[发明专利]一种海底热液流体循环三维仿真方法

说明书

本发明公开了一种海底热液流体循环三维仿真方法，是基于物理的方式模拟海底热液系统中流体行为和循环演化过程的仿真技术。通过求解洋壳内热液流体的动力学控制方程组：质量守恒、动量守恒和能量方程并利用水的状态方程(IAPWS‑IF97)更新流体的热力学性质，完成热液循环的仿真计算。偏微分方程组的求解是基于OpenFOAM平台的，因此支持多格式复杂网格的三维模型仿真、跨平台计算和并行计算。因此，本发明将对海底热液循环动力学及其伴生的成矿规律的研究提供一种重要的仿真技术手段。

技术领域

本发明属于地质流体动力学数值模拟技术领域，尤其涉及真实的水的状态方程与地质流体动力学控制方程的结合以及复杂模型的三维数值模拟方法。

背景技术

热液循环是地球内部与外部进行物质和能量交换的重要窗口，在陆地上表现为地热田或温泉，而类似的现象在海底也是普遍存在的，尤其是大洋中脊。与陆地上的温泉不同的是，海底热液喷口可以形成最高约400℃的热液喷流，称之为黑烟囱。由于海底的高压环境，高温喷口处也是超临界水的天然形成场所。人类对这种壮观的自然现象的认识始于1960年代，对其形成的基本原理有了一定的认识：海水沿洋壳的裂隙下渗，被深部热源(如岩浆房)加热后密度骤减而快速上浮，最后在海底喷发。但是对其内部的驱动机制和演化规律依然无法直接观测，而流体动力学仿真技术是理解海底热液流体动力过程的关键技术手段。但由于三维数值模拟方法的复杂性和水的状态方程的非线性特征，对海底热液循环的三维仿真依然是一大挑战。

发明内容

为了展现更真实的海底热液循环过程中的流体行为和温度场分布，本发明提供了一种海底热液流体循环三维仿真方法。由于热液流体循环中同时涉及传热和传质过程，流体受热后密度减小产生的浮力是主要的驱动力。流体的热状态和热力学性质(如密度和黏度)直接受温度和压力影响，本发明采用水的状态方程IAPWS-IF97作为热液流体状态方程的计算标准计算其热力学性质。实际的热液循环系统所处地形和地质环境是复杂的，为了更准确的描述地质模型，因此本发明采用非结构化三角网进行地质建模。在偏微分方程求解步骤中，本发明采用有限体积法求解，因为有限体积法具有数学上严格的守恒特性。但是有限体积法在非正交网格中计算拉普拉斯项时会产生数值耗散，因此本发明在求解压力方程中引入了非正交修正以便计算结果更接近于准确解。为了实现三维仿真中的高密度计算，本发明采用网格分解分区并行计算的策略，以便利用多节点多核心计算资源而提高计算效率。

本发明实现一种海底热液流体循环三维仿真方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，利用实际海底热液区的地形数据和地球物理数据(如断层位置)进行地质建模和网格划分，将非结构化网格结构信息存储为OpenFOAM格式，以便于下一步骤读取。

步骤2，根据实际海底热液区的观测数据及网格划分结果给定温度场、压力场的初始条件和边界条件以及洋壳岩石的物理属性，所述洋壳岩石的物理属性包括渗透率、孔隙度、密度、热传导系数和比热。

步骤3，根据海底水深计算仿真区域的初始静水压分布。

步骤4，根据网格单元大小、仿真区域范围及流体初始速度计算初始时间步长。

步骤5，求解能量守恒方程，即温度方程。温度方程中涉及到时间项、梯度项和散度项，全部采用隐式离散格式以便在保证计算的稳定性和准确性的情况下可以使用更大的时间步长。

步骤6，求解动量守恒方程，即结合连续性方程和达西定律而推导出的压力方程；压力方程为典型的压力泊松方程，其中拉普拉斯项和时间项采用隐式离散格式，而与压力无关的项视为源项，采用显示离散格式；为了在非结构化三角网中得到较好的数值表现，对拉普拉斯项进行最多两次的非正交修正。

步骤7，根据达西定律和已求解得到的压力场计算流体速度场。