基本介紹
- 中文名：數值模擬與仿真
- 外文名：Numericalsimulation
數值模擬也叫計算機模擬。依靠電子計算機，結合有限元或有限容積的概念，通過數值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。按所用模型的類型（物理模型、數學模型、物理－數學模型）分為物理仿真、計算機仿真（數學仿真）、半實物仿真。
數值模擬技術誕生於1953年Bruce G.H和PeacemanD.W模擬了一維氣相不穩定徑向和線形流。受當時計算機能力及解法限制，數值模擬技術只是初步套用於解一維一相問題。兩相流動模擬誕生於1954年，West W J和Garvin W.W模擬了油藏不穩定兩相流。
1955年Peaceman與Rachford研發的交替隱式解法(ADI)是數值模擬技術的重大突破。該解法非常穩定,而且速度快，所以迅速在包括石油,核物理，熱傳導等領域得到廣泛套用。1958年Douglas,Jim和Blair,P.M第一次進行了考慮毛管壓力效果的水驅模擬。1959年，Douglas Jim和Peaceman D.W第一次進行了兩維兩相模擬，這標誌著現代數值模擬技術的開始。在他們的模擬器里全面考慮了相對滲透率，粘度，密度，重力及毛管壓力的影響。
60年代數值模擬技術的發展主要在數值解法，第一個有效的數值模擬解法器是1968年Stone推出的SIP(Strong Implicit Procedure)。該解法可以很好地用來模擬非均質油藏和形狀不規則油藏。另一個突破是時間隱式法，該方法可以用來有效的解高流速問題，比如錐進問題。60年代其他方面的發展還有1967年Coats K.H和Nielsen R.L首次進行了三維兩相模擬，而且提出了垂直平衡和擬相對滲透率及毛管壓力方法。1968年Breitenbach E.A發表了三維三相模擬解法。
Stone在70年代發表了三相相對滲透率模型，由油水和油氣兩相相對滲透率計算油、氣、水三相流動時的相對滲透率，該技術現在還廣為套用。70年代另一項主要成就是Peaceman提出的從格線壓力來確定井底流壓的校正方法，及現在通用的Peaceman方程。在解法方面的發展是採用了正交加速的近似分解法。70年代在組分和熱采模擬方面也取得很大進展，1973年Nolen J.S描述了考慮油氣中間組分分布的組分模擬，Cook提出變黑油模擬來進行組分模擬。Shutler在1970年發表了對兩維三相模型的蒸氣注入模擬。70年代在EOR方面也取得了極大進展。
80年代最大的成就是Appleyyard J R和Cheshire I.M發表了嵌套因式分解法，該解法非常穩定而且速度快，是目前最為廣泛套用的解法。正是基於該解法，Cheshire I.M於1981年同John Appleyard和Jon Holmes成立ECL公司，開始研發後來主導數值模擬軟體市場的ECLIPSE軟體。80年代見證的另一個主要發展是組分模型，雖然組分模型在60年代就已經推出，但很不穩定。80年代提出的體積平衡和Yong-Stephenson方程解決了組分模型穩定問題，使組分模型可以廣為套用。Ponting D.K提出了角點格線來模擬模型，這樣可以真實地描述油藏。
90年代數值模擬的進展主要在粗化技術，並行計算，PEBI格線等方面。Zoltan E.Heinemann提出了PEBI格線，PEBI格線結合了正交格線和角點格線的優點，現在正逐漸成為主流數值模擬格線體系。VIP於1994年推出並行算法，ECLIPSE於1996年推出並行算法。CMG於2001年推出並行算法。粗化技術的難點在於滲透率的粗化，基於流動計算進行的滲透率粗化可以較真實的符合地質模型，現在新的粗化技術還在發展。
21世紀數值模擬技術發展體現在兩方面，一方面是一體化模擬技術，數值模擬將不只是對油藏的模擬，數值模擬將對油藏，井筒，地面設備，管網以及油氣處理廠進行一體化模擬，從而最最佳化管理油田。另一方面是定量進行屬性不確定性分析，定量分析屬性不確定性對計算結果的影響。
在計算機上實現一個特定的計算，非常類似於履行一個物理實驗。這時分析人員已跳出了數學方程的圈子來對待物理現象的發生，就像做一次物理實驗。
數值模擬實際上應該理解為用計算機來做實驗。比如某一特定機翼的繞流，通過計算並將其計算結果在螢光屏上顯示，可以看到流場的各種細節：如激波是否存在，它的位置、強度、流動的分離、表面的壓力分布、受力大小及其隨時間的變化等。通過上述方法，人們可以清楚地看到激波的運動、渦的生成與傳播。總之數值模擬可以形象地再現流動情景，與做實驗沒有什麼區別。
