chemického modulu programu Flow123d

Testovací úlohy pro ověření funkčnosti chemického modulu programu Flow123d Lukáš Zedek, Jan Šembera 20. prosinec 2010

Abstrakt Předkládaná zpráva představuje přehled funkcionalit a výsledky provedených testů propojení simulačních softwarů Flow123D pro transport kontaminantů podzemní vodou a Semchem pro simulaci chemických procesů.

Obsah 1 Testy chemie 3 1.1 Počáteční a okrajové podmínky, materiálové vlastnosti,....... 3 1.2 Modely s mobilní porozitou..................... 4 1.2.1 Vypnutá chemie, referenční model............. 4 1.2.2 Kinetika s nulovými kinetickými mocninami........ 5 1.2.3 Kinetika - implicitní schema - dechlorace trichlorethenu. 6 1.2.4 Kinetika - explicitní schema - dechlorace trichlorethenu. 7 1.2.5 Rovnováha - protolýza vody................. 8 1.2.6 Simulace obou typů reakcí.................. 9 1.3 Modely s imobilní porozitou..................... 10 1.3.1 Vypnutá chemie, referenční model............. 10 1.3.2 Kinetika - im-/explicitní schema - dechlorace trichlorethenu 11 1.3.3 Rovnováha - protolýza vody................. 12 1.3.4 Simulace obou typů reakcí.................. 13 2 Testy transportu ovlivněného chemií 14 2.1 Počáteční a okrajové podmínky, materiálové vlastnosti...... 15 2.2 Model s mobilní porozitou...................... 16 2.2.1 Transport bez vlivu chemie................. 16 2.2.2 Vliv kinetiky s nulovými kinetickými mocninami..... 17 2.2.3 Vliv kinetiky - implicitní schema - dechlorace trichlorethenu 18 2.2.4 Vliv kinetiky - explicitní schema - dechlorace trichlorethenu 19 1

2.2.5 Vliv rovnováhy - protolýza vody.............. 20 2.2.6 Simulace obou typů reakcí.................. 21 2.3 Model s dvojí porozitou....................... 22 2.3.1 Transport bez vlivu chemie................. 22 2.3.2 Vliv kinetiky - implicitní schema - dechlorace trichlorethenu 23 2.3.3 Vliv kinetiky - explicitní schema - dechlorace trichlorethenu 24 2.3.4 Vliv rovnováhy - protolýza vody.............. 25 2.3.5 Simulace obou typů reakcí.................. 26 Pro počítání chemie musí být zapnutý transport. 2

Kapitola 1 Testy chemie 1.1 Počáteční a okrajové podmínky, materiálové vlastnosti,... Obrázek 1.1: Geometrie modelu pro simulaci reakcí bez transportu Pro testování funkčnosti chemického modulu programu Flow123D byla vytvořena sada testovacích úloh s geometrií obsahující 3 tetraedrické elementy (viz obrázek 1.1). Na tyto elementy byly zadány takové okrajové podmínky proudění, aby nedocházelo k transportu (tj. na celé geometrii byl nastaven nulový spád piezomet- 3

rické výšky). Společně pro všechny testy chemie byly použity vstupní soubory sit.mtr, sit.msh, sit.fbc, sit.ngh, sit chem.bcd, sit chem.tic. Testovací úlohy chemie zahrnovaly simulaci: kinetické reakce reprezuntující dechloraci trichlorethenu, 2MnO4 + C 2Cl 3 H 3Cl + 2CO 2 + 2MnO 2 + H + s nulovými kinetickými mocninami reagujících látek, s nenulovými kinetickými mocninami, implicitní schema, s nenulovými kinetickými mocninami, explicitní schema, rovnovážné reakce představující protolýzu vody, H + + OH H 2 O, obou typů reakcí najednou. 1.2 Modely s mobilní porozitou Modely pracující s geometriemi, u kterých byla uvažována pouze mobilní porozita, byly počítány s revizí 783 programu Flow123d. 1.2.1 Vypnutá chemie, referenční model Aby bylo výsledky simulace chemických reakcí s čím porovnat, byl vytvořen referenční model transportu kontaminantů bez chemických reakcí. Jednotlivé chemické látky lze v grafu identifikovat podle počáteční podmínky. V pořadí od nejmenší počáteční podmínky k nejvyšší přísluší jednotlivé křivky látkám C 2 Cl 4, MnO4, C 2Cl 3 H, H +, OH, Cl. Podle očekávání zůstaly koncentrace sledovaných látek po celou dobu simulace rovné hodnotě dané právě počáteční podmínkou (viz 1.2). cesta:.../test ulohy/simulace/samotna chemie/mobil por/flow M CH off/ vstupní soubory: flow M CH off.ini výstupní soubory: chemie M off.pos, transport M off.pos 4

Obrázek 1.2: Geometrie modelu pro simulaci reakcí bez transportu 1.2.2 Kinetika s nulovými kinetickými mocninami První simulovanou chemickou rekcí byla dechlorace trichlorethenu manganistanem. Tato reakce má kinetický průběh. Pro jednoduchost byly mocniny v modelu kinetické reakce nejprve nastaveny na hodnotu 0. Tomu odpovídá očekávaný lineární pokles (resp. nárůst) koncentrací sledovaných látek, které se reakce účastní. Správnost předpokladu potvrzuje graf 1.3. Je v něm patrný pokles koncentrace manganistanu a trichlorethenu, zatímco koncentrace Cl roste. cesta:.../test ulohy/simulace/samotna chemie/mobil por/flow M CH kin zero/ vstupní soubory: flow M CH kin zero.ini výstupní soubory: chemie M kin zero.pos, transport M kin zero.pos 5

Obrázek 1.3: Geometrie modelu pro simulaci reakcí bez transportu 1.2.3 Kinetika - implicitní schema - dechlorace trichlorethenu Dechlorace trichlorethenu byla simulována také s nenulovými mocninami v modelu kinetické reakce. Pokles množství reaktantů a nárůst koncentrace produktu se projevil i v tomto případě, ale průběh změny koncentrací si nezachoval lineární charakter (viz 1.4). Vývoj koncentrací byl v tomto případě počítán za použití implicitního výpočetního schematu. cesta:.../test ulohy/simulace/samotna chemie/mobil por/flow M CH kin impl/ vstupní soubory: flow M CH kin impl.ini výstupní soubory: chemie M kin impl.pos, transport M kin impl.pos 6

Obrázek 1.4: Geometrie modelu pro simulaci reakcí bez transportu 1.2.4 Kinetika - explicitní schema - dechlorace trichlorethenu Průběh vývoje koncentrací získaný simulací dechlorace tetrachloethenu pomocí explicitního schematu ukazuje obrázek 1.5. Výsledky dosažené s použitím implicitního a explicitního schematu se shodují. cesta:.../test ulohy/simulace/samotna chemie/mobil por/flow M CH kin expl vstupní soubory: flow M CH kin expl.ini výstupní soubory: chemie M kin expl.pos, transport M kin expl.pos Obrázek 1.5: Geometrie modelu pro simulaci reakcí bez transportu 7

1.2.5 Rovnováha - protolýza vody Otestování simulace rovnovážné reakce bylo provedeno na modelu protolýzy vody. Vzhledem k úvaze, která předpokládá rychlost rovnovážné reakce za nekonečně velkou vzhledm k rychlosti transportu, se dá očekávat skoková změna koncentrací reaktantů a produků v prvním kroku simulace. Graf 1.6 tento předpoklad potvrzuje. Modré křivky odpovídající koncentarcím reaktentů (H +, OH ) se hned v prvním kroku simulace ustálí na hodnotě různé od počáteční podmínky. cesta:.../test ulohy/simulace/samotna chemie/mobil por/flow M CH kin eq vstupní soubory: flow M CH eq.ini výstupní soubory: chemie M eq.pos, transport M eq.pos Obrázek 1.6: Geometrie modelu pro simulaci reakcí bez transportu 8

1.2.6 Simulace obou typů reakcí Obrázek 1.7 ukazuje vývoj koncentrací ovlivněný oběma typy dříve samostatně testovaných chemických reakcí (dechlorací a protolýzou). cesta:.../test ulohy/simulace/samotna chemie/mobil por/flow M CH both vstupní soubory: flow M both.ini výstupní soubory: chemie M both.pos, transport M both.pos Obrázek 1.7: Geometrie modelu pro simulaci reakcí bez transportu 9

1.3 Modely s imobilní porozitou Modely pracující s geometriemi, u kterých byla uvažována duální porozita, byly počítány s revizí 431 programu Flow123d. 1.3.1 Vypnutá chemie, referenční model Jako referenční model byla opět nejprvě provedena simulace bez chemických reakcí. Obrázek 1.8 ukazuje srovnání s výsledky modelu bez chemie, spočítaného s geometrií s mobilní porozitou. Postupný pokles koncentrací v mobilních pórech aktuálně uvažovaného modelu je vyvolán mechanismem difuze řízeným procesem výměny koncentrace s imobilními póry. cesta:.../test ulohy/simulace/samotna chemie/imobil por/flow I CH off/ vstupní soubory: flow I CH off.ini výstupní soubory: chemie I off.pos, transport I off.pos Obrázek 1.8: Geometrie modelu pro simulaci reakcí bez transportu 10

1.3.2 Kinetika - im-/explicitní schema - dechlorace trichlorethenu Výsledky simulace dechlorace trichlorethenu počítané jak za pomoci implicitního, tak explicitního schematu a porovnané s koncentracemi modelu bez chemických reakcí zachycuje obrázek 1.9. cesta:.../test ulohy/simulace/samotna chemie/imobil por/flow I CH kin impl/ vstupní soubory: flow I CH kin impl.ini výstupní soubory: chemie I kin impl.pos, transport I kin impl.pos cesta:.../test ulohy/simulace/samotna chemie/imobil por/flow I CH kin expl/ vstupní soubory: flow I CH kin expl.ini výstupní soubory: chemie I kin expl.pos, transport I kin expl.pos Obrázek 1.9: Geometrie modelu pro simulaci reakcí bez transportu 11

1.3.3 Rovnováha - protolýza vody Simulace protolýzy vody na geometrii s dvojí porozitou ukazuje zřetelně vyčerpání iontů OH a pokles množství iontů H + v prvním kroku simulace (viz 1.10). cesta:.../test ulohy/simulace/samotna chemie/imobil por/flow I CH eq/ vstupní soubory: flow I CH eq.ini výstupní soubory: chemie I eq.pos, transport I eq.pos Obrázek 1.10: Geometrie modelu pro simulaci reakcí bez transportu 12

1.3.4 Simulace obou typů reakcí Vývoj koncentrací obou typů reakcí látek ovlivněných protolýzou a dechlorací, bez transportu, ukazuje graf 1.11. cesta:.../test ulohy/simulace/samotna chemie/imobil por/flow I CH both/ vstupní soubory: flow I CH both.ini výstupní soubory: chemie I both.pos, transport I both.pos Obrázek 1.11: Geometrie modelu pro simulaci reakcí bez transportu 13

Kapitola 2 Testy transportu ovlivněného chemií V rámci propojování softwarů Flow123d a Semchem byla navržena sada testovacích úloh na prověření funkčnosti propojení a na zjištění časové náročnosti výpočtů modelů reakčního transportu s jednotlivými druhy reakcí. Simulace transportu ovlivněného chemickými reakcemi byla odzkoušena na modelech kolonového experimentu s uvažovanou jak pouze mobilní, tak i dvojí porozitou. Geometrie modelu obsahovala 45 tetreaedrických elementů (viz 2.1. Společně pro všechny testy reakčního-transportu byly použity vstupní soubory sit trans.mtr, sit transc.msh, sit trans.fbc, sit trans.ngh, sit trans.bcd, sit trans.tic. Výsledky jsou zaznamenány vždy v podobě tří grafů k jednomu příkladu. Grafy zachycují vývoje reakcemi a transportem ovlivněných koncentrací v elementu na začátku kolony (kontaminovaný úplně), v elementu veprostřed (kontaminovaný částečně) a v elementu na konci kolony (vliv počáteční kontaminace a konvekce). 14

2.1 Počáteční a okrajové podmínky, materiálové vlastnosti Spád piezometrické výšky na obou koncích kolony činil 100 m a propustnost horniny v koloně byla nastavena na 0.01 m s 1. Délka kolony je 45 m. Délka času simulace je 200 s. Počáteční podmínky byly nastaveny shodně s modelem samostatných reakcí (viz 1.1). Obrázek 2.1: Geometrie modelu pro simulaci reakcemi ovlivněného transportu 15

2.2 Model s mobilní porozitou Modely pracující s geometriemi, u kterých byla uvažována pouze mobilní porozita, byly počítány s revizí 783 programu Flow123D. 2.2.1 Transport bez vlivu chemie Vývoj koncentrací látek ve zvolených elementech bez zahrnutí vlivu chemie je pro srovnání zanesen v každém grafu. cesta:.../test ulohy/simulace/transport/mobil por/flow M Tr off/ vstupní soubory: flow M Tr off.ini výstupní soubory: sit M Tr off.pos, transport M Tr off.pos čas výpočtu: 0:17.74 16

2.2.2 Vliv kinetiky s nulovými kinetickými mocninami Výsledky modelu transportu kontaminantů se zahrnutím kinetické reakce (dechlorace trichloethenu) s nulovými mocninami v matematickém popisu ukazují grafy 2.2, 2.3 a 2.4. Je zřejmé, že na začátku kolony má chemie výrazný vliv, zatímco v elementech blízkých konci kolony je převažující vliv transportu. cesta:.../test ulohy/simulace/transport/mobil por/flow M Tr kin zero/ vstupní soubory: flow M Tr kin zero.ini výstupní soubory: sit M kin expl.pos, transport M Tr kin zero.pos čas výpočtu: 2:46.82 Obrázek 2.2: Koncentrace v elementu na začátku kolony Obrázek 2.3: Koncentrace v elementu uprostřed kolony 17

Obrázek 2.4: Koncentrace v elementu na konci kolony 2.2.3 Vliv kinetiky - implicitní schema - dechlorace trichlorethenu Změny koncentrací látek ve druhém, dvacátém a čtyřicátém elementu, ovlivněnné dechlorací a počítané podle implicitního schematu jsou zaznamenány v grafech 2.5, 2.6 a 2.7. cesta:.../test ulohy/simulace/transport/mobil por/flow M Tr kin impl/ vstupní soubory: flow M Tr kin impl.ini výstupní soubory: sit M kin impl.pos, transport M Tr kin impl.pos čas výpočtu: 10:45.75 Obrázek 2.5: Koncentrace v elementu na začátku kolony 18

Obrázek 2.6: Koncentrace v elementu uprostřed kolony Obrázek 2.7: Koncentrace v elementu na konci kolony 2.2.4 Vliv kinetiky - explicitní schema - dechlorace trichlorethenu Model reakčního transportu s kinetikou počítanou podle explicitního schematu poskytl výsledky, které jsou zaneseny do grafů 2.8, 2.9 a 2.10. Je zřejmé, že výpočet podle explicitního schematu proběhl rychleji než výpočet stejné úlohy podle schematu implicitního. cesta:.../test ulohy/simulace/transport/mobil por/flow M Tr kin expl/ vstupní soubory: flow M Tr kin expl.ini výstupní soubory: sit M Tr kin expl.pos, transport M Tr kin expl.pos čas výpočtu: 2:36.91 19

Obrázek 2.8: Koncentrace v elementu na začátku kolony Obrázek 2.9: Koncentrace v elementu uprostřed kolony 2.2.5 Vliv rovnováhy - protolýza vody Model transportu zohledňujícího protolýzu vody měl výsledky zobrazené v grafech 2.11, 2.12 a 2.13. cesta:.../test ulohy/simulace/transport/mobil por/flow M Tr eq vstupní soubory: flow M Tr eq.ini výstupní soubory: sit M Tr eq.pos, transport M Tr eq.pos čas výpočtu: 10:50.68 20

Obrázek 2.10: Koncentrace v elementu na konci kolony Obrázek 2.11: Koncentrace v elementu na začátku kolony 2.2.6 Simulace obou typů reakcí Vliv zohlednění rovnovážné i kinetické reakce v modelu transportu kontaminantů ukazují grafy 2.14, 2.15 a 2.16. cesta:.../test ulohy/simulace/transport/mobil por/flow M Tr both/ vstupní soubory: flow M Tr both.ini výstupní soubory: sit M Tr both.pos, transport M Tr both.pos čas výpočtu: 43:31.95 21

Obrázek 2.12: Koncentrace v elementu uprostřed kolony Obrázek 2.13: Koncentrace v elementu na konci kolony 2.3 Model s dvojí porozitou Modely pracující s geometriemi, u kterých byla uvažována duální porozita, byly počítány s revizí 431 programu Flow123d. 2.3.1 Transport bez vlivu chemie Výstup referenčního modelu transportu kontaminantů bez simulace chemických reakcí je součástí každého grafu. cesta:.../test ulohy/simulace/transport/mobil por/flow I Tr off/ vstupní soubory: flow I Tr off.ini výstupní soubory: sit I Tr off.pos, transport I Tr off.pos čas výpočtu:... 22

Obrázek 2.14: Koncentrace v elementu na začátku kolony Obrázek 2.15: Koncentrace v elementu uprostřed kolony 2.3.2 Vliv kinetiky - implicitní schema - dechlorace trichlorethenu Výsledky modelu transportu kontaminantů se zahrnutím kinetické reakce, imobilní porozity a počítaného podle implicitního numerického schematu, ukazují grafy 2.17, 2.18 a 2.19. cesta:.../test ulohy/simulace/transport/mobil por/flow I Tr kin impl/ vstupní soubory: flow I Tr kin impl.ini výstupní soubory: sit I kin impl.pos, transport I Tr kin impl.pos čas výpočtu:... 23

Obrázek 2.16: Koncentrace v elementu na konci kolony Obrázek 2.17: Koncentrace v elementu na začátku kolony 2.3.3 Vliv kinetiky - explicitní schema - dechlorace trichlorethenu Použitím explicitního numerického schematu pro výpočet změny koncentrací dechlorací v modelu transportu s imobilní porozitou jsme dospěli k výsledkům zobrazeným v grafech 2.20, 2.21 a 2.22. cesta:.../test ulohy/simulace/transport/mobil por/flow I Tr kin expl/ vstupní soubory: flow I Tr kin expl.ini výstupní soubory: sit I Tr kin expl.pos, transport I Tr kin expl.pos čas výpočtu:... 24

Obrázek 2.18: Koncentrace v elementu uprostřed kolony Obrázek 2.19: Koncentrace v elementu na konci kolony 2.3.4 Vliv rovnováhy - protolýza vody Výsledky modelu transportu kontaminantů se zahrnutím rovnovážné reakce a mobilní porozity jsou zobrazeny v grafech 2.23, 2.24 a 2.25. cesta:.../test ulohy/simulace/transport/mobil por/flow I Tr eq vstupní soubory: flow I Tr eq.ini výstupní soubory: sit I Tr eq.pos, transport I Tr eq.pos čas výpočtu:... 25

Obrázek 2.20: Koncentrace v elementu na začátku kolony Obrázek 2.21: Koncentrace v elementu uprostřed kolony 2.3.5 Simulace obou typů reakcí Výstup modelu transportu kontaminantů rozšířeného o simulaci rovnovážných i kinetických reakcí ukazují grafy 2.26, 2.27 a 2.28. cesta:.../test ulohy/simulace/transport/mobil por/flow I Tr both/ vstupní soubory: flow I Tr both.ini výstupní soubory: sit I Tr both.pos, transport I Tr both.pos čas výpočtu:... 26

Obrázek 2.22: Koncentrace v elementu na konci kolony Obrázek 2.23: Koncentrace v elementu na začátku kolony Obrázek 2.24: Koncentrace v elementu uprostřed kolony Obrázek 2.25: Koncentrace v elementu na konci kolony 27

Obrázek 2.26: Koncentrace v elementu na začátku kolony Obrázek 2.27: Koncentrace v elementu uprostřed kolony Obrázek 2.28: Koncentrace v elementu na konci kolony 28