In subsurface multiphase flow simulations, poor nonlinear solver performance is a significant runtime sink. The system of fully implicit mass balance equations is highly nonlinear and often difficult to solve for the nonlinear solver, generally Newton(-Raphson). Strong nonlinearities can cause Newton iterations to converge very slowly. This frequently results in time step cuts, leading to computationally expensive simulations. Much literature has looked into how to improve the nonlinear solver through enhancements or safeguarding updates. In this work, we take a different approach; we aim to improve convergence with a smoother finite volume discretization scheme which is more suitable for the Newton solver. Building on recent work, we propose a novel total velocity hybrid upwinding scheme with weighted average flow mobilities (WA-HU TV) that is unconditionally monotone and extends to compositional multiphase simulations. Analyzing the solution space of a one-cell problem, we demonstrate the improved properties of the scheme and explain how it leverages the advantages of both phase potential upwinding and arithmetic averaging. This results in a flow subproblem that is smooth with respect to changes in the sign of phase fluxes, and is well-behaved when phase velocities are large or when co-current viscous forces dominate. Additionally, we propose a WA-HU scheme with a total mass (WA-HU TM) formulation that includes phase densities in the weighted averaging. The proposed WA-HU TV consistently outperforms existing schemes, yielding benefits from 5\% to over 50\% reduction in nonlinear iterations. The WA-HU TM scheme also shows promising results; in some cases leading to even more efficiency. However, WA-HU TM can occasionally also lead to convergence issues. Overall, based on the current results, we recommend the adoption of the WA-HU TV scheme as it is highly efficient and robust.


翻译:在地表下多相流模拟中,非线性溶液性能差是一个显著的运行时间槽。完全隐含的质量平衡方程式系统高度非线性,而且对于非线性求解者来说往往难以解决,通常是牛顿(Raphson) 。 强大的非线性循环可以导致牛顿循环非常缓慢。 这经常导致时间步骤的缩短,导致计算昂贵的模拟。 许多文献都研究了如何通过增强或保障更新来改进非线性溶剂。 在这项工作中,我们采取了一种不同的办法;我们的目标是改进与一个更平稳的、数量不固定的、数量分解的组合的组合的组合。我们建议,在50年期解冻中,总速度的混合性回流机制(WA-HUTV TV) 能够无条件的单步式循环循环循环,并延伸到多阶段模拟。分析单细胞问题的解决方案空间,我们展示了这个机制的改进性能,并解释了它是如何利用 双向式的递增和计算结果的优势。 在50年解解解解解析中, 快速递增的流性递增的递增阶段的结果也表明,我们正在的递增阶段的递增阶段的递增。

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