Numerické řešení modelu proudění v porézní hornině s puklinou

Podobné dokumenty
Literatura: Kapitola 2 d) ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

Literatura: Kapitoly 3, 4 a 2 d) ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Stabilizace Galerkin Least Squares pro

Otázku, kterými body prochází větev implicitní funkce řeší následující věta.

Diferenciální rovnice 3

Řešení 1D vedení tepla metodou sítí a metodou

Limita ve vlastním bodě

Polynomy a interpolace text neobsahuje přesné matematické definice, pouze jejich vysvětlení

Matematika (KMI/PMATE)

em do konce semestru. Obsah Vetknutý nosník, str. 8 Problém č.8: Průhyb nosníku - Ritzova metoda

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

Numerická matematika. Zadání 25. Řešení diferenciální rovnice Rungovou Kuttovou metodou

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

Vzpěr jednoduchého rámu, diferenciální operátory. Lenka Dohnalová

5.3. Implicitní funkce a její derivace

Rovinná úloha v MKP. (mohou být i jejich derivace!): rovinná napjatost a r. deformace (stěny,... ): u, v. prostorové úlohy: u, v, w

Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)

l, l 2, l 3, l 4, ω 21 = konst. Proved te kinematické řešení zadaného čtyřkloubového mechanismu, tj. analyticky

0.1 Úvod do matematické analýzy

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

sin(x) x lim. pomocí mocninné řady pro funkci sin(x) se středem x 0 = 0. Víme, že ( ) k=0 e x2 dx.

řešeny numericky 6 Obyčejné diferenciální rovnice řešeny numericky

Úvodní informace. 17. února 2018

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

Diferenciální rovnice

Budeme hledat řešení y(x) okrajové úlohy pro diferenciální rovnici druhého řádu v samoadjungovaném tvaru na intervalu a, b : 2 ) y i p i+ 1

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

Učební osnovy Vzdělávací oblast: Matematika a její aplikace Vzdělávací obor: Matematický kroužek pro nadané žáky ročník 9.

Průhyb ocelového nosníku. Nezatížený a rovnoměrně zatížený nosník

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Diferenciál a Taylorův polynom

f(x) = arccotg x 2 x lim f(x). Určete všechny asymptoty grafu x 2 2 =

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

Monotonie a lokální extrémy. Konvexnost, konkávnost a inflexní body. 266 I. Diferenciální počet funkcí jedné proměnné

Aproximace funkcí. x je systém m 1 jednoduchých, LN a dostatečně hladkých funkcí. x c m. g 1. g m. a 1. x a 2. x 2 a k. x k b 1. x b 2.

Derivace funkce Otázky

1 Mnohočleny a algebraické rovnice

Goniometrické rovnice

ANALÝZA KONSTRUKCÍ. 5. přednáška

Wolfram Alpha. v podobě html stránky, samotný výsledek je často doplněn o další informace (např. graf, jiné možné zobrazení výsledku a

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Derivace funkce DERIVACE A SPOJITOST DERIVACE A KONSTRUKCE FUNKCÍ. Aritmetické operace

Matematická analýza III.

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

19 Eukleidovský bodový prostor

Matematické modely a způsoby jejich řešení. Kateřina Růžičková

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

Aplikace derivace a průběh funkce

Laplaceova transformace

VI. Derivace složené funkce.

Matematika 1 pro PEF PaE

Ondřej Peisar

Soustavy lineárních rovnic

VYUŽITÍ MATLABU PRO VÝUKU NUMERICKÉ MATEMATIKY Josef Daněk Centrum aplikované matematiky, Západočeská univerzita v Plzni. Abstrakt

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

1 Diference a diferenční rovnice

Matematika I (KX001) Užití derivace v geometrii, ve fyzice 3. října f (x 0 ) (x x 0) Je-li f (x 0 ) = 0, tečna: x = 3, normála: y = 0

Extrémy funkce dvou proměnných

Matematika vzorce. Ing. Petr Šídlo. verze

9. cvičení z Matematické analýzy 2

Software pro modelování chování systému tlakové kanalizační sítě Popis metodiky a ukázka aplikace

2. LIMITA A SPOJITOST FUNKCE

4 Numerické derivování a integrace

Parciální diferenciální rovnice

Funkce a limita. Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

1. sin(x + y) = sin(x) cos(y) + cos(x) sin(y) pro x, y R, cos(x + y) = cos(x) cos(y) sin(x) sin(y) pro x, y R;

Numerické metody a statistika

Nerovnice, grafy, monotonie a spojitost

Téma je podrobně zpracováno ve skriptech [1], kapitola

INTEGRÁLY S PARAMETREM

(K611MSAP) prof. Miroslav Vlček. 24. února Ústav aplikované matematiky Fakulta dopravní ČVUT

8. Okrajový problém pro LODR2

Matematika pro všechny

Jana Dannhoferová Ústav informatiky, PEF MZLU

Regresní analýza 1. Regresní analýza

Aplikovaná matematika I

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

14. přednáška. Přímka

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

Komplexní analýza. Fourierovy řady. Martin Bohata. Katedra matematiky FEL ČVUT v Praze

Derivace funkce. Přednáška MATEMATIKA č Jiří Neubauer

Nyní využijeme slovník Laplaceovy transformace pro derivaci a přímé hodnoty a dostaneme běžnou algebraickou rovnici. ! 2 "

13.1. Úvod Cílem regresní analýzy je popsat závislost hodnot znaku Y na hodnotách

Integrace. Numerické metody 7. května FJFI ČVUT v Praze

- funkce, které integrujete aproximujte jejich Taylorovými řadami a ty následně zintegrujte. V obou případech vyzkoušejte Taylorovy řady

Numerické řešení diferenciálních rovnic

6 Potenciály s δ funkcemi II

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Mocninná funkce: Příklad 1

Matematická analýza ve Vesmíru. Jiří Bouchala

Výpočtové nadstavby pro CAD

Limita a spojitost LDF MENDELU

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

1 Polynomiální interpolace

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ROVNIC

Transkript:

Numerické řešení modelu proudění v porézní hornině s puklinou Martin Hanek Úvod Vedoucí práce prof. RNDr. Pavel Burda, CSc. Zajímá nás jednofázová tekutina v puklině porézní horniny. Studie je provedena v měřítku, v němž mohou být pukliny modelovány individuálně. Pukliny mají malou šířku a jsou považovány za razhraní mezi podoblastmi. Také předpokládáme, že pukliny jsou zaplněné sutí, a že průtok v puklině se řídí Darcyho zákonem. Rozlišujeme dva typy puklin: pukliny, které mají propustnost větší než v okolním prostředí a ty, u kterých je propustnost nižší než v okolním prostředí. V hornině s prvně jmenovyným typem pukliny má tekutina tendenci proudit do pukliny a pak podél ní. V tomto případě by se nemělo očekávat, že Darcyho rychlost bude stejná na obou stranách pukliny. V důsledku toho, že puklina je považována za rozhraní, normalová složka rychlosti nemusí být spojitá přes toto rozhraní. Starší model popsaný Alboinem, Jaffrém a Robertsem [] byl založen na předpokladu, že propustnost v lomu byla velká a skok v normalové složce rychlosti přes rozhraní byl povolen. Nicméně, když má puklina menší propustnost, přirozeně má tekutina tendenci se vyhnout puklině, což ve skutečnosti představuje geologické bariéry. Dvě geologické vrstvy oddělené bariérou mají málo kontaktu. Je tedy pochopitelné, že tlak nemusí být stejný na obou stranách pukliny. V tomto případě tlak není spojitý v celé puklině-rozhraní. Tady presentujeme model, který zobecňuje ten dřívějsí, takže se vypořádá s malými i velkými propustnostmi puklin [2]. Starší model předpokládá spojitost tlaku přes rozhraní. Toto už není případ tohoto modelu. Cílem této práce je numericky vyřešit matematický model proudění tekutiny v porézní hornině s puklinou popsaný rovnicemi ()-(6). K tomu užijeme diferenční metodu. Pro porovnání výsledků využijeme analytické řešení tohoto matematického modelu, které bylo získáno pomocí Fourierovy metody. 2 Matematický model Nechť Ω je jednorozměrná oblast (, ) a Ω 2 je dvourozměrná oblast (, ) (, ), zahrnující systém rovnic: k 2 p 2 (x, y) = na Ω 2 () p 2 (x, ) = P 2 (2) k 2 p 2 y (x, ) = σ(p 2(x, ) p (x)) (3) a p 2 (, y) = p 2 (, y) = (4) k p (x) = σ(p 2 (x, ) p (x)) (5) p () = P a p () = (6)

kde k je kapalinová vodivost na jednorozměrné prasklině, k 2 je kapalinová vodivost na dvourozměrné čtvercové oblasti, σ je vodní výměný koeficient mezi dvou a jednorozměrnou oblastí, P je Dirichletova okrajová podmínka na levém okraji oblasti Ω a P 2 je Dirichletova okrajová podmínka na horním okraji oblasti Ω 2. 3 Analytické řešení Řešení p (x) a p 2 (x, y) na oblasti Ω respektive na oblasti Ω 2 pomocí rozvoje řad pro k =, k 2 =, P = 2, P 2 = a σ = : kde p 2 (x, y) = P 2 B + B y 2B n= σ p (x) = P 2 B u cosh(( x) ) 2B k ( an cos(πnx)sinh(nπ( y)) ) (7) u n cos(πnx) (8) n= a n = B = σk 2 k 2 πn cosh(πn)(σ + k π 2 n 2 ) + σk π 2 n 2 sinh(πn), (9) u n = a nσ sinh(πn) σ + k π 2 n 2, () (P 2 P )σ k σk2 cotgh( σ/k ) + σ k + 2σ k n= u n, () u = k 2 B k σ sinh( σ/k ). (2) 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 2.2.4.6.8 Obrázek : p (x,y) 2

2 4 6 8.5.2.4.6.8 Obrázek 2: p 2 (x,y) 4 Řešení pomocí diferenční metody Popíšeme nyní řešení systému rovnic ()-(6) pro neznámé funkce p (x) a p 2 (x, y) na oblasti Ω respektive na oblasti Ω 2 pomocí diferenční metody: Ekvidistatní dělení intervalu < a, b > uzly x i = a + ih, i =,, 2,..., n, h = b a n, nazveme sítí, číslo h > krokem sítě. Metodou sítí získáme přibližné hodnoty Y i (Y i = y(xi ) = y i ) ve vnitřních uzlech x i, i =, 2,..., n. V hraničních uzlech x = a a x n = b máme hodnoty y a y n (případně y, y n) zadané okrajovou podmínkou. Hodnoty Y i, i =, 2,..., n, získáme řešením tzv. soustavy síťových rovnic [3]. Výrazy pro první a druhé derivace pro dosazení do lineárních (síťových) rovnic získáme pomocí využití Taylorova polynomu: První derivace p 2 (x, y) podle x: p 2 (x + h, y) = p 2 (x, y) + p 2(x, y) h + O(h 2 ) p 2 (x + h, y) p 2 (x, y) = p 2(x, y) h + O(h 2 ) O(h 2 ) je zbylá část polynomu, kterou zanedbáme a dostaneme vztah: p 2 (x, y) p 2(x + h, y) p 2 (x, y) h Obdobně dostaneme vstah pro první derivaci p 2 (x, y) podle y: p 2 (x, y) y p 2(x, y + h) p 2 (x, y) h 3

Druhá derivace p 2 (x, y) podle x: p 2 (x + h, y) = p 2 (x, y) + p 2(x, y) h + 2 p 2 (x, y) h 2 2 2 + O(h3 ) p 2 (x h, y) = p 2 (x, y) p 2(x, y) h + 2 p 2 (x, y) h 2 2 2 + O(h3 ) Rovnice spolu sečteme a zbytek polynomu O(h 3 ) zanedbáme: A dostaneme vztah: p 2 (x + h, y) + p 2 (x h, y) 2p 2 (x, y) + 2 p 2 (x, y) 2 h 2 2 p 2 (x, y) 2 p 2(x h, y) 2p 2 (x, y) + p 2 (x + h, y) h 2 Obdobně dostaneme vstah pro druhou derivaci p 2 (x, y) podle y: A pro druhou derivaci p (x) : 2 p 2 (x, y) y 2 p 2(x, y h) 2p 2 (x, y) + p 2 (x, y + h) h 2 p (x) p (x h) 2p (x) + p (x + h) h 2 Vytvořením sítě vzniknou uzlové body, které s přihlédnutím k okrajovým podmínkám očíslujeme podle obrázku (síť s krokem.2): 4

Předchozí vztahy aplikujeme na původní zadání a do každé rovnice dosadíme uzlové body. Tím nám vznikne soustava n lineárních rovnic pro n neznámých. Soustavu řešíme pomocí programu v Matlabu s nastavitelným krokem sítě. 5 Numerické výsledky Řešení pro síť s krokem h =.2, a pro k =, k 2 =, P = 2, P 2 = a σ = : 9.5 9.55 9.6 9.65 9.7 9.75 9.8 9.85 9.9 9.95 2.2.4.6.8 Obrázek 3: p (x) 2 4 6 8.5.2.4.6.8 Obrázek 4: p 2 (x), y 5

6 Závěr Účelem bylo ověřit správnost řešení přes Fourierovy řady porovnáním s výpočtem přes metodu sítí. Proto spočítáme rozdílovou funkci pro p (x) jako rozdíl funkčních hodnot přes metodu sítí mínus funkční hodnoty přes Fourierovy řady (pro N členů rovnic (7), (8) a ()):.2.4.6.8..2.2.4.6.8 X: Y:.6 Obrázek 5: Rozdílová funkce pro p (x) s N = 25 a h =, 4.2.4.6.8. X: Y:.6.2.2.4.6.8 Obrázek 6: Rozdílová funkce pro p (x) s N = 5 a h =, 2 Z grafu je vidět, že největší rozdíl je v bodě x =, a že se zmenšováním kroku sítě a se zvětšujícím počtem členů řady se rozdíl zmenšuje. Lze tedy usoudit,že je možno plně nahradit metodu sítí těmito vzorci. To je žádoucí vzhledem k menšímu počtu početních operací a ke spojitosti funkcí p (x) a p 2 (x,y), což nám umožní získat hodnotu v kterémkoli bodě oblasti. 6

7 Literatura [] C. ALBOIN, J. JAFFRÉ, J. E. ROBERTS, AND C. SERRES, Domain decomposition for flow in fractured porous media, jorstad, M. Cross, and O. B. Widlund, eds., Domain Decomposition Press, Bergen, Norway, 999, pp. 365-373. [2] V. MARTIN, J. JAFFRÉ, AND J. E. ROBERTS, Modeling fractures and barriers as interfaces for flow in porous media, Siam J. Sci. Comput., 26, 25, pp. 667-69. [3] J. BENDA, R. ČERNÁ, Numerická matematika doplňkové skriptum, Vydavatelství ČVUT, Praha, 2. 7