TOUGH2Viewer 2.0：全3D Voronoi TOUGH网格的多平台工具

软件X 12（2020）100596原始软件出版物TOUGH2Viewer 2.0：用于全3D Voronoi TOUGH网格的多平台工具S.博尔托洛蒂？邦杜阿？萨德尔DICAM部门，博洛尼亚大学，40131博洛尼亚，意大利ar t i cl e i nf o文章历史记录：2019年12月17日收到收到修订版，2020年8月3日接受，2020年保留字：3D Voronoi强硬非结构化网格可视化Java3Da b st ra ctTOUGH2Viewer 2.0软件最初于2012年推出，是一款增强型可视化软件，专门用于可视化使用结构化和完全非结构化3D Voronoi网格执行的TOUGH模拟结果。当需要精确的数值模拟时，3D Voronoi网格允许很大程度的灵活性。TOUGH系列模拟器代表了一套全球知名的软件，用于多孔和裂缝介质中水、蒸汽、不凝性气体和热量然而，TOUGH没有原生的增强型预处理和后处理工具，并且已经开发了几个预处理和后处理工具。使用TOUGH2Viewer，用户可以通过图形用户界面（GUI）交互式地导航模型（三维虚拟环境新版本的TOUGH2viewer允许通过专用GUI编辑数值模型，增加了预处理功能。©2020作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。代码元数据当前代码版本2.0永久链接到代码/存储库使用的此代码版本https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2019_384法律代码许可证Apache许可证，版本2.0使用Git的代码版本控制系统使用Java的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境&依赖性NetBeans 8.1 IDE，Java JDK 1.8或更高版本，Java3D，JFreeChart。如果有开发人员文档/手册链接，请访问https://github.com/stebond/TOUGH2Viewer/blob/master/TutorialTOUGH2Viewer_ver.2.0.pdf技术支持邮箱：stefano. unibo.it软件元数据当前软件版本2.0此版本可执行文件的永久链接https://github.com/stebond/TOUGH2Viewer/blob/master/T2Viewer_v2.0.zip法律软件许可证Apache许可证，2.0计算平台/操作系统iOS，Linux，OS X，Microsoft Windows，类Unix和任何操作系统Java Java3D支持安装要求&依赖Java和Java3D。链接到用户手册https://github.com/stebond/TOUGH2Viewer/blob/master/TutorialTOUGH2Viewer_ver.2.0.pdf技术支持邮箱：stefano. unibo.it1. 动机和意义*通讯作者。电子邮件地址：stefano. unibo.it（S. Bonduà）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100596TOUGH系列代码是地热储层工程和其他应用（如地下碳储存、核废料和环境管理）中使用最广泛的数值模拟器之一[1]。发展起来2352-7110/©2020作者。由爱思唯尔公司出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxS. Bonduà和V. Bortolotti软件X 12（2020）1005962八十年代初，在劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL，伯克利，加利福尼亚州），TOUGH是用Fortran编写的，最近发布了新的TOUGH 3版本[2]。TOUGH是一个命令行软件，没有本地图形用户界面（GUI）来生成网格和输入文件或可视化模拟结果。TOUGH有一个嵌入式网格生成器工具MESHMAKER，可以生成用户指定的结构网格[3]。为了验证程序的完整性，需要指出的是TOUGH2并不是裂缝性多孔介质中非等温多相流和输运的唯一程序。其中，值得一提的是：Tetrad [4]，FEHM [5]，STARS [6]，Hydrotherm [7]，MUFTE [8，9]，[10]，OpenGeoSys [11]，DUMUX [12，13]，FEFLOW [14]，[15]第15话，你是谁？TOUGH2Viewer [18]是TOUGH网格和模拟结果的可视化和管理软件工具。最初开发用于3D结构化和2D Voronoi挤出网格（在文献中称为2.5D网格）[18]，2017年对其进行了更新，以处理完全 3D Voronoi 网 格 [19] 。 现 在 ， 由 于 新 的 实 现 ， TOUGH 2Viewer不仅仅是一个查看器，实际上它允许通过以下方式进行网格操作：（i）编辑网格块的属性（岩石类型、体积）;（ii）导出用户定义的子网格;（iii）导出开源可视化软件Paraview的模拟结果[20]。到目前为止，在TOUGH系列代码的科学文献中还没有其他专门用于完全非结构化三维网格的可视化软件。TOUGH 2 Viewer虽然是为处理TOUGH文件而开发的，但也可以通过添加专用模块来管理不同的输入/输出文件格式，从而适用于其他数值模拟器。TOUGH输入和输出文件是纯文本ASCII文件。在TOUGH3 [2]中，最后一个版本，有可能获得.csv文件格式和 *.tec格式的模拟结果TecPlot1可视化软件。在模拟结果文件中，热力学变量在网格，它们指的是离散空间的体积。关于块的坐标和几何形状的信息 在模拟中未使用，因此结果（压力、温度、饱和度等）可以使用可视化软件仅在网格的节点处进行可视化。值得一提的是，TOUGH模拟器使用积分有限差分法（IFDM）计算网格块界面处的传热和传质[21，22]。IFDM要求两个相邻块共享的表面积与连接两个节点块的线段正交。结构化正交网格和Voronoi网格隐式地满足这个约束。在不符合IFDM网格的情况下，可能会出现数值误差[23]。通过TOUGH2Viewer获得的模拟结果的可视化考虑了每个块的原始几何形状，允许在完整的3D Voronoi网格上增强模拟结果在科学文献中，许多预处理和后处理工具包括可视化软件和用于TOUGH网格的导出过滤器，其可以是商业的、免费的或开源的。TOUGH的一些最流行的商业预处理和后处理软件工具包括：Petrasim [24]，Leapfrog [25]，WinGridder [26]，mView [27]，GeoCad [28]。在免费或开源软件工具中，最值得注意的是Mul- graph和MulGeom [29]，G*Base [30] Simple GeometricModing Environment（SGME）[31]，TOUGHER [32]，IGMESH[33]，py-TOUGH [34，35]，iMatTOUGH [36]，IGMESH [37]，TIM [38]，AMESH[39] [40]和[41]。表1总结了所列预处理和后处理软件的主要特征。其中，截至正如我们所知，只有TOUGH2Viewer允许3D Voronoi网格的可视化和编辑功能。1 https://www.tecplot.com/2. 软件描述TOUGH 2 Viewer是一款基于Java 3D库的Java应用程序，旨在对TOUGH系列代码的三维结构化/非结构化网格进行可视化、编辑和分析结构化网格可以通过嵌入TOUGH的MESHMAKER网格划分工具例如，使用TOUGH2GIS [42]创建非结构化2.5D网格，其中包括AMESH [39]的修改版本，AMESH是2.5D Voronoi网格的开源网格3D完全非结构化网格（3D Voronoi网格）是由VORO2MESH创建的网格[19]。2.1. 软件构架TOUGH2Viewer包含四个主要模块：输入模块、可视化模块、编辑模块、导出模块。这些模块的详细描述将在以下段落中给出图1示出了总体架构的示意图。用户可以根据以下内容显示网格块：各种计算变量的色标和/或编辑网格块属性。编辑工具允许用户获得关于随时间推移的模拟趋势的总体信息，并修改与网格块相关联的参数值。术语“操作”在这里的意思是能够编辑网格块 属 性 ， 如 材 料 类 型 和 体 积 值 赋 值 、 创 建 / 修 改 主 变 量（INCON）的初始条件（有关INCON文件的详细信息，请参见TOUGH 2手册）、从原始网格导出文件和子网格。导出模块允许用户导出数值模型和/或模拟结果用于两个目的：（i）通过其他可视化软件如Paraview进行可视化;(ii)用于获得修改后的、准备使用的TOUGH输入文件。网格生成任务可以由MESHMAKER执行，AMESH、VORO2MESH或其他网格生成器软件。TOUGH2Viewer使用多种类型的Java 3D库数据对象构建。最重要的数据对象名为VoronoiPlus-PlusBox（），是继承自Java 3D Shape 3D Class的扩展类，表示单个Voronoi 3D单元多面体。其他3D数据对象是笛卡尔轴、表面、折线、矢量等，它们可以用于绘制网格块。对象数据VoronoiPlusPlusBox（）存储一个块的几何属性;它包含顶点坐标、面和每个面的法线向量。 热动力学变量阵列与相对于块的几何信息分开存储。2.2. 软件功能以下段落概述了TOUGH2Viewer提供的主要功能。更多详细信息可在与软件相关的Quick Tools22.2.1. 输入模块输入模块专门用于读取所需的所有数据，一个数字模型3D可视化。TOUGH模型可视化所需的文件是：（i）MESH文件，一个包含块名称、卷和连接信息的ASCII文件。有关MESH文件格式的详细说明，请参阅TOUGH 2用户（iii）由TOUGH生成的包含模拟结果的输出文件。2 https://github.com/stebond/TOUGH2Viewer/blob/master/TutorialTOUGH2Viewer_ver.2.0.pdfS. Bonduà和V. Bortolotti软件X 12（2020）1005963表1用于TOUGH网格生成和可视化的一些预处理和后处理工具列表软件名称2D/3D结构化网格可视化2.5DVoronoi网格可视化全三维Voronoi网格可视化3D Voronoi网格编辑外 部 查 看 器的 过 滤 器 导出商业源代码可用性AMESH没有没有没有没有没有没有是的G* 基础是的是的没有没有没有没有没有IGMESH是的是的没有没有没有没有没有iMatTOUGH是的没有没有没有没有没有是的拉格里特是的是的是的没有是的没有是的跨越式是的是的没有没有是的是的没有MESHVORO没有没有没有没有是的没有没有MulGeom是的没有没有没有没有没有没有MulGraph是的没有没有没有没有没有没有蒂姆是的是的没有没有NP没有是的mView是的是的没有没有没有是的没有彼得拉西姆是的是的没有没有没有是的没有PyTOUGH是的是的没有没有是的没有是的TOUGH2GIS是的是的没有没有没有没有是的TOUGH2Viewer是的是的是的是的是的没有是的更严厉是的没有没有没有没有没有没有VORO2MESH没有没有没有没有是的没有没有WinGridder是的是的没有没有没有是的没有SGME是的没有没有没有没有没有没有Fig. 1. TOUGH2Viewer架构示意图。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版。）模块的主要子程序如下ReadMESH文件（meshFileName）TOUGH的MESH文件包含使用IFDM的离散化空间的参数。函数ReadMESHfile（）读取包含网格属性的文件（MESH文件，在术语TOUGH中）中包含的信息并将其存储在内存中。块的数据的例子（定义在TOUGH的关键字ELEME下）是岩石类型、节点坐标、体积等。该文件还包含有关相邻网格块之间的连接的信息，如节点之间的距离、表面积等（组织在TOUGH的关键字CONNE下）。有关TOUGH输入文件格式的详细信息，请参阅TOUGH用户指南[3]。ReadTOUGHViever_dat（tough2viewer_dat_FileName）对于VORO2MESH创建的3D Voronoi网格，块的几何信息（顶点、面和面法线）存储在名为tough2viewer.dat的文件中。块，用于3D可视化。关于文件格式的更多细节可以在[19]中找到。ReadT2_data（T2outputFileName）TOUGH模拟输出是一个纯文本文件，包含有关块的热物理性质的信息，但它也包含有关模拟本身演变的详细信息（收敛性、数值问题、计算时间等）。此文件的结构取决于用于模拟的状态方程（EOS）和用户激活的消息详细程度。有关输出文件的详细信息，请参阅[3]。2.2.2. 可视化模块它主要由一组窗口组成，用于网格的图形表示和仿真结果的可视化。Model3D（）可视化Model3D（）窗口是TOUGH2Viewer最重要的功能（例如，参见图1和图2）。 2和4）。它创造了一个3D的S. Bonduà和V. Bortolotti软件X 12（2020）1005964图二. （a）AdvanceBlockSelection对话框窗口：用户可以通过块名称、岩石类型、表面、坐标、可见性来选择块。(b)3D结构网格示例。使用TOUGH2Viewer进行岩石使用SetVOI->hideVOI函数将模型的一个区域从视图中隐藏。示出了域之间的分离界面图三. 属性修改器对话框。所选块的属性可以更改：可以指定不同的岩石类型，可以设置新的体积。的可以保存所选块的新属性，可以创建新网格或者可以导出具有新参数的修改后的网格虚 拟 场 景 ， 其 中 数 值 模 型 的 网 格 可 以 被 可 视 化 。 使 用ReadTOUGH2Viewer_dat（）函数读取的顶点坐标构建每个块块是可拾取的，通过选择适当的Model 3D选项，可以可视化有关块属性的信息，或者可以修改与块关联在几种选择方法中，值得注意的是选择实用程序函数SelectNeighbors（），它允许从初始选择的块开始选择所有连接的块。对于模型检查，一组分割模式命令使用户能够查看模型的内部部分。感兴趣区域（VOI）可以被定义为隐藏/可视化网格模型的部分。其他功能包括：预设视图（顶部、底部、右侧、左前、后）、2D图（热力学变量）、快照、块查找、单个或多个选择、子网格导出、岩石类型修改、自动快照和自动旋转功能。3D_Flow（）可视化TOUGH计算块面之间的热量和质量传递。这种类型的变量是一个向量，因为它具有3D方向。Flow3D可视化功能允许用户可视化节点处的流矢量的矢量和，从而快速概览数值模型的演变行为。图5示出了示例。可视化选项可视化选项对话框允许用户设置和编辑可视化参数。主要的可视化选项包括：可视化过滤器：可以通过为所示变量设置最小和最大阈值3D块体模型对象：块体可以根据岩石类型值隐藏/可视化。可以应用拉伸因子来更好地理解块体几何。轴和背景颜色可由用户修改3D流矢量属性，如归一化矢量长度和色标设置。2.2.3. 编 辑 工 具 模 块Properties_modifier（）属性修改器对话框窗口（图3）允许修改岩石类型和/或所选块的体积值。块选择可以通过高级块选择功能执行，允许通过简单的单击或使用曲面文件进行选择，以定义3D空间中的区域。INCON_Generator（）初始条件文件生成器允许用户设置初始条件值（在TOUGH的关键字INCON下）以各种方式：通过块，通过岩石类型或通过用户选择的块。主要变量的初始条件的定义取决于模拟中使用的EOS。INCON_Generator（）对话框允许指定选定的···S. Bonduà和V. Bortolotti软件X 12（2020）1005965××见图4。 使用TOUGH2Viewer的3D非结构化网格示例可视化。模型是100010001000立方米 色标是指气体饱和度变量(SG在强硬的术语）。使用VORO2MESH进行岩石类型分配。使用ShiftXY（）函数可视化网格以允许内部检查。（关于此图例中颜色的参考解释，请读者参考本文的网络版本使用（i）线性相关;（ii）以CSV文件导入的表格数据的插值或使用反距离加权法的xyz原始数据的插值来阻止INCON值。子网格导出功能子网格导出功能允许选择和导出网格的一部分（子网格），从而允许创建新网格。用户可以使用高级块选择对话框或使用选择相邻块功能来选择块。“选择相邻块”功能会迭代搜索连接到选定块的所有块，最多搜索选定数量的连接。统计和绘图功能数值模型的整体行为综合在模拟结果的统计报告中，并且可以在表格中显示或绘制所有模拟时间步长的全球质量和热量平衡2.2.4. 导出模块在TOUGH2Viewer的众多导出功能中，以下功能值得注意：（i）数值模型导出，（ii）原始数据导出，（iii）操作模型导出。使用MESHMAKER或VORO2MESH创建并由TOUGH2Viewer读取的数值模型可以Paraview读取的格式导出为.vtu文件（非结构化网格文件格式）。用于模拟输出文件的其他文件格式包括CSV和CSV。修改后的网格可以通过生成一个新的TOUGH MESH文件来轻松导 出 ， 该 文 件 包 含 修 改 后 的 网 格 属 性 、 INCON 文 件 和 几 何tough2viewer.dat文件，在子网格生成的情况下，该文件仅包含子网格的几何信息。3. 说明性实例我们展示了TOUGH2Viewer软件在两个数据集示例上的主要功能，一个简化的2D结构化网格模型和一个3D Voronoi非结构化模型。3.1. 结构化模型在此示例中，一组3个曲面定义了用于岩石类型指定的4个地质水平带。图2，由装置创建的TOUGH2Viewer，显示三维结构化数值模 型 与 表 面 。 “ 空 " 模 型 （ 即 没 有 指 定 岩 石 类 型 的 模 型 ） 由VORO2MESH生成。或者，它可以用MESHMAKER 构建。使用TOUGH2Viewer高级块选择功能，可以选择具有更高或更低高程的块，或者通过图的高级块选择对话框分别选择由一个表面或两个表面之间识别的块。2. a. 使用属性修改器对话框窗口，岩石类型和体积分配，然后自动指定给选定的块。在岩石类型和INCON分配之后，通过以可直接用作TOUGH输入文件的格式生成修改的MESH和INCON文件来导出数值模型。图2.b通过使用选项隐藏VOI（感兴趣体积），从可视化中隐藏块区域在TOUGH2Viewer快速教程中可以找到该模型的分步指南。3.2. 三维非结构网格可视化在完全非结构化的3D Voronoi网格的情况下（见图1）。4），网格 的 可 视 化 需 要 离 散 空 间 的 完 整 几 何 描 述 。 此 信 息 由TOUGH2Viewer从名为tough2viewer.dat的文件网格由VORO2MESH [19]使用质心Voronoi Tessellation生成网格生成后，具有特殊属性的块，如生成块（TOUGH的GENER关键字，有关GENER块的详细说明，请参阅TOUGH 2用户在所示示例中，TOUGH 2 Viewer在考虑流体静压、两相条件、恒定不凝气饱和度（CO2）和盐（NaCl）含量的情况下生成了用于在流体注入/生产模拟之前获得稳态有关模型生成过程的详细信息，请参阅TOUGH2Viewer快速教程。S. Bonduà和V. Bortolotti软件X 12（2020）1005966图五. TOUGH2Viewer矢量流可视化模块。可视化的矢量变量是VEL（GAS）（m/s）（气体速度）。彩色线段是：红色的x，绿色表示y轴，蓝色表示z轴。（关于此图例中颜色的参考解释，请读者参考本文的网络版本图六、使用Paraview的3D非结构化网格可视化。气体饱和度（SG）色标。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版使用导出功能Export2VTU，将模拟结果导出到一组vtu文件中，并将图6显示了使用Paraview可视化的相同模型Paraview是一个功能强大的3D可视化软件，可以通过一组过滤器和基元来增强数据可视化，用于科学可视化（其中值得一提的是网格块，矢量场，等值面，透明度，切片，阈值等。. ）的。另一方面，它没有专门用于TOUGH2网格的编辑或输入过滤器功能4. 影响3D Voronoi网格在数值模拟领域的使用正在增长，因此也是为模型可视化开发的专用工具。TOUGH2Viewer为TOUGH数值模型的结构化和非结构化3DVoronoi网格可视化和管理的实施提供了有效的见解网格编辑以及在GUI环境中创建TOUGH模拟所需的文件，可以高效地生成它遵循“所见即所得”的概念TOUGH2Viewer适用于第一次接触TOUGH世界的新用户，以及打算部署完全非结构化网格功能而不受3D Voronoi网格和结果可视化限制的经验丰富的用户。TOUGH2Viewer虽然是为处理TOUGH文件而开发的，但通过为不同的文件格式添加新的专用输入模块，5. 结论TOUGH2Viewer支持TOUGH数值模型的可视化和网格编辑。新的网格编辑功能可以快速生成数值模型，并提供视觉帮助。导出功能通过访问Paraview等开源可视化软件来改善可视化，并可以帮助用户改善数值模型结果的可视化。TOUGH 2 Viewer现在以二进制Javajar文件和/或源代码的形式免费提供给科学界。该软件目前未用于商业设置，但TOUGH2Viewer的Apache许可证版本2.0允许其集成到商业工具中。CRediT作者贡献声明S. Bonduà：概念化，方法论，软件，验证，形式分析，调查，数据管理，写作-原始草稿，可视化，监督。博尔托洛蒂：构思，撰写，编辑，监督.竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认这项研究得到了意大利教育、大学和研究部（意大利）提供的地方项目赠款（RFO）的支持。S. Bonduà和V. Bortolotti软件X 12（2020）1005967引用[1] O'Sullivan MJ，Pruess K，Lippmann MJ.地热储层模拟研究现状。地热学2001;30：395-429. http://dx.doi.org/10的网站。1016/S0375-6505（01）00005-0。[2] Jung Y，Pau GSH，Finsterle S，et al. TOUGH 3：A new efficient version ofthe TOUGH suite of physical flow and transport simulators. Comput Geosci2017;108：2-7. http://dx.doi.org/10.1016/j.cageo.2016.09.009网站。[3] Pruess K，Oldenburg CM，Moreover GJ. TOUGH2用户指南第2版。1999年，https://inis.iaea.org/search/search.aspx? orig_q=RN：31049888。[4] Vinsome PKW，G.M.震撼。多用途模拟。宠物科学工程杂志1993;9：29-38.http：//dx.doi.org/10.1016/0920-4105（93）90026-B。[5] Zyvoloski GA. FEHM：模拟地下多相多流体传热传质的控制体积有限元程序。FEHM A控制器有限元素程式模拟海底多相多流体热质传递2007.[6] Pritchett JW. 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