Numerical modeling of fluid and heat flow in southern North Sea: Investigating the role of faults and salt structures
Kuzey Denizi'nin güneyinde akışkan ve ısı akışının sayısal modellenmesi: Fayların ve tuz yapılarının rolünün araştırılması
- Tez No: 916469
- Danışmanlar: PROF. DR. DOĞA DOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Jeofizik Mühendisliği, Geophysics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Jeofizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Jeotermal potansiyeli olan bölgelerde, akışkan ve ısı akışını gözlemlemek, o bölgede hakim olan mekanizmaların daha iyi anlaşılması için büyük bir öneme sahiptir. Dünya çapında da yeraltındaki, akışkan ve ısı akışı desenlerini araştırmak için çeşitli, jeofiziksel, jeolojik ve modelleme teknikleri kullanılmaktadır. Bu çalışmalar, jeotermal potansiyeli olan bölgeleri anlamak veya yeraltı suyu araştırmalarını geliştirmek gibi farklı amaçlar için gerçekleştirilmektedir. Yeraltındaki, tuz ve fay sistemleri gibi jeolojik yapılar ise, akışkan dinamiklerini ve ısı transferini büyük ölçüde etkileyen oluşumlar olarak bilinmektedir. Bu tezin amacı, yeraltındaki tuz ve fay sistemlerinin, Kuzey Denizi'nin güneyindeki bir bölgede akışkan ve ısı akışını ve zamansal olarak nasıl etkilediğini araştırmaktır. Bölgenin jeoermal potansiyeli dikkate alındığında, bu çalışmanın yeraltında çalışılan bölgedeki ısı ve akışkan akışı mekanizmalarına ve jeotermal potansiyelin anlaşılmasına ilişkin değerli bilgiler sağlaması beklenmektedir. Bu tezde, hedeflenen amaç için, Kuzey Denizi'nin güneyinde, denizde toplanan sismik yansıma kesidi kullanılmıştır. Fay ve tuz yapılarını ayrıntılı bir şekilde incelenmesini sağlayan bu kesit sayesinde, gerçeğe en yakın dünya modeli oluşturularak, çözümleme yapılmıştır. Oluşturulan ana modele ek olarak, tuz yapılarının davranışını ayrıntılı olarak incelemek için, iki adet test modeli üretilmiştir. Bu test modellerinden ilki (Test Model-1) daha basit bir geometri ile tuz yapısının davranışını incelerken, ikincisi (Test Model-2) ise çeşitli jeolojik formasyonları içeren daha karmaşık bir geometriye sahiptir. Aynı zamanda, Test Model-2 literatürde varolan bir çalışmadan alınmış olup, karşılaştırmalı analiz (benchmarking) yöntemi ile, programın akışkan ve ısı akışını incelemede uygunluğu incelenmiştir. Tezde kullanılan sayısal modelleme yöntemi için, ANSYS Fluent yazılımı tercih eidlmiştir. Havacılık ve uzay mühendislikleri gibi farklı birçok sektörde kullanılan, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) programı olan ANSYS Fluent'in yer bilimlerinde kullanılabilirliği çeşitli araştırmalar tarafından da kanıtlanmıştır. İlk olarak yorumlanmış sismik yansıma kesidi kullanılarak, gerçeğe en yakın dünya modelini temsil edecek model geometrisi oluşturulnuştur. Model geometrisi, kullanılan sismik kesitli paralel olacak şekilde, 20 km uzunluğa ve 3338 m derinliğe sahiptir. Bölgedeki fayların kalınlığı ise 100 m olarak belirlenmiştir. Ardından, bölgenin karmaşık geometrisinden dolayı, sistem üçgen ağ elemanları kullanılarak ayrıklaştırılmıştır (mesh). Fayların yüksek permeabiliteye sahip olmasından dolayı, akışkan akışının fay ve çevresinde daha fazla gözlemlenmesi beklenildiğinden, fay yapılarında, çevre jeolojik birimlere göre daha küçük ağ elemanları kullanılmıştır. Sonuçları almadan önceki son adımda ise, geometrisi ve ağ yapısı oluşturulan modele sınır ve hücre koşulları uygulanmıştır. Kuzey Denizi güneyinde yapılan kuyu çalışmasından modelin üst ve alt taban sıcaklık değeri belirlenmiştir. Modele atanan üst sınır sıcaklık değeri 10°C, alt taban sınır sıcaklık değeri ise 110°C alınmıştır. Modelin yan duvarları ise ısı ve kütle geçişine izin vermeyen, geçirimsiz ve adebiyatik duvarlar olarak tanımlanmıştır. Ek olarak, üst tabana, deniz tabanı derinliği göz önünde bulundurularak, hidrostatik basınç değeri uygulanmıştur. Modelin hücre koşulları için ise, çözümler gözenekli ortama göre hesaplatılacağından, farklı jeolojik yapıların, gerçek dünya verilerinden yararlanarak, permeabilite, porozite ve termal kondaktivite gibi fiziksel parametreler tanımlanmıştır. Bu aşama fayların çevre birimlere göre yüksek permeabilite ve poroziteye, tuz yapılarının ise çevre birimlere göre düşük permeabilite, düşük porozite ve yüksek termal kondaktivite değerlerine sahip olmasından ve akışkan ve ısı akışını büyük ölçüde etkileyen parametrelerden olmasından ötürü, doğru sonuç elde edilmesinde büyük bir önem arz etmektedir. Tuz yapılarının yüksek termal kondaktiviteye sahip olmasından ötürü, yeraltındaki sıcaklık desenlerini etkilemesi öngörülmektedir. Bu etkiyi daha iyi gözlemleyebilmek için ana modele ek olarak oluşturulan iki test modelinin çözülmesi sürecinde de ana modeldeki adımlar kullanılmış ve yine zamana bağlı çözüm yapılmıştır. Oluşturulan iki test modelin, ana modelin yorumlanmasına katkı sağlayacağı öngörülmektedir. Test Model-1, tek sediman birimi ve modelin merkez alt kısmına konumlanan dikdörtgen şeklinde tuz yapısı içermektedir. Bu modelin uzunluğu 10 km, kalınlığı ise ana model ile aynı olacak şekilde 3338 m belirlenmiştir. Ağ yapısı oluşturulurken, tuz yapısında ve çevresinde çözünürlüğün artması için daha küçük ağ elemanları (25 m) tercih edilmiştir. Test Model 1'e, ana model ile ilişkisini arttırmak için aynı sınır ve hücre koşulları belirlenmiştir. Hücre koşulları olarak, permeabilite, porozite ve termal kondaktivite gibi fiziksel parametreler tanımlanırken ise tuz yapısının özellikleri ana model ile eş, tek sediman birimi için ise ana modeldeki sediman değerlerinin ortalama değeri kullanılmıştır. Bu adımlardan sonra, Test Model-1, iki boyutlu X-Y doğrultusunda, zamana bağlı olarak, 5 binyıl'dan 1 milyonyıl'a kadar hesaplatılmıştır. Elde edilen çözümlerde en yüksek hızlar ortalama 8.3e-16 m/s olarak hesaplanmıştır. Sistemde hakim olan bu çok düşük akışkan akışı hızları, sistemin iletim yolu ile domine edildiğini göstermektedir. Modeldeki sıcaklık değeri ise, zamana bağlı olarak, özellikle tuz yapısının etrafında daha fazla olmak üzere, sığ derinliklere doğru artmaktadır. Aynı zamanda, hesaplatılan zaman aralığı arttıkça, örneğin 500 binyıl'dan sonra, sistemin kararlı duruma doğru ilerlediği kabul edilebilmektedir. Zaman ilerledikçe tuz yapısının üstündeki bölgenin, çevresinden daha yüksek sıcaklıklara sahip hale geldiği gözlemlenmiştir. Bu tuz yapısının etrafında gözlemlenen sıcaklık artışının sebebi, tuzun (4 W/mK) çevre birimlere (2.3 W/mK) göre daha yüksek termal kondaktivite değerine sahip olması olarak yorumlanmaktadır. Test Model-2 ise daha önceden yapılmış bir çalışma ile karşılaştırmalı analiz (benchmarking) çalışması için oluşturulmuştur. Model geometrisi, Hollanda'nın kuzeyinde yapılmış bir çalışmadaki sismik yansıma kesidi kullanılarak, aynı jeolojik birimlerin yanında, eş sınır ve hücre koşulları kullanılarak tasarlanmıştır. Test Model-2 geometrisi, diyapir şeklindeki tuz yapısının yanında model tabanında konumlanan iki adet fay içerir. 7550 m uzunluğa, 3400 metre kalınlığa sahiptir ve üçgen ağ elemanları kullanılarak ayrıklaştırılmıştır. Ana modelin ağ yapısı gibi yine, diğer birimlere (100 m) göre, fay ve çevresinde daha küçük ağ (50 m) elemanları tercih edilmiştir. Ana modelden farklı olarak, Test Model-2'in, sonuçlarını mevcut literatürle karşılaştırmak için, jeolojik birimlerin farklı termal kondaktivite değerlerine sahip olduğu beş farklı senaryo, kararlı durumda çözdürülmüştür. Bu beş farklı senaryoda amaç tuzun ve çevresinin termal kondaktivite değerlerinin varyasyonları ile, ortamdaki sıcaklık desenlerini nasıl değiştireceğini gözlemlemektir. Senaryolar, tuzun çevresine göre ekstrem termal kondaktiviteye sahip olmasından, ortalama veya minimum değerlere sahip olmasına kadar birçok farklı durum içermektedir. Test Model-2, kararlı durumda hesaplatıldıktan sonra, analiz edilen çözümlerde, akışkan akışı hız vektörlerinin, birimlerin değişen termal kondaktivitesine göre değişmediği ve bu durumda, akışkan akış hız vektörlerini kontrol eden asıl faktörün permeabilite, porozite ve sisteme atanan sınır koşulları olduğu ortaya konulmuştur. Ek olarak, hesaplatılan en yüksek hız değeri tüm model senaryolarında 6.3e-13 m/s olarak hesaplanmıştır. Test Model-2'de de iletim yolu ile ısı iletimi dominanttır. Aynı zamanda modelin tabanında konumlanan fayların akışkan akışı transferini yardımcı olduğu fakat sistemi asıl domine eden faktörün tuz yapısı olduğu gözlemlenmiştir. Çevre jeolojik birimlere göre, tuzun termal kondaktivite kontrastının ve tuzun termal kondaktivite değerinin en yüksek tutulduğu senaryoda, diğer senaryolara kıyasla, tuz diyapirinin üstünde en yüksek sıcaklık değeri not edilmiştir. Ek olarak, bu senaryoda sıcak akışkanların sığ derinliklere ulaşması daha hızlı gerçekleşmiştir. Karşıt olarak, tuz diyapirin üstünde not edilen en düşük sıcaklık, tuz ve çevre birimlerin termal kondaktivite kontrastının ve tuzun termal kondaktivite değerinin en az olduğu senaryoda görülmüştür. Ortaya çıkan bu sonuçlarla, mevcut çalışma sonuçları karşılaştırıldığında ise, çıktıların birbiriyle eşleştikleri saptanmış ve tezde kullanılan programın güvenilirliği kanıtlanmıştır. Elde edilen bu sonuçların, tuz yapısına sahip yeraltı sistemlerinin, özellike tezde oluşturulan Kuzey Denizi'nin güneyinde bulunan bir bölgeye ait olan modeldeki, akışkan ve ısı akışı dinamikleri hakkında öngörü ve temel sağlaması beklenmektedir. Ana model sonuçları, fay ve tuz yapısı içeren çalışma bölgesinde, termodinamik süreçleri ve akış mekanizmalarını gözenekli ortamda incelemek için önemli anlayış sunmaktadır. Zamana bağlı hesaplatılan bu model, 5 binyıl'dan, 1 milyonyıl'a kadar bölgenin akışkan ve ısı akışını incelemektedir. Hesaplatılan bu çözümlerde, maksimum hız vektörlerinin fay yapılarında olduğu gözlemlenmiştir. Bunun sebebi fayların çevresine göre daha yüksek permeabilite değerine sahip olmasından dolayı, akışkanı ve ısıyı taşıyan kanal görevi görmesi olarak yorumlanmaktadır. Modelde gözlemlenen en yüksek hız vektörü değerleri 2.65e-13 m/s ile 3.87e-13 m/s arası değişmektedir. Tuz yapısının yüksek termal kondaktivitesi sayesinde ise, sıcak akışkanlar, sığ derinliklere daha hızlı ulaşmaktadır. Bununla birlikte, tuzun düşük permeabilitesi ve porozitesi sebebiyle, bölgede kapan görevi görebileceği ve bu sayede yeraltındaki akışkanların hareketini etkilediği öne sürülmüştür. Sistem iletim yoluyla ısı transferi tarafından domine edilmektedir ve zamana bağlı çözümler ilerledikçe, özellikle 500 binyıl'dan sonra, sistemin termal dengeye doğru ilerlediği, değişim gözlenmediği kaydedilmiştir. Sonuç olarak, sistemdeki ısı transferi ve akışkanlar dinamiğinin, önemli ölçüde faylar ve tuz yapısı varlığından etkilendiği görülmektedir. Bu etkinin sebebi ise bu jeolojik yapıların, çevre birimlerle oluşturdukları fiziksel parametre kontrastlarıdır. Hesaplanan modellerin, bölgenin jeotermal potansiyeli ve akışkan ve ısı akışı dinamikleri hakkında yeni bakış açısı sağlaması muhtemeldir.
Özet (Çeviri)
Determining how fluids and heat flow in the subsurface is crucial for exploring areas with geothermal potential. Thus, there are numerous geophysical, geological, and modeling research on this subject. The key objective of this thesis is to examine fluid and heat flow in the Southern North Sea along with their temporal variations and to understand the influence of the geological units, including faults and salt structures on this phenomenon. A numerical modeling approach was utilized for this objective to offer an understanding of the fluid dynamics and heat transfer within the region using ANSYS Fluent, a Computational Fluid Dynamics (CFD) software. The presence of faults and salt structures increases the contrast of various physical parameters in the region, suggesting that these structures will influence modeling outcomes, temperature distribution, and fluid flow. Thus, to characterize these structures and develop the two-dimensional real-earth model, extensive approaches were employed. The geometry of the main model has been established using offshore seismic reflection data from the Southern North Sea. After accurately creating the geometry, physical and hydraulic properties are assigned to the porous media serving as boundary and cell zone conditions. Parameters such as permeability, porosity, and thermal conductivity of the geological formations, as well as the temperature and pressure values at the model's boundaries, are included. Additionally, two test models (Test Model-1 and Test Model-2) were developed and computed in temporally and steady-state conditions, to analyze the behavior of the salt structures employing a consistent methodology. The test models are expected to establish a framework for the main model and will be compared with existing literature to validate the reliability of the modeling approach employed in this thesis. The results from both test models indicate that the presence of the salt structures has a great influence on fluid flow and temperature distribution throughout the region. The presence of salt, known for its high thermal conductivity, results in a significant thermal conductivity contrast with the adjacent geological units. As a result, models indicate higher temperatures reaching shallower depths, especially near the salt structure. An additional observation indicates that when the thermal conductivity of the salt increases, hot fluids reach shallower depths more quickly. Also, the program's reliability was shown by the outcomes of Test Model-2, which correlated with the current literature. The fluid flow and temperature distribution of the main model, along with their temporal variations, were subsequently obtained. The highest fluid flow velocity vectors were predominantly located in the fault since the faults have higher permeability. Thus, according to the results, faults act as conduits to help transmit the fluids in the subsurface. In addition, another key factor that affects the subsurface fluid and heat flow dynamics is salt structures. Due to the salt's high thermal conductivity, modeling results show that the fluids with higher temperatures move to shallower depths quickly, which is supported by test model results as well. Due to its low permeability and porosity, it allows a salt to function as a seal, which impacts the fluid dynamics in the region. In conclusion, it is demonstrated that faults and salt structures exhibit distinct differences from adjacent geological units in several physical parameters, including permeability and thermal conductivity. The model results indicate that underground systems influence the fluid and heat flow. Furthermore, computed numerical simulation results are expected to provide insights into the geothermal potential of the region and the fluid and heat flow dynamics.
Benzer Tezler
- 3-D velocity structure of the gulf of Izmir (Western Turkey) by using traveltime tomography
İzmir körfezi'nin seyahat zamanı tomografisi ile 3-B hız modelinin elde edilmesi
ZEHRA ALTAN SAĞLAM
Doktora
İngilizce
2022
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NESLİHAN OCAKOĞLU GÖKAŞAN
- Çok birimli bir binanın doğal havalandırma davranışının sayısal analizi
Numerical analysis of natural ventilation in multi-unit building
OSMAN AVCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
- 2-D heat and fluid flow modelling of the central basin and western high in the Sea of Marmara, Turkey
Marmara Denizi'ndeki merkez havza ve Batı Yüksekliği'nin 2-boyutlu ısı ve akışkan akış modellemesi
ELİF ŞEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DOĞA DOĞAN
- Karadeniz'de gaz hidrat barındıran sedimanlarda sıcaklık ve akışkan akışının modellenmesi
Numerical modeling of fluid flow and heat flow in gas hydrate bearing sediments in black sea
BAHAR GÜVEM
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeofizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DOĞA DOĞAN
- Otomotiv ön cam buz çözme performansının sayısal olarak modellenmesi ve buzun erimesine etki eden parametrelerin irdelenmesi
Numerical modeling of windshield de-icing performance and parametric evaluation of ice melting process
SERHAN TATAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU