Основной научной задачей, на решение которой направлен проект, является проведение практически значимых численных исследований дисперсных систем с пузырьковой и капельной структурой в трехмерном случае, а также разработка новых и развитие существующих подходов для их изучения. Исследование динамики рассматриваемых физических объектов под воздействием различных внешних полей является актуальной проблемой современной науки и техники. В то же время существует весьма ограниченное количество решений подобных задач. Проведение лабораторных экспериментов по изучению особенностей поведения капель и пузырьков в жидкости в широком диапазоне значений различных параметров, влияющих на физические свойства всей системы в целом, дорогостояще и трудновыполнимо. Прямое численное моделирование позволяет планировать, частично заменять и существенно дополнять эксперименты. Однако для более точного описания течения жидкостей с пузырьками и каплями необходимо рассматривать большой объем дисперсной среды, что приводит к решению задач высокой вычислительной сложности. Для этой цели в проекте планируется комбинировать эффективные алгоритмы (метод граничных элементов и быстрый метод мультиполей) и высокопроизводительные вычисления (распараллеливание на многоядерных центральных и графических процессорах). Все это позволит понять, предсказать, и научиться контролировать поведение пузырьковых жидкостей и эмульсий под действием силы тяжести, внешних потоков (сдвиговый, растяжение) и акустических полей.

Проект направлен на экспериментальное исследование эффектов, приводящих к отклонению от линейного закона Дарси, при фильтрации жидкостей в пористых средах. Наличи е неподвижного слоя углеводорода на стенках микроканалов пористой среды способно вызывать нелинейную зависимость скорости фильтрации от перепада давления при толщине слоя соизмеримого с размерами пор и ламинарном потоке. С помощью высокоточного оборудов ания, методов оптической спектроскопии, атомно-силовой микроскопии планируется идентифицировать изменение толщины тонкой пленки углеводорода на твердой поверхности под действием сдвигового течения дистиллированной воды для оценки минимальной толщины пле нки. В качестве модели пористой среды впервые предлагается использовать пористый п олимер полидиметилсилоксан, проницаемость и пористость которого хорошо контролируются. Для исследования изменения проницаемости пористой структуры вследствие изменения раз меров микроканалов, как в случае глинистых пород, предусматривается использование модели пористой среды из полидиметилсилоксана, предварительно обработанной углеводородом, который приводит к набуханию полимера и уменьшению проницаемости структуры. Ожида ется, что результаты проекта помогут дать большее представление о природе не линейности закона Дарси в области малых скоростей фильтрации как для низкопроницаемых, так и для глинистых пористых сред.

В настоящее время в научном сообществе уделяется большое внимание исследованию феномена поверхностных нанопузырьков в связи с их важной ролью во многих физических процессах и явлениях в таких отраслях, как биомедицина, гидромеханика и инженерия. Поэтому, в связи с большим количеством экспериментальных данных и отсутствием однозначного теоретического обоснования факта существования поверхностных нанопузырьков, их численное исследование в настоящее время является одной из наиболее интересных и актуальных задач в области наномеханики. Данный проект посвящен трехмерному численному моделированию процесса образования и поведения поверхностных нанопузырьков методами молекулярной динамики; исследованию их свойств в зависимости от термодинамических параметров системы и материала подложки; моделированию процесса взаимодействия поверхностных нанопузырьков с твердыми частицами, расположенными вблизи подложки.

Данный проект направлен на численное исследование процесса инициирования и развития внутрипластового горения с целью повышения эффективности применения технологии закачки воздуха в пласт на реальных месторождениях тяжелых нефтей. Предполагается проведение безразмерного анализа на основе параметров характеризующих процесс трехфазной многокомпонентной неизотермической фильтрации и исследование зависимости между ними. Ввиду разномасштабности процессов, протекающих при внутрипластовом горении, что накладывает серьезные ограничения на используемые методы моделирования, предлагается ускорение численного алгоритма в применении к гибридным вычислительным системам, состоящим из центральных и графических процессоров (CPU и GPU, соответственно).

Проект направлен на экспериментальное и численное исследование процессов, возникающих при течении обратных водоуглеводородных эмульсий в областях изменения сечения микроканалов, моделирующих элементы пористой структуры нефтяного пласта. На сегодняшний день нет однозначных представлений о поведении эмульсий при движении в пористых средах. В результате ранее полученных экспериментальных данных было установлено, что при течении систем «жидкость-жидкость» в микроканалах различной геометрии проявляются новые гидродинамические свойства. Одним из обнаруженных свойств является эффект динамического запирания, который состоит в том, что течение обратных водоуглеводородных эмульсий в микроканалах со временем останавливается, несмотря на постоянно действующий перепад давления. Экспериментальное изучение зоны изменения сечения капиллярных каналов с применением высокоточного оборудования и численное моделирование, основанное на эффективных численных методах, алгоритмах и современных технологиях, позволят лучше понять механизмы процессов, происходящие в элементах пористой структуры нефтяного пласта. Подобное комбинированное исследование процессов течения эмульсий на микроуровне, возможно, откроет новые перспективы развития нефтедобывающей отрасли.

Проблема образования и кавитации нанопузырьков на гидрофобных поверхностях возникает во многих отраслях науки и промышленности. Экспериментальные наблюдения осложнены тем, что характерные размеры интересующих объектов и областей не превышают пары сотни нанометров, то есть их размер сравним с длиной волны света видимого спектра, что создаёт серьёзные трудности для непосредственного наблюдения. Также для таких малых областей невозможно и адекватное применение классических моделей сплошной среды, что связано с малым количеством молекул, заполняющих наномасштабную область. Поэтому численное исследование методами молекулярной динамики объектов и явлений с характерными размерами менее 100 нм нередко является единственно возможным прямым методом исследований. Метод молекулярной динамики чрезвычайно важен в решении таких задач, как образование и существование нанопузырьков в жидкости; динамика микро- и нанопузырька на твердой поверхности; поведение пузырьков в зависимости от гидрофильности и гидрофобности подложки. В данной работе предполагается объединить в себе модели классической молекулярной динамики и современные высокопроизводительные вычислительные методы и алгоритмы. Моделирование методами молекулярной динамики больших систем ограничено вычислительными ресурсами и сложностью существующих алгоритмов. Предлагаемые нами к использованию современные численные алгоритмы, такие как Быстрый метод мультиполей (Fast Multipole Method, FMM), параллельные методы вычислений как на CPU, так и на GPU, позволят за разумное время производить реалистичное моделирование дисперсных систем, содержащих миллионы молекул с учётом многопараметричности задачи. Таким образом, представленная работа имеет большое значение в исследовании физических процессов на микро- и наноуровне, не требуя приобретения дорогостоящего экспериментального оборудования и, за счет возможности использования для проведения расчетов на GPU и гетерогенных систем, сэкономит деньги на покупке и содержании

Основной задачей данного проекта является исследование взаимодействия отдельных капель воды, покрытых различными поверхностно-активными веществами как с известной химической формулой, так и со сложным трудноопределимым компонентным составом (асфальтены, смолы и т.д.) с помощью атомно-силового микроскопа, выявление связи между полученными кривыми взаимодействия с устойчивостью, образованных из этих капелек эмульсий, определение влияния на них электромагнитного поля. Актуальность этой задачи связана с необходимостью понимания связи взаимодействия отдельных структурных элементов на микроуровне с проявлением физических эффектов на макроуровне, а также с устойчивостью эмульсии к различным воздействиям. Кроме того, до конца не определены критерии эффективности применения электромагнитного поля для разрушения эмульсий. Результаты полученных исследований могут быть использованы для математического моделирования течения эмульсионных систем, для объяснения физических эффектов, проявляющихся при движении дисперсных систем. Практический аспект применения связан с оптимизацией технологий увеличения нефтеотдачи (потокооклоняющие технологии, глушение скважин и т.д.), оптимизацией технологий нефтепереработки (разрушение водонефтяных эмульсий).

В ходе реализации проекта будет создана новая технология для обезвоживания высокоустойчивых водонефтяных и нефтешламовых эмульсий и комплексная установка для реализации этой технологии. При этом комплексная установка проектируется и изготовляется в виде комплексного встраиваемого модуля в существующую технологическую цепочку, что позволяет использовать разработанную технологию с минимальными изменениями оборудования. Решение этой научно-технической задачи позволит снизить устойчивость водонефтяных и нефтешламовых эмульсий за счет комплесного воздействия на них мощных сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных (ЭМ) полей и ультразвукового излучения в поле центробежных сил. Полученные результаты позволят решить две основные проблемы: 1) повышение эффективности промысловой подготовки нефти, в особенности высоковязкой и с большим содержанием коллоидно-взвешенных частиц (КВЧ); 2) выделение углеводородной составляющей при помощи переработки и утилизации нефтяных шламов с , в том числе, товарной нефти, которая может быть использована в народном хозяйстве.

Проект направлен на разработку программного продукта для многомерного детального моделирования процессов гидрогазодинамики, происходящих на микро- и наноуровнях, при помощи методов молекулярной динамики. Разработанный программный комплекс будет использовать современные высокоэффективные методы и обладать возможностью проведения расчётов на гетерогенных вычислительных архитектурах, что на порядки сократит необходимое для моделирования время. Исследования, которые будет возможно проводить при помощи симулятора, помогут в создании новых технологий.

Моделирование процессов на микроуровне – одна из важных проблем современной науки и техники. Задачи такого масштаба возникают во многих областях экономики: нефтегазовая промышленность, биомедицина, геология. В нефтяной области – это проблемы, связанные с течением водонефтяных эмульсий в микроканалах. В частности, эмульсии используются в потокоотклоняющих технологиях, для глушения скважин, для выравнивания профиля приемистости скважин, что требует детального изучения движения эмульсий в пористой структуре. В то же время на сегодняшний день нет однозначных представлений о поведении эмульсий при движении в пористых средах.  Проведение экспериментов для задач такого масштаба очень дорогостоящее и технически трудновыполнимое. Численное моделирование позволяет решить эту проблему. Таким образом, разработка программного пакета для трехмерного численного моделирования течения эмульсий в микроканалах произвольной формы ТЭМ 3Д актуальна в наши дни.
В ТЭМ 3Д используются новые эффективные подходы к численному моделированию трехмерных задач и современные информационные технологии. Численная методика основывается на методе граничных элементов, что уменьшает размерность задачи на единицу. Используются неструктурированные треугольные сетки, точно описывающие границу области, что позволяет моделировать процессы в геометрически сложных объектах. Предусмотрен выбор оптимальных алгоритмов в зависимости от количества узлов сетки. Для решения задач большого масштаба в итерационном решателе используется быстрый алгоритм мультиполей (Fast Multipol Method). Программный пакет будет включать в себя три основных продукта: ТЭМ 3Д – последовательная версия, ТЭМ 3Д-2 – параллельная версия (MPI на CPU), ТЭМ 3Д-3– гетерогенная версия (MPI на CPU + CUDA на GPU).
Все версии будут функционировать в нескольких различных операционных системах. Таким образом, такое разделение продукта позволит приобретать подходящую версию в зависимости от технического и программного оснащения лаборатории покупателя. Дружественный интерфейс, информативная документация, визуализация результатов позволят пользователю моделировать течение эмульсий в микроканалах различных форм. Исследования поведения эмульсий в микроканалах, проводимые с помощью пакета ТЭМ 3Д, помогут выбрать оптимальные способы повышения нефтедобычи пластов.