (strips) with different elastic and filtration parameters. Assuming that the filtration coefficient of an elastic-porous medium depends on the first invariant of the stress tensor, we consider it linearly dependent on the coordinate varying along the bandwidth. The filtration problem is reduced to solving a system of partial differential equations with specified boundary conditions on the upper and lower boundaries of the entire multilayer strip and conditions on the internal lines of the media interface, which in turn is reduced to solving the Cauchy problem for a system of Bessel ordinary differential equations. All solutions in this paper are obtained in the form of absolutely convergent Bohr-Fourier series, the coefficients of which are expressed in terms of given functions. Fluid filtration in a three-layer strip consisting of various light and sufficiently elastic-porous sedimentary and igneous rock layers is modeled. Graphs of the desired mechanical parameters are constructed. Their convergence to boundary conditions and conditions on the interface lines of media is shown. The paper also provides basic information concerning the properties of almost-periodic functions and the generalized discrete Fourier transform necessary for a more detailed understanding of the problem.

Еще

Список литературы Моделирование установившейся фильтрации жидкости в кусочно-неоднородной упругопористой области в классе почти-периодических функций (плоская задача)

  • Голубев Г.В., Тумашев Г.Г. Фильтрация несжимаемой жидкости в неоднородной пористой среде. - Казань: издательство Казанского университета, 1972. - 195 с.
  • Bashurov V.V., Vaganova N.A., Filimonov M.Y. Numerical simulation of thermal conductivity processes with fluid filtration in soil // Computational technologies. - 2011. - Vol. 16, no. 4. - P. 3-18.
  • Ravshanov N., Kurbonov N., Mukhamadiev A. An Approximate Analytical Solution of the Problem of Fluid Filtration in the Multilayer Porous Medium // International Journal of Computational Methods. - 2016. - Vol. 13, no. 6. - P. 1-10. DOI: 10.1142/S0219876216500420
  • Badriev I.B., Banderov V.V., Signatullin M.Y. Numerical investigation of nonlinear filtration problems of high-viscosity fluids in porous media // Applied Mechanics and Materials. -2015. - Vol. 740. - P. 672-675.
  • Mikishanina E. The Study of Fluid Filtration through Elastic-Porous Materials // Materials Science and Engineering. -2020. - Vol. 753. - P. 022025. DOI: 10.1088/1757-899X/753/2/022025
  • Леонтьев Н.В. Основы теории фильтрации. - М.: МАКС Пресс, 2017. - 88 с.
  • Шейдеггер А.Э. Физика течения жидкостей через пористые среды. - М.: Гостоптехиздат, 1960. - 252 с.
  • Polubarinova-Kochina P. Ya. Theory of Filtration of Liquids in Porous Media // Advances in Applied Mechanics. - 1951. -Vol. 2. - P. 153-225. DOI: 10.1016/S0065-2156(08)70301-6
  • Binshan Ju, Yushu Wu, Tailiang Fan. Study on fluid flow in nonlinear elastic porous media: Experimental and modeling approaches // Journal of Petroleum Science and Engineering. -2011. - Vol. 76, no. 3-4. - P. 205-211. DOI: 10.1016/j.petrol.2011.01.010
  • Showalter R.E. Poroelastic filtration coupled to Stokes flow // Control theory of partial differential equations. - Chapman and Hall/CRC. - 2005. - P. 243-256.
  • Метан угольных пластов: чистая энергия для всего мира / Д. Боскович [и др.] // Нефтегазовое обозрение. - 2009. -Т. 21, № 2. - С. 4-17.
  • Terntiev A.G. Deep water technology: problem and solution // World Maritime Technology Conf. - Saint-Petersburg, 2012. - P. 1-7.
  • Микишанина Е.А. Исследование коэффициента фильтрации упругопористой среды при плоской деформации // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. - 2019. - Т. 29, № 3. - С. 396-407. DOI: 10.20537/vm190309
  • Цытович Н.А. Механика грунтов. - М.: Высшая школа, 1979. - 272 с.
  • Chernyshev S.N., Zommer T.V., Lavrusevich A.A. Calculation methodology for defining the filtration coefficient of a rock mass with loose crack filler // Power Technology and Engineering. - 2017. - Vol. 51. - P. 414-417. DOI: 10.1007/s10749-017-0848-2
  • Левитан Б.М. Почти-периодические функции. - М.: ГИТТЛ, 1953. - 396 с.
  • Осипов В.Ф. Почти-периодические функции Бора-Френеля. - СПб.: Издательство Санкт-Петербургского государственного университета, 1952. - 308 с.
  • Кулагина М.Ф. О некоторых бесконечных системах с разностными индексами // Изв. вузов. Математика. - 1992. -№ 3. - С. 18-23.
  • Кулагина М.Ф. Об интегральных уравнениях в средних значениях в пространствах почти-периодических функций // Изв. вузов. Математика. - 1993. - № 8. - С. 19-29.
  • Кулагина М.Ф., Микишанина Е.А. Построение почти-периодических решений некоторых систем дифференциальных уравнений // Математические заметки СВФУ. - 2015. -Т. 5, № 3. - С. 11-19.
  • Микишанина Е.А. Построение почти-периодических решений некоторых систем диффеенциальных уравнений в задачх теории фильтрации // Information Technologies for Intel-legent Decision Making Support (ITIDS'2016). - УФА, 2016. - C. 138-141.
  • Терентьев А.Г., Казакова А.О, Микишанина Е.А. Численное решение полигармонических уравнений в механике сплошных сред // Information Technologies for Intellegent Decision Making Support (ITIDS'2018). - УФА, 2018. - C. 34-42.
  • Казакова А.О., Терентьев А.Г. Численное решение краевых задач для полигармонического уравнения // Журнал вычислительной математики и математической физики. -2012. - Т. 52, № 11. - С. 2050-2059.
  • Garcia A.L. Numerical methods for physics. - Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 2000. - 423 p.
  • Stakgold I. Boundary Value Problems of Mathematical Physics. - Vol. 1. Society for Industrial and Applied Mathematics. -2000. DOI: 10.10631/1.30340864
  • Polozhii G.N. The method of summary representation for numerical solution of problems of mathematical physics. - Elsevier, 1965(2014). DOI: 10.2307/2003491
  • Микишанина Е.А. Краевые задачи для неоднородных систем полигармонических уравнений с приложениями в теории тонких оболочек и пластин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2019. - № 4. - С. 136-144. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.4.13
  • Снеддон И.Н. Преобразование Фурье / под. ред. Ю.Л. Рабиновича. - М.: Издательство иностранной литературы, 1955. - 667 с.
  • Партон В.З., Перлин П.И. Методы математической теории упругости. - М.: Наука, 1981. - 688 с.
  • Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. - М.: Наука, 1977. - 632 с.
  • Уфлянд Я.С. Интегральные преобразования в задачах теории упругости. - Л.: Наука, 1968. - 402 с.
  • Debnath L., Bhatta D. Integral transforms and their applications. - Chapman and Hall/CRC, 2006. 728 p. DOI: 10.1201/9781420010916
  • Zhdanov M.S. Integral transforms in geophysics. -Springer Science & Business Media, 2012. - 367 p.
  • Баденко В.Л., Баденко Г.В. Специальные разделы высшей математики. Математическая физика: учеб. пособие. -СПб., 2014. - 55 с.
  • Olver F.W.J., Maximon L.C. Bessel functions // NIST Handbook of Mathematical Functions, Cambridge University Press, Cambridge. - 2010. - P. 215-286 (Chapter 10).
  • Микишанина Е.А., Терентьев А.Г. Об определении напряженного состояния упруго-пористой среды // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. - 2017. - Т. 159, кн. 2. -С. 204-215.
Еще