Методы решения одномерной радиальной задачи теплопередачи в окружающие скважину мерзлые породы

Abstract

The article tells about the solution methods of one-dimensional radial problem of heat transfer in the permafrost formations surrounding a well. The mathematical model of this problem is given. To solve the problem, four numerical methods are considered: enthalpy method with explicit scheme, method of catching the front in a mesh point with implicit scheme, method of catching the front in a mesh point using six-point symmetric scheme and quasi-steady approach. A self-similar solution enabling calculation of the thawing radius in permafrost formations is obtained and used to assess the use of numerical methods (the comparison of the results of self-similar solutions and the results of calculations of the thawing radius by enthalpy method is presented in the article). It is also presented the comparative analysis of numerical solutions of the problem of heat transfer in permafrost formations using different numerical methods. The results of the work are the self-similar solution for the radial Stefan problem and the preferred choice of a numerical method, which provides high accuracy and the highest rate of calculating the radius of thawing and temperature distribution in the permafrost formations surrounding a well.

Статья посвящена методам решения одномерной радиальной задачи теплопередачи в окружающие скважину многолетнемерзлые породы (ММП). Приведена математическая модель указанной задачи, для ее решения рассмотрены четыре численных метода: метод энтальпий с использованием явной схемы, метод ловли фронта в узел сетки с использованием неявной схемы, метод ловли фронта в узел сетки с использованием шеститочечной симметричной схемы, и квазистационарный подход. Получено автомодельное решение, позволяющее рассчитывать радиус протаивания в ММП и используемое для оценки вышеприведенных численных методов (в статье приведено сравнение автомодельного решения и результатов расчетов радиуса протаивания по методу энтальпий). Также представлен сравнительный анализ численных решений рассматриваемой задачи теплопередачи в ММП с использованием различных численных методов. Итогами работы являются построенное автомодельное решение для радиальной задачи Стефана и выбор наиболее предпочтительного численного метода, обеспечивающего высокую точность и наибольшую среди рассмотренных методов скорость расчетов радиуса протаивания и распределения температуры в окружающих скважину мерзлых породах.