Введение к работе
Актуальность темы. Исследование электродинамических процессов давно стало основой развития многих важнейших отраслей науки и производства. К ним, безусловно, можно отнести задачи геоэлектрики и электромеханики. В геоэлектрике наиболее важными являются задачи восстановления свойств среды по снятым полевым данным (интерпретация данных электроразведки), в электромеханике - построение оптимальной конструкции электрической машины и оптимизация режимов ее работы.
Решение этих задач возможно с использованием физического и математического (компьютерного) моделирования. Довольно долго физическое моделирование играло ведущую роль, поскольку компьютерное моделирование выполнялось по упрощенным математическим моделям с массой допущений и поэтому во многих случаях не могло гарантировать получения достаточно достоверного окончательного результата. Однако очевидно, именно математическое моделирование позволяет гораздо глубже заглянуть в суть исследуемых процессов и существенно сократить затраты на решение многих сложных конструкторских и исследовательских задач. Поэтому развитие численных методов моделирования электромагнитных процессов всегда было актуальной задачей, что обеспечивало быстрый темп их развития, и одним из наиболее мощных инструментов решения самых сложных задач электромагнетизма является метод конечных элементов (МКЭ) - это обуславливает все возрастающий интерес как к развитию теоретических основ этого метода, так и его технологий у многих ведущих зарубежных и отечественных исследователей (A.Bossavit, D.White, В.П.Ильин и др).
Математическое моделирование является основой проведения геоэлектрических исследований (А.Н.Тихонов, Л.Л. Ваньян, Б.С. Светов, Л.А. Хабаровский, С.М.Шейнманн, J.R.Wait и др.). Однако вплоть до настоящего времени основным методом проведения электроразведочных работ остаются профильные измерения с последующей ID-интерпретацией (работы B.C. Могила-това и др.), основанной на восстановлении параметров горизонтально-слоистой среды в каждой точке профиля. Эта технология дает неплохие результаты при изучении верхней части разреза (ВЧР) и позволяет изучать геоэлектрическое строение среды в глобальном смысле - находить глубину её основных проводящих и непроводящих горизонтальных слоев и определять наличие крупных объектов-проводников. На сегодняшний день эти технологии реализованы в таких компьютерных программах, как «Подбор», Horizon и др.
Но если необходимо получить более детальное строение среды или выявить наличие относительно небольших и не слишком контрастных по удельному сопротивлению объектов, то одномерные модели и основанные на них методы обработки полевых данных (ID-инверсии) оказываются слишком грубыми - методы интерпретации данных, основанные на использовании ID-инверсий, позволяют получить более или менее адекватное представление о почти горизонтально-слоистой среде, т.е. среде, в которой объекты проявляются почти так же, как горизонтальные слои. На практике же в подавляющем большинстве случаев структура среды оказывается гораздо более сложной и
такая упрощенная обработка полевых данных неизбежно приводит к серьёзным ошибкам, ставя под удар всю электроразведку как метод изучения сред со сложной структурой (так называемых сложно-построенных сред).
При этом очень важной проблемой является то, что исследователю-геофизику, использующему программы одномерного подбора, даже довольно грубые ошибки интерпретации, как правило, не видны, поскольку наблюдаемые им невязки при подборе среды под каждой точкой могут быть довольно малы, т.е. очень часто находится какая-нибудь эквивалентная горизонтально-слоистая среда, отклик от которой совпадает с практической кривой. Тем не менее, убедиться в ошибочности полученного результата можно путем задания структуры среды, подобранной с использованием ID-инверсии в виде блок-столбцов под каждой точкой измерения, в виде трехмерной модели и выполнив трехмерный расчет. Кардинальные отличия практических и расчетных кривых будут свидетельствовать о том, что подобранная структура среды неадекватна реальному распределению проводимости.
Однако даже такую, казалось бы, очевидную проверку в настоящее время на практике не применяют. Одной из причин является то, что большинство геофизиков не очень верит в саму возможность адекватного восстановления трехмерной структуры среды (например, из-за так называемой проблемы эквивалентности), поэтому требуется полноценный теоретический анализ с необходимой доказательной базой возможностей ЗО-интерпретации. Второй же и основной причиной является то, что ЗО-моделирование до настоящего времени являлось слишком труднодоступным.
В принципе, ЗО-моделирование электромагнитных полей применяется в геофизических исследованиях уже не первый десяток лет (В.И. Дмитриев, М.Н. Бердичевский, М.С. Жданов, Б.Ш. Зингер, Э.Б. Файнберг, В.Л. Друскин, Л.А. Книжнерман, Ив.М. Варенцов, О.В. Панкратов и др.). Однако до недавнего прошлого решение каждой трёхмерной задачи по трудоёмкости было сравнимо с решением небольшой научной проблемы. Поэтому в практике геоэлектрических работ использовались решения трёхмерных задач для некоторых типичных ситуаций, под которые пытались «подогнать» полученные на практике данные.
Конечно, такое «палеточное» мышление позволяло иногда правильно угадывать наличие нужных поисковых объектов или квалифицировать полученные в измеренных сигналах аномалии как влияние объектов-помех, но из-за огромного многообразия различных практических ситуаций ориентация на «похожую картинку», полученную в одном из трёхмерных «палеточных» расчётов, очень часто приводила к ошибкам в интерпретации полевых данных. И это, как правило, «невынужденные» ошибки - они совершаются вовсе не потому, что «слаба» электроразведка, а лишь потому, что ЗО-моделирование выполнялось не «по месту», т.е. без учёта конкретных геоэлектрических факторов местности, где проводились геофизические работы.
Некоторые исследователи предлагают улучшить качество интерпретации практических данных за счет использования так называемых квазитрехмерных подходов, в которых трехмерные поля вычисляются по упрощенным моделям.
Однако используемые в данных подходах приближения работают достаточно хорошо для небольших контрастов проводимости объектов с фоновой средой и при их относительно малых размерах. Большинство же геоэлектромагнитных исследований проводятся в сложных геоэлектрических условиях и применение таких подходов также довольно часто приводит к проблемам - несовпадение практических данных с теоретическими может быть вызвано не только неадекватностью подбираемой структуры среды, но и погрешностями самих квазитрехмерных математических моделей. Это в свою очередь может служить причиной неудачи при проведении достаточно тонких электромагнитных исследований, в частности при поиске глубинных залежей, когда отклики от целевых объектов могут быть довольно слабыми на фоне влияния различных помех.
Для решения этой проблемы необходимо создание и подготовка к практическому использованию программно-математического аппарата 3D-моделирования (основанного на математических моделях без серьезных упрощений), который с одной стороны обеспечит высокую точность (не ниже уровня точности практических измерений) решения при допустимых вычислительных затратах, а с другой - будет достаточно прост в использовании и не будет требовать больших трудозатрат на задание моделей и специальных знаний численных методов.
Частично эта проблема решалась в программном комплексе Telma (Ю.Г.Соловейчик, М.Э. Рояк), где была сделана МКЭ-реализация расчета трехмерной задачи для петлевого источника по технологии с выделением поля (Ю.Г.Соловейчик). Ее применение позволило добиться высокой точности вычисления геоэлектромагнитных полей при невысоких вычислительных затратах. Однако относительно высокая трудоемкость задания геометрии расчетной области и конечноэлементной сетки в этом программном комплексе не позволили использовать его для решения интерпретационных задач. Кроме того, отсутствие в этом программном комплексе возможностей включения различных источников электромагнитного поля не дают возможностей достаточно полного исследования различных электроразведочных технологий. При этом в настоящее время на очень многих площадках проводятся комплексные работы, включающие зондирование становлением поля с незаземленной петлей и магнито-теллурические зондирования (МТЗ), что требует расчета полей для подбираемых моделей как минимум по двум технологиям. Кроме того, актуальным является исследование и других контролируемых источников, особенно при решении поисковых задач в шельфовой зоне, где чаще всего применяются гальванический источник типа горизонтальная электрическая линия (ГЭЛ) и могут представлять большой интерес другие гальванические источники - круговой электрический диполь (КЭД) (предложенный в работах В.С.Могилатова) и вертикальная электрическая линия (ВЭЛ).
Создание высокоточного и простого в обращении программно-математического аппарата ЗО-моделирования с возможностью включения различных источников электромагнитного поля позволит внедрить 3D-интерпретацию в реальную практику, что существенно повысит эффективность
электроразведки и даст возможность значительно расширить класс успешно решаемых ею задач.
Однако даже при внедрении новых более совершенных и корректных методик интерпретации данных с использованием сетей наблюдения необходимой плотности существуют ситуации, когда разрешающая способность наземных методов с контролируемым источником вообще не позволяет выделять не слишком большие и контрастные неоднородности удельного сопротивления в глубинной структуре среды. При этом очень актуальными в настоящее время являются именно глубинные исследования (до 4000-5000 м), которые ставятся, как правило, при проведении поисковых геофизических работ на нефть и газ, поскольку российские месторождения характеризуются очень большой глубиной. В настоящее время такие задачи пытаются решать, используя некоторые гипотезы, связанные с наличием зоны эпигенеза над залежами углеводородов, которые в свою очередь связаны с миграцией легких фракций из залежи, изменяющих электрофизические и электрохимические свойства перекрывающих пород вплоть до приповерхностных слоев Земли. Однако, как показывает ряд практических примеров, для одних месторождений эти зоны характеризуются повышенным сопротивлением (например, месторождение Аксай в Республике Казахстан), для других - пониженным (например, месторождение Ляльмикар в Республике Узбекистан), а иногда вообще не дают изменения в сопротивлении (Герасимовское месторождение в Томской области). Таким образом, не существует четкого критерия выделения залежи углеводородов по параметру электрического сопротивления зон эпигенеза. Наиболее действенными в этом случае оказываются методы, основанные на изучении параметров поляризуемости сред.
Многообещающим глубинным электроразведочным методом является МТЗ. В настоящее время довольно активно совершенствуются методы интерпретации, что впоследствии, возможно, позволит решить рассматриваемые задачи.
При этом число пустых скважин даже на известных продуктивных участках постоянно растет. Поэтому существует возможность использования этих скважин для заряда и проведения измерений по их стволу.
Практическим подтверждением возможности изучения структуры среды по измерениям постоянного электрического поля в обсаженных скважинах могут служить работы по мониторингу жидких радиоактивных отходов (ЖРО), проведенные с использованием специальной электроразведочной аппаратуры «НСЭ-8» (совместная разработка «СибОКБ» и «СНИИГГиМС») в Красноярском крае и Томской области. Эти работы подтвердили работоспособность технологии изучения межскважинного пространства при заряде и измерениях в удаленных друг от друга обсаженных скважинах. По полученным теоретическим оценкам и результатам полевых работ был зарегистрирован патент [20]. Конечно, скважины на полигонах с ЖРО являются неглубокими, но там основной проблемой проведения наземных измерений является не глубинность исследований, а большое количество техногенных помех, связанных с наличием трубопроводов и т.д. В таких ситуациях измерения в скважинах также являются
более эффективными, поскольку при измерении поля в них влияние приповерхностных техногенных помех практически полностью отсутствует.
Однако, изучение постоянного поля позволяет достаточно эффективно отслеживать, в основном, изменение структуры среды в течение некоторого промежутка времени (при закачке вредных веществ или передвижении водо-нефтяного контакта (ВНК), т.е. при работах в режиме мониторинга). Поэтому кроме изучения возможностей работы на постоянном токе, существует потребность в теоретическом исследовании возможности определения структуры среды с использованием нестационарного электромагнитного поля, возбуждаемого в одной обсаженной скважине и регистрируемого приемниками в других обсаженных скважинах. Теоретическое обоснование возможности применения электроразведочных методов, основанных на измерениях в обсаженных скважинах переменных электромагнитных полей, для решения задач, связанных с изучением глубинной структуры среды, а также при проведении работ в условиях значительных техногенных помех позволит создать основу для разработки соответствующих технологий проведения электроразведочных и мониторинговых работ.
Выпуск современного конкурентоспособного электромеханического оборудования невозможен без совершенствования его функциональных возможностей, что требует внедрения новых подходов к проектированию, в которых основную роль играет численное моделирование. Это, в свою очередь, требует существенного повышения точности расчетов электродинамических процессов в электрической машине (расчетов с минимумом допущений в математической модели) и расширения возможностей исследования различных режимов ее работы на этапе проектирования без необходимости создания и испытаний дорогостоящих образцов.
До настоящего времени наиболее распространенными при расчетах характеристик электрических машин на этапе проектирования являются методы, основанные на использовании эквивалентных схем замещения, с возможным сочетанием элементов численного моделирования на этапе расчетов двумерных магнитных полей в статике. Расчетные формулы параметров схем замещения при этом, как правило, получены при допущениях, серьезно ограничивающих диапазон адекватности реальным физическим процессам, протекающим в современных электрических машинах. Сложившаяся система допущений формировалась в процессе развития конструктивных особенностей и методов расчета электрических машин, полученные при этом методики включают определенную систему эмпирических коэффициентов. Потребность в разработке электрических машин новых поколений, имеющих в большинстве своем более сложную геометрию активного объема и более высокий уровень электромагнитных нагрузок, и необходимость исследования различных режимов работы электрических машин в управляемых электромеханических системах определяют актуальность поиска современных подходов к их проектированию на основе максимально адекватных математических моделей без использования слишком серьезных упрощающих допущений и множества эмпирических коэффициентов, получаемых в ходе испытаний опытных образцов.
Такие подходы на сегодняшний день могут быть осуществлены на основе конечноэлементного решения нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, полученных из системы уравнений Максвелла, в сложных областях. Однако в том виде, в котором существующие подходы реализованы в наиболее распространенных программных пакетах, таких как ANSYS, COSMOS, ELCUT и др., не получило широкого распространения, поскольку они предоставляют, в основном, возможность вычисления в электрической машине распределения магнитного поля при заданных токах и некотором фиксированном положении ротора. Специалиста-электромеханика же интересуют, главным образом, технические характеристики машины в различных режимах ее работы (пусковом, при различной нагрузке и т.д.), и их довольно трудно получить по набору магнитных полей, рассчитанных при фиксированных токах и положениях ротора. Моделирующая процесс программа должна «сама» вычислять значения токов в обмотках статора и ротора, скорость вращения ротора, делать соответствующие повороты ротора и т.д. при разгоне, работе под постоянной или переменной нагрузкой. Такой программный комплекс, позволяющий выполнять расчет электромагнитного поля в электрической машине взаимосвязанно с вычислением токов в обмотках и вращением ротора под воздействием электромагнитных сил и нагрузок, предоставит широкие возможности изучения электродинамических процессов в электрической машине и позволит вывести проектирование электрических машин и подготовку соответствующих специалистов на качественно новый уровень.
Таким образом, актуальность темы предлагаемой диссертационной работы определяется необходимостью разработки программно-математического аппарата ЗО-моделирования геоэлектромагнитных полей, обеспечивающего разработку и внедрение в практику новых более высокоразрешающих методов электроразведки при поиске полезных ископаемых и мониторинге изменений в среде, а также необходимостью создания высокоточных способов расчета характеристик электрических машин и реализующих их программных комплексов, которые при проектировании новых машин позволят находить наиболее эффективные конструктивные варианты при минимальных затратах на физические эксперименты.
Основной научной проблемой, решению которой посвящена данная диссертационная работа, является проблема создания методов моделирования электромагнитных процессов в задачах геоэлектрики и электромеханики с реализацией их в программных комплексах, ориентированных на специалиста соответствующей отрасли, а также проблема разработки методов решения обратных задач геоэлектрики на основе ЗО-моделирования геоэлектромагнитных полей.
Цель работы состоит в создании высокоточных вычислительно малозатратных методов ЗО-моделирования геоэлектромагнитных полей от различных источников для использования их в процедурах ЗО-интерпретации данных электроразведочных исследований, в создании эффективных высокоточных методов расчета трехмерных электромагнитных полей в задачах исследования межскважинного пространства при разработке новых технологий проведения
глубинных электроразведочных исследований, а также в создании методов моделирования электродинамических процессов в мощных электрических машинах с одновременным вычислением магнитного поля в активном объеме и токов в обмотках и с учетом движения ротора. На защиту выносятся:
-
Вычислительные схемы конечноэлементого моделирования трехмерных электромагнитных полей в задачах электроразведки с различными контролируемыми источниками и в задачах магнитотеллурических зондирований, позволяющие использовать прямой трехмерный расчет для интерпретации данных, полученных при выполнении практических работ.
-
Программный комплекс GeoEM для решения прямых задач электроразведки с различными контролируемыми источниками и задач магнитотеллурических зондирований.
-
Анализ ошибок интерпретаций, основанных на ID-инверсиях, при использовании профильных измерений для изучения глубинной структуры среды. Подходы к ЗО-интерпретации данных, основанные на построении геоэлектрической модели как единой для всей обрабатываемой площади. Принципы проектирования электроразведочных работ для изучения глубинной структуры среды. Примеры апробации разработанного подхода на теоретических и практических данных.
-
Вычислительные схемы для расчета трехмерных стационарных и нестационарных полей вертикальной электрической линии, помещенной в обсаженную скважину и при измерении поля в удаленных обсаженных скважинах. Обоснование возможности получения информации о структуре межскважинно-го пространства при измерениях в удаленной обсаженной скважине и подходы к интерпретации соответствующих данных.
-
Метод, позволяющий выполнять расчеты электромагнитных полей в электрических машинах взаимосвязанно с вычислением токов в обмотках и вращением ротора под воздействием электромагнитных сил и нагрузок.
-
Программный комплекс для изучения электродинамических процессов в электрических машинах при различных эксплуатационных режимах: разгоне, работе под постоянной или изменяющейся во времени нагрузкой.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Разработаны и реализованы в программном комплексе GeoEM методы, позволяющие с высокой точностью моделировать трехмерные стационарные, нестационарные и гармонические поля, возбуждаемые естественными и различными контролируемыми источниками.
-
Формализован подход к ЗО-интерпретации практических данных, базирующийся на ЗО-моделировании электромагнитного поля по единой для изучаемого участка геоэлектрической модели среды и позволяющий в отличие от стандартных методик существенно улучшить качество восстановления глубинной структуры среды.
-
Предложены подходы к интерпретации данных МТЗ, заключающиеся в построении единой ЗО-модели среды на основе расчетов полей влияния трехмерных объектов.
-
Разработаны вычислительные схемы для расчета трехмерных стационарных и нестационарных полей вертикальной электрической линии, помещенной в обсаженную скважину, при измерениях в удаленной обсаженной скважине. Теоретически обоснована возможность получения информации о структуре межскважинного пространства при измерениях в удаленной обсаженной скважине. Предложены подходы к интерпретации соответствующих данных.
-
Разработан и реализован в программном комплексе новый метод моделирования электродинамических процессов в различных режимах работы электродвигателя, позволяющий в отличие от используемых в стандартных пакетах и аналитических методов взаимосвязано с вычислением магнитного поля в активном объеме машины вычислять токи в обмотках статора и ротора, электромагнитные силы, действующие на ротор, и вращать его в процессе моделирования, учитывая изменение токов и электромагнитного поля в каждый момент времени.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем. Разработаны методы моделирования трехмерных геоэлектромагнитных полей, которые могут служить теоретической базой для создания и обоснования новых высокоразрешающих методов восстановления геоэлектрического строения верхних слоев литосферы Земли и проектирования детальных электромагнитных исследований. На синтетических данных, соответствующих различным геоэлектрическим условиям, доказана возможность достаточно детального и адекватного восстановления глубинной (до 4-5 км) структуры среды даже при наличии существенных приповерхностных помех, если методы интерпретации построены на основе ЗО-моделирования электромагнитных полей.
Разработаны методы, позволяющие выполнять моделирование электродинамических процессов в электрических машинах на основе совместного вычисления нелинейного магнитного поля и токов в обмотках статора и ротора с учетом движения ротора под воздействием электромагнитных сил и нагрузок.
Практическая ценность и реализация результатов. Разработанные методы моделирования трехмерных геоэлектромагнитных полей, возбуждаемых различными источниками, и реализованный на их основе программный комплекс GeoEM позволяют существенно повысить качество проектирования электроразведочных работ и выполнять ЗО-интерпретацию полевых данных. Приведенные примеры трехмерной интерпретации в задачах восстановления объемной геоэлектрической структуры среды в районе рудного узла и при решении задачи картирования глубинных коллекторов в Восточной Сибири демонстрируют преимущества предлагаемых методов выполнения интерпретаций перед существующими методиками, основанными на ID- и 20-инверсиях.
Разработанные методы моделирования электродинамических процессов в электрических машинах и реализованный на их основе программный комплекс позволяет уже на этапе проектирования электродвигателей получать с высокой точностью основные рабочие характеристики машины, причем на основе только данных о ее конструкции (формы и размеров пазов), свойств материалов (кривые намагничивания, значения электропроводности) и электрических схемах включения обмоток без использования каких-либо эмпирических коэффициентов. Это дает возможность не только в гораздо более широком диапазоне варьировать различные параметры машины при оптимизации ее конструкции,
но и с высокой степенью адекватности оценивать новые конструктивные решения.
Результаты диссертационной работы использовались при выполнении более чем 25 научно-исследовательских работ (как госбюджетных, так и хоздоговорных), в том числе при выполнении тематических планов НИР НГТУ, где разрабатывались и опробовались новые вычислительно эффективные методы моделирования трехмерных электромагнитных полей в сложных областях, при выполнении хоздоговорных работ НГТУ по расчетам геоэлектромагнитных полей в задачах электроразведки, при выполнении государственных контрактов СНИИГГиМС и договоров СНИИГГиМС с производственными организациями, тематика которых посвящена разработке и апробации новых технологий поиска полезных ископаемых, обработке данных электромагнитных зондирований методами становления поля в наземно- и аэровариантах, методами наземно-скважинной и скважинной электроразведки, а также данных магнитотеллуриче-ских зондирований.
Кроме того, исследования были финансово поддержаны
1. Федеральным агентством по науке и инновациям
«Разработка методов и технологий электромагнитных исследований в задачах мониторинга при эксплуатации природных ресурсов» шифр 2005-РИ-19.0/002/092 (государственный контракт от «26» октября 2005 г № 02.442.11.7104, научный руководитель Персова М.Г.).
«Разработка электромагнитных методов и технологий проведения глубинных поисково-оценочных геофизических работ, основанных на изучении переменных полей в обсаженных скважинах» шифр 2006-РИ-19.0/001/116 (государственный контракт от «28» февраля 2006 г № 02.442.11.7264, научный руководитель Персова М.Г.).
2. Администрацией Новосибирской области
- «Моделирование электродинамических процессов в задачах электроме
ханики и геоэлектрики» (договор СГМ 1/06 от «11» января 2006 г., научный ру
ководитель Персова М.Г.)
3. Советом по грантам Президента РФ для поддержки молодых россий
ских ученых
- «Разработка электроразведочной технологии, основанной на измерении
магнитного поля вызванной поляризации, для поиска полезных ископаемых на
материке и в шельфовой зоне» (шифр МК-4432.2007.5, 2007-2008 гг., грантопо-
лучатель Персова М.Г.)
Достоверность полученных результатов
1. Вычислительные схемы расчета двумерных и трехмерных электромагнитных полей от петлевого источника, вертикальной электрической линии, кругового электрического диполя, горизонтальной электрической линии и маг-нитотеллурических полей, а также реализованный на их основе программный комплекс GeoEM были протестированы путем сравнения
с аналитическими методами на моделях горизонтально-слоистых сред;
двумерных (осесимметричных) постановок и трехмерных постановок на осесимметричных моделях;
с экспериментальными данными, полученными в лабораторных условиях для физических моделей;
с программами других авторов;
решений одних и тех же задач, описываемых с использованием разных (векторных и скалярных) постановок, ориентированных на применение векторного и узлового МКЭ.
-
Адекватность предложенных подходов к ЗО-интерпретации данных, полученных методом переходных процессов, обосновывается совпадением геоэлектрических моделей, полученных для одной и той же площади, но при изменении схем измерения (расположения приємно-генераторной конструкции), а также путем сопоставления полученных результатов с данными геологии и бурения.
-
Предложенный и реализованный метод расчета электромагнитного поля в удаленной от скважины с источником обсаженной скважине, основанный на выделении поля обсадной колонны измерительной скважины как осесим-метричного, был протестирован в несколько этапов. Вначале была протестирована задача расчета постоянного электрического поля в горизонтально-слоистой среде. Результаты расчета предложенным подходом сравнивались с решением задачи в трехмерной постановке, т.е. с выделением поля обсадной колонны измерительной скважины как трехмерного. На следующем этапе была протестирована в горизонтально-слоистой среде (с обсаженными скважинами) нестационарная задача. Она решалась в режиме установления (т.е. на включении источника), а результирующее установившееся поле в обсадной измерительной скважине сравнивалось с полем постоянного тока. И, наконец, численная процедура, реализующая решение трехмерной задачи с локальными геологическими объектами, тестировалась на решении осесимметричной задачи (с объектом в виде кольца) путем сравнения с решением, полученным в двумерной постановке.
-
Адекватность разработанных подходов к моделированию электродинамических процессов в линейных электромагнитных двигателя, в двигателях вентильного типа с различными схемами соединения обмок статора (диоды, конденсаторы) и в асинхронных двигателях (с несколькими беличьими клетками на роторе) подтверждена контролем баланса энергии и сравнением с экспериментальными данными.
Личный вклад
Разработаны методы расчета нормальных составляющих электромагнитных полей от источников типа вертикальная электрическая линия и круговой электрический диполь, а также методы расчета трехмерного постоянного магнитного поля. Реализованы соответствующие вычислительные процедуры. Разработаны и реализованы специальные методы автоматического построения трехмерных сеток для решения задач с различными источниками для произвольного количества трехмерных объектов, обеспечивающие необходимую точность расчета. Предложена идея и разработана структура программного комплекса GeoEM, ориентированного на пользователя-геофизика и позволяющего выполнять расчеты двумерных и трехмерных геоэлектромагнитных полей
от различных источников. Выполнена верификация и проведены исследования точности получаемых решений путем сравнения с аналитическими и полуаналитическими методами, данными лабораторных экспериментов на физических моделях, сравнением с другими программами и т.д. Проведены исследования эффективности применения векторных и узловых постановок в зависимости от геоэлектрической модели и частоты источника в гармонических задачах.
Разработаны и формализованы подходы к ЗО-интерпретации практических данных, полученных по методу становления поля в площадном варианте, а также данных магнитотеллурических зондирований. Предложенные подходы опробованы на синтетических данных и при обработке практических данных по ряду площадей и региональных профилей.
Разработаны методы расчета стационарных и нестационарных электромагнитных полей в обсаженных скважинах и выполнены соответствующие реализации, позволяющие изучать поведение откликов в измерительной обсаженной скважине от слоев и объектов с различным удельным сопротивлением в зависимости от положения по глубине относительно источника и положения в плане относительно скважины с источником и измерительной скважины. Предложены подходы к интерпретации полевых измерений по системе обсаженных скважин, проведена их апробация на синтетических данных.
Предложен метод расчета электродинамических процессов в электрических машинах различного типа, позволяющий выполнять полный процесс моделирования нелинейных электромагнитных полей с учетом вращения ротора и взаимосвязи токов в обмотках ротора и статора с проходящими через них магнитными потоками и основанный на вычислении мгновенных характеристик поля и токов с возможностью учета особенностей электрической цепи обмотки статора (включение в нее элементов типа диодов и конденсаторов), смены частоты и амплитуды подаваемого напряжения, а также величины действующей нагрузки через определенные промежутки времени. Спроектирован и реализован соответствующий программный комплекс. Проведено сравнение данных численного моделирования с экспериментальными данными. Соответствующие результаты опубликованы в работах автора [1-4].
В совместных публикациях автору принадлежат следующие результаты. В работах [5,6,7,24] автору принадлежат разработка и реализация вычислительных схем для расчета осесимметричных полей с использованием постановки для напряженности магнитного поля для различных источников, сравнение с аналитическими и полуаналитическими методами, сравнение с двойственными задачами, в том числе в векторной постановке. В работах [25,26,27,29,30,32] автору принадлежат разработка и реализация вычислительных схем для расчета трехмерных стационарных магнитных и электрических полей для гальванических источников, адаптация вычислительных схем к расчетам трехмерных нестационарных электромагнитных полей для этих источников, проведение расчетов для различных геоэлектрических сред и анализ эффективности применения источников типа петля, ВЭЛ, КЭД и ГЭЛ. В работе [28] автору принадлежит разработка и реализация вычислительных схем для расчета двумерных и трехмерных электромагнитных гармонических полей при решении задач маг-
нитотеллурического зондирования, а также проведение многомерной интерпретации данных МТЗ по региональным профилям. В работе [12] автором были выполнены расчеты полей вызванной поляризации, сделана оценка эффективности различных технологий проведения измерений. В работе [9] автором были выполнены расчеты и проведен анализ точности конечноэлементных решений на нерегулярных прямоугольных и параллелепипеидальных сетках с терминальными узлами. В работах [11,14,15,20] автору принадлежит идея метода расчета стационарных и нестационарных электромагнитных полей при заряде и измерениях в удаленных друг от друга обсаженных скважинах, соответствующие реализации и проведение трехмерной интерпретации данных скважинной электроразведки при мониторинге жидких радиоактивных отходов. В работе [13] автором выполнена оценка погрешностей одномерной инверсии при интерпретации данных ЗСБ, разработаны алгоритмы трехмерной инверсии и выполнена их апробация на практических данных. В работах [8,10] автору принадлежат вычислительные схемы для расчета электромагнитных полей в линейных электромагнитных двигателях с осесимметричной геометрией. В работах [16,17,18,19,31] автором предложен и разработан метод расчета электродинамических процессов в электрических машинах в квазидвумерной постановке, позволяющий учитывать конечную длину активного объема, а также замыкание токов через торцевые части электрической машины, выполнены расчеты с использованием разработанного программного комплекса для асинхронных электродвигателей.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены и докладывались на: пятой и восьмой международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2000, АПЭП-2006, АПЭП-2008 (Новосибирск, 2000, 2006, 2008); Третьем сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 2000г.); IV, V и VII международном симпозиуме «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2000, 2001, 2004 г.); Третьем, восьмом и девятом русско-корейском международном симпозиуме KORUS-1999, KORUS-2004, KORUS-2005; Международной геофизической конференции-выставки «Геофизика XXI века - прорыв в будущее» (Москва, 2003); IV международном геолого-геофизическом конкурсе-конференции «Геофизика-2003» (Санкт-Петербург, 2003); Всероссийской научно-технической конференции (Томск, 2003 г.), Всероссийской научно-технической конференции им. А.С.Попова (Новосибирск, 2005г.), Научно-практических конференциях (Новосибирск, СНИИГГиМС, 2003 г., 2007 г, Санкт-Петербург, 2004 г. «Алмазы-50»); Всероссийской молодежной научной конференции с участием иностранных ученых «Трофимуковские чтения - 2008», Международной конференции по вычислительной математики МКВМ-2004; Международном симпозиуме International symposium on heating by electromagnetic sources (Padua, June 22-25, 2004); 65 и 66 Международной конференции EAGE Conference & Technical Exhibition (Stavanger, Norway, 2-5 June 2003, Madrid, Spain, 13-16 June 2005); Шестой международной конференции «On unconventional electromechanical and electrical systems» (Alushta, Ukraine, September 24-29, 2004г.); Научно-
технических конференциях с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (Новосибирск 2005, 2007), Четвертой международной конференции International conference on technical and physical problems of power engineering (TPE-2008) (Pitesti, Romania 4-6 September, 2008), V и VII Геофизическом международном семинаре (Санкт-Петербург, 2007, 2009), а также на научных семинарах ИВМиМГ и СНИИГГиМС.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 72 работы, в том числе 19 статей в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК для защиты докторских диссертаций, 16 статей в других журналах и сборниках научных трудов, 33 публикации в сборниках трудов конференций, 2 публикации в материалах Отраслевого фонда алгоритмов и программ (ОФАП), 1 патент РФ, 1 учебное пособие (серия «Учебники НГТУ», объемом 896 с).
В автореферате приведены основные публикации по теме диссертации.
Структура работы
Диссертационная работа изложена на 425 страницах, состоит из введения, девяти глав, заключения, списка использованных источников (219 наименований), приложения и содержит 182 рисунка и 14 таблиц.
