離散亀裂ネットワーク（DFN）
離散亀裂ネットワーク（DFN）概念は、岩盤亀裂をモデル内で明示的に表現し、それぞれに幾何学的特性と水理特性を割り当てる計算アプローチです。この手法は、流動と輸送が主に相互接続した亀裂ネットワークの空隙内に限定される地質環境のモデリングに適しています。ConnectFlowのDFNモジュールは25年以上にわたり開発され、国際比較演習で広範に検証されています。本ソフトウェアは有限要素法を高効率に実装しており、数千万の亀裂から成るモデルを扱うことができます。
DFNモジュールには以下のオプションが含まれます。
- 決定論的および確率論的な亀裂生成。
- 定常および非定常の地下水流動シミュレーション。
- 規則メッシュおよび不規則メッシュの生成（例：ZMap、VIP、FEMGEN、CAD形式）。
- 岩石マトリックス拡散をサポートした、亀裂ネットワーク内の多成分溶質輸送。
- USGSの地球化学モデリングソフトウェアPHREEQCとのインターフェースによる反応性輸送。
- DFNモデルの等価CPM（ECPM）モデルへのアップスケーリング。
連続多孔質媒体（CPM）
連続多孔質媒体（CPM）モデルは、岩石マトリックスの固体粒子間にある連結した間隙を通じて流動が伝わる特定の種類の岩石や多孔質材料に適しています。例として、砂岩、土壌、粘土、未固結堆積物が挙げられます。ConnectFlowのCPMモジュールは、モデル領域の形状、岩石・流体・溶質の特性、システムに含める物理プロセスを指定するためのさまざまな機能をサポートしています。
CPMモジュールには以下のオプションが含まれます。
- 飽和および不飽和条件における定常・非定常流動。
- 可変密度を伴う塩水地下水流動。
- 塩分と熱の連成輸送。
- PHREEQCとの連携による、化学反応を伴う多成分溶質輸送。
- 移流、分散、収着、岩石マトリックス拡散、溶解度制限の影響を含む汚染物質輸送。
- 共通の放射性核種の溶解度制限で結びつく相互作用連鎖を含む、放射性崩壊系列。
- 随伴法を用いたモデルパラメータへの感度解析。
CPM-DFN連成モデル
地下流動モデリングソフトウェアの中でも独自の機能として、ConnectFlowは異なる種類の1つ以上のサブモデルを統合する埋め込み型モデルを構築するオプションも提供します。つまり、モデルをCPMまたはDFNの概念を用いる個別領域に分割し、それらを相互に入れ子状に配置できます。領域界面には内部境界条件が作成され、圧力の連続性と質量保存が確保されます。
CPM-DFN連成モデルは、地下環境モデルの構築においてユーザーに大きな柔軟性を提供し、例えば以下が可能になります。
- CPM岩盤ボリューム内に埋め込んだ局所DFNモデルを用いて、トンネル、立坑、ボーリング孔周辺の亀裂内の詳細な流動場をモデル化する。
- より大規模なサイトスケールの亀裂性岩盤DFNモデル内に入れ子状に配置された、埋戻しトンネルまたは立坑にCPM概念を適用する。
- DFNおよびCPMサブモデルを通じて、決定論的断層および亀裂帯の連続表現を含める。
最先端のVTKグラフィックスライブラリを基盤とするConnectFlowのグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）は、幅広い3次元地下データ形式に適用できる高度な可視化ツールを提供します。例として、亀裂ネットワーク、粒子追跡パスライン、汚染物質分布の可視化が含まれます。可視化に加え、GUIはグラフィカル環境内でConnectFlowモデルを構築・実行するためにも使用できます。GOCAD®ファイル形式、ECLIPSEグリッド、ESRI（TM）サーフェスなど、広く使用される他のモデリングパッケージとの連携もサポートしています。
ConnectFlowは、モデル化領域の空間離散化に有限要素法を使用します。これは、地質環境に見られるような複雑な幾何領域のモデリングに適した強力なアプローチです。ConnectFlowは高効率な有限要素実装を用いており、数百万のグリッドセルまたは亀裂から成る大規模なサイトスケール・地域スケールモデルを扱うことができます。時間離散化にはCrank-Nicolson法またはGear法を使用します。非線形性は、適切な初期条件が与えられた場合に高速に収束するNewton-Raphson反復法で処理されます。収束困難が生じ得る高度に非線形な問題には、パラメータステッピングが実装されています。ConnectFlowには、高効率なFrontal直接法、一般化最小残差（GMRES）反復法、代数的マルチグリッド（AMG）反復法など、さまざまなソルバーが実装されています。安定性と収束性を支援するため、各種プリコンディショナーも適用できます。
ConnectFlowは、CPMおよびDFNモジュールの両方において、多成分溶質輸送計算に水文地球化学反応を組み込むことをサポートしています。これは、iPhreeqCライブラリを使用してConnectFlowをUSGSの地球化学ソフトウェアPHREEQCにリンクすることで実現されます。ConnectFlowは、輸送計算において以下の種類の反応をモデル化できます。
- 平衡反応
- イオン交換反応
- 表面錯体形成
- 速度論的反応
アップスケーリングとは、DFNモデルを等価CPM（ECPM）モデルへ変換するプロセスです。ECPM表現により計算時間を短縮できる場合や、熱輸送などDFNでは利用できない機能を利用できる場合に有用です。アップスケーリングは、DFNモデル領域を3次元のセルグリッドに分割することで実行されます。その後、亀裂ネットワークの特性がECPMモデル内で平均的に再現されるよう、各セルについて有効特性（空隙率、透水テンソル、流れに接する表面積）が最小二乗法で計算されます。ConnectFlowでは、幾何学ベース、流動ベース、輸送ベースのアップスケーリングアルゴリズムを利用できます。計算実行時間を短縮するため、このプロセスを複数の計算に分割できます。
ConnectFlowは、多くのオープンソースおよびサードパーティのファイル形式を読み込み、書き出し、可視化できます。
- AutoCAD DXF format (.dxf)
- GoCAD Tsurf (.tfc, .ts), polyline (.gpl) and vset (.vs) files
- ESRI raster (.asc) and shape (.shp) files
- FracMan FAB files (.fab)
- Ordnance Survey Landform Profile files in National Transfer Format (.ntf)
- XYZ surface and polyline files (.xyz)
- Eclipse GRDECL grids (.dat)
- Reservoir fracture set intensity files (.rfi)
- Seismic SEG-Y format (.segy, .sgy)
- Stanford polygon files (.ply)
- SURPAC String (.str) and DTM (.dtm) files
独自ファイル形式向けのカスタムリーダーおよびライターを作成できる場合が多くあります。