Time space domain decomposition methods for reactive transport. Application to CO2 geological storage

• Auteur / Autrice : Florian Haeberlein
• Direction : Laurence Halpern
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris 13

Mots clés

Mots clés contrôlés

Volumes finis, Méthodes de

Relaxation, Méthodes de (mathématiques)

Fonction de Schwarz

Cinétique chimique

Résumé

Les modèles de transport réactif sont un outil basique pour la modélisation de l’interaction entre les réactions chimiques et l’écoulement du fluide dans un milieu poreux. Nous présentons un modèle de transport réactif multi-espèces totalement réduit incluant des réactions cinétiques et en équilibre. Une formulation structurée ainsi que différentes approches numériques sont proposées. Les méthodes de décomposition de domaine offrent la possibilité de diviser des problèmes de grande taille dans des problèmes plus petits dont la solution se fait en parallèle. Partant d’un point de vue géométrique, nous présentons la classe des méthodes de Schwarz ayant prouvé une haute performance dans de nombreuses applications. Des questions quant à la réalisation d’une décomposition de domaine et des conditions de transmission au niveau discret sont traitées dans le contexte des volumes finis. Nous proposons et validons numériquement un schéma de volumes finis hybrides pour l’opérateur d’advection-diffusion étant particulièrement adapté à l’utilisation dans le contexte d’une décomposition de domaine. Nous étudions théoriquement et numériquement des méthodes de Schwarz relaxation d’ondes en détail pour un système de deux espèces couplées de type transport réactif avec des termes de couplage linéaire et non-linéaire. Des résultats qualifiant le problème comme bien posé ainsi que la convergence des méthodes de décomposition de domaine sont développés et la sensibilité du comportement de convergence de l’algorithme de Schwarz par rapport au terme de couplage est étudiée. Finalement, nous appliquons une méthode de Schwarz relaxation d’ondes au modèle de transport réactif multi-espèces présenté.

Reactive transport modelling is a basic tool to model chemical reactions and flow processes in porous media. A totally reduced multi-species reactive transport model including kinetic and equilibrium reactions is presented. A structured numerical formulation is developed and different numerical approaches are proposed. Domain decomposition methods offer the possibility to split large problems into smaller subproblems that can be treated in parallel. The class of Schwarz- type domain decomposition methods that have proved to be high-performing algorithms in many fields of applications is presented with a special emphasis on the geometrical viewpoint. Numerical issues for the realisation of geometrical domain decomposition methods and transmission conditions in the context of finite volumes are discussed. We propose and validate numerically a hybrid finite volume scheme for advection-diffusion processes that is particularly well-suited for the use in a domain decomposition context. Optimised Schwarz waveform relaxation methods are studied in detail on a theoretical and numerical level for a two species coupled reactive transport system with linear and nonlinear coupling terms. Wellposedness and convergence results are developed and the influence of the coupling term on the convergence behaviour of the Schwarz algorithm is studied. Finally, we apply a Schwarz waveform relaxation method on the presented multi-species reactive transport system.