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对于位于冻土上的油气管线的长度方向截面的热学分析

为了预测在管线影响下的土地融化这个问题的数值解,已经在Frost 3D Universal软件中通过一个有着5千8百50万节点的计算网格实现了。 在Frost 3D Universal软件中的计算在一个4核CPU上要花大概70小时并且使用17GB的内存。我们已经在先前对这个模型进行了低精度离散化仿真:计算网格包含有2千2百30万个节点,而这并不足以让我们将细小的元素比如说隔热材料考虑进去。使用NVIDIA 泰坦图形加速器的情况下,对于20年期间的土地融化情况的预测花了大约7小时。

管线的长度方向截面模型

一条油气管线的长度截面模型

由于该问题的特殊性质-对沿着500米长,直径为1.2米的油气管线的长度方向部分做土地融化形成仿真-提供一个庞大的数据计算网格是十分必要的。这个部分的特点是有着复杂的地质岩性结构的土壤,而其中也包含有蓄冰层。 总计有21种土地类型和各种热物理性质在这单独的一部分中出现了。在日照平面上的海拔差异的35米也已经被考虑进来了。

靠近石油管线的土地离散化

在石油管线下的复杂的土地地质岩性结构

因此,为了获得一个有质量,有细节的管线离散处理,同时也把土地复杂的地质岩性结构和细小的隔热材料考虑进去,我们建立了一个庞大的有着5千8百50万节点的计算网格。

石油管线和隔热材料的离散化

计算网格靠近管线和隔热材料附近的细节图

地层的离散化以及石油管线部分的海拔差

地质层和海拔差异在油气管线的长度截面的离散化

在市场上对于这样富有挑战性的问题的求解有着很高的需求,而我们回应的是实现了概念崭新的插件架构的Frost 3D Universal软件,并且有能力处理亿万级别的计算网格。我们的新架构,通过实现对软件进行功能分割为逻辑部件(插件)而大大减少了对应用内存的需要,每一个插件在内存中被单独且互相独立的加载。这个方法能够让每个插件单独升级而不用修改整个应用程序。

石油管线下冻土的融泡

在油气管线下冻土中的融泡

由于热油流经管道而造成的冻土融化

由于加热过的石油通过管线而造成的冻土融化

为了节省内存和显存,我们开发出了创新性的解决方案来实现Frost 3D Universal软件包中对电脑资源需求密集的软件模块:

1) 在数学解算器中,对浮点数的算术运算现在是在单精度情况下进行的(浮点类型用来代替双精度类型)。为了避免与双精度运算相比降低精度,计算目标结果(比如说温度)从单精度浮点数的全部范围转换为一个子集,而这子集在问题被解决后会被改变。

2) 计算网格模块,为了64-bit CPU 架构而开发,现在是建立在下列元素的基础上的:
a) 最新的算法通过源目标来决定计算网格的占有率;
b) 更快的处理速度和解决冲突速度;
c) 优化运行机制的阈限内存选择和清理。

3) 计算结果的3D可视化,为了64-bit CPU架构和显示卡而开发,现在能够通过产生一个哈希数据结构来预处理计算网格。而这大大减少了显存开支同时也不会影响到显示质量。而且,最新的NVIDIA图像加速器指令和像素点缓冲器都被用上了,在显示好几百万的计算网格时还能保持300fps的刷新频率。

在石油管线被埋的冻土区域的温度等温线

靠近油气管线附近的永冻土的热分布

 

 

项目样例:

 

FROST 3D UNIVERSAL

能够进行以下热工程计算的软件包:

 

  • 永冻土的热加固
  • 人工土地冻结

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从一开始,Simmakers有限公司的专家团队就表现出了高度的专业精神,他们在敲定合约以前对问题实施了详细的预备研究;我们对该方法印象十分深刻。

D.G. Dolgikh
副总裁
Fundamentstroyarkos RPA 有限公司,俄罗斯

 

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