Technical Report NTB 93-36

FRACMESH -A Program for the Generation of Finite-Element Meshes for the Hydrodynamic Modelling of Fractured Rocks

Dans le domaine du stockage des déchets radioactifs, la méthode numérique des éléments finis est couramment appliquée pour la modélisation des phénomènes d'écoulement, de transport de soluté et de transfert de chaleur au sein de milieux géologiques. Le principe de cette méthode numérique repose sur la discrétisation de l'espace en objets mono-, bi- et tridimensionnels: les éléments finis. Les mailles à éléments finis sont généralement obtenues de façon automatique, voire semi-automatique à l'aide de générateurs de maille. Les facteurs limitatifs contrôlant la génération des maillages sont d'une part le nombre d'éléments finis – dépendant directement de la puissance informatique disponible – ainsi que la topologie du milieu considéré. Ces limitations nécessitent la mise en œuvre de simplifications lors de la modélisation du milieu géologique. Les générateurs de maille ne sont généralement applicables qu'en présence de géométries relativement simples. Ainsi, la modélisation de formations géologiques présentant de nombreuses structures tectoniques n'est pas envisageable. Les caractéristiques des structures tectoniques, influençant fortement les écoulements au sein du milieu, ne peuvent être rendues de façon réaliste à l'aide de tels générateurs de maille.

La famille de logiciels FRACMESH est un générateur de maille sophistiqué qui a été développé pour deux sortes distinctes d'applications. La première (FRACMESH) permet la génération de maillage à éléments finis complexes à l'aide d'un nombre limité d'instructions qui sont contenues sous formes de mots-clés et de paramètres dans un fichier d'entrée. Ces différentes instructions vont permettre de définir la taille du modèle, la géométrie et les propriétés des unités hydrogéologiques, de même que l'orientation, la taille et la fréquence des structures tectoniques. La seconde application est de permettre une discrétisation plus fine de maillages préexistants (FEMFRAC). Cette discrétisation additionnelle peut s'appliquer de façon globale à l'échelle de tout le modèle, ou de manière plus locale sur une partie quelconque du modèle selon les besoins spécifiques de la modélisation. Ces logiciels permettent également l'introduction de structures tectoniques supplémentaires (bi- ou tridimensionnelles) à l'intérieur d'une maille préexistante.

La caractéristique principale du concept sur lequel est élaboré FRACMESH est de ne présenter aucune des limitations topologiques généralement présentes dans les autres logiciels. Ces logiciels offrent la possibilité de modéliser des géométries complexes à trois dimensions, telles que des zones de fractures d'orientation quelconque intersectant des blocs de matrice rocheuse. Le nombre d'éléments finis contenus dans une maille peut être contrôlé par différentes options régissant la géométrie des éléments (tétraèdres, briques, ..). Celles-ci permettent une réduction du nombre total de nœuds (et donc des éléments) de la maille. Des techniques d'optimisation de la résolution de la matrice globale des perméabilités sont également disponibles.

Le rapport fournit une description générale des logiciels. L'utilisation de FRACMESH est expliquée à l'aide de plusieurs cas d'étude pratiques. Des suggestions sont émises pour la mise en œuvre de développements supplémentaires. Les sources des logiciels FRACMESH/FEMFRAC sont données en annexe.