水热型地热水平井取热对流传热耦合机制

【目的】闭式取热技术只利用地层热量,不抽采地热水,近年来成为地热开发研究的重点领域之一,但关注储层对流对传热影响的研究相对缺乏。【方法】为了提高单井取热量,提出水热型储层水平井闭式取热工艺,增大井筒与储层的接触面积,且充分利用储层对流。建立水平井、循环水、储层互相耦合的流动传热模型,分储层自然对流、强制对流条件开展取热性能预测,揭示储层对流场、温度场演变特征。【结果和结论】结果表明:(1)储层发育与水平段垂直的强制对流可有效缓解热突破,对取热提升较为明显;与水平段平行的强制对流与自然对流取热量无明显差异。(2)与上覆地层相比,储层段对循环水温的提升占主导地位,平均每米温度提升是上覆地层的2.4倍。(3)储层对流场和温度场演变具有高度耦合特性。当储层只存在自然对流时,温度场变化范围与达西流动活跃区局限于井筒邻近区域,沿径向方向扩展;当储层发育强制对流时,温度场和对流场在水平井筒两侧呈非对称分布,低温区和低达西流速区位于对流下游方向。(4)储层温度动态恢复特征受对流条件控制。强制对流可加速对井筒周围区域热量补给,促进温度恢复,具备长年运行的条件。研究成果为水平井取热系统研究与设计提供借鉴。

华北局地大暴雨过程中多个β中尺度对流系统发生发展对比分析

利用常规地面高空观测、多普勒雷达、风廓线、VDRAS(Variational Doppler Radar Analysis System)和NCEP再分析资料,对2018年8月5—6日副热带高压(以下简称副高)控制下华北一次局地大暴雨过程中多个β中尺度对流系统触发和发展机制进行了分析。结果表明:这次大暴雨发生在副高控制下,处于高温、高湿气团中,大气层结极不稳定。暴雨由多个相继发展的中尺度对流系统造成,分别是太行山迎风坡上西南—东北向、华北平原地区保定一带南北向、保定至霸州附近西南—东北向和以雄安新区为中心东西向原地生消的准静止MCS-Ⅰ、MCS-Ⅱ、MCS-Ⅲ和MCS-Ⅳ,均属于β中尺度。在相似的环境中,不同中尺度对流系统触发机制有较大差异,太行山迎风坡上的MCS-Ⅰ是由近地层偏东暖湿气流在迎风坡与山风形成的辐合抬升触发;由辐射差异和前期强降水形成的局地冷池受MCS-Ⅰ影响再次加强后,其出流与环境风形成的两条地面辐合线分别触发了MCS-Ⅱ和MCS-Ⅲ,并组织对流沿辐合线呈带状发展;而超低空偏东风增强叠加冷池出流在地形抬升作用下促使沿山暖湿气团进一步抬升,使得原本消亡的MCS-Ⅰ再次重建。MCS-Ⅳ发展最旺盛、持续时间最长,是大暴雨中心的直接制造者,一方面MCS-Ⅱ与MCS-Ⅲ、MCS-Ⅰ与MCS-Ⅳ的两次合并过程,是MCS-Ⅳ增强、持久的重要原因;另一方面边界层偏东风急流为MCS-Ⅳ的发展提供了水汽和不稳定能量等有利条件,同时推动其左前方中尺度涡旋的发展,导致MCS-Ⅳ所在地的气旋性涡度大大增加,加强了以急流轴为中心的垂直次级环流发展,造成MCS-Ⅳ的发展维持,形成华北平原地区以雄安新区为中心的东西向大暴雨带。

2024年2月17—23日中国大范围强寒潮雨雪冰冻强对流过程涉及的若干问题

2024年2月中下旬我国出现一次多灾种高影响天气过程。这是一次几十年一遇的过程,出现了大范围强寒潮雨雪冰冻天气并伴随强对流发生,涉及到强寒潮、沙尘、降雨、降雪、冻雨,以及强对流和伴随的大冰雹和雷暴大风,多种高影响天气在一次过程中都有所呈现,其过程之复杂异常罕见。本文针对此次过程中值得深入探讨的问题、高影响天气发生发展可能机理、相应的预报挑战等进行简要梳理,为后续对此次过程的细致和深入分析研究做一个引子。

冀中坳陷岩溶热储地下水对流活动的聚热效应

地形起伏及浮力均可以驱动地下水流,在此过程中通过对流方式快速传递热量,进而改变温度分布模式,造成局部显著热异常,对岩溶储层地热资源聚敛有着重要意义.冀中坳陷岩溶热储发育,岩溶缝洞系统为地下水提供了良好的垂向和水平径流条件,形成了独特的对流-传导复合型地热系统.通过温度场、水动力场耦合数值模拟,本文聚焦冀中坳陷岩溶热储强迫对流和自由对流联合作用模式及其聚热效应.二维有限元数值模拟结果表明,在自由对流模型的基础上,地形驱动的强迫对流叠加作用使岩溶层内地下水流速显著增加.地形驱动流体可以推动自由对流单元向坡下滚动,强化了地下水对流的聚热效应.高阳凸起和献县凸起显著的热异常主要归因于岩溶储层和断裂带内地下水自由对流的传热效应,基底起伏造成的热流折射聚热效应是次要的.此外,地形驱动下,自由对流单元向流域下游方向推进可能是献县凸起较高阳凸起热异常更为显著的重要原因.

地幔对流反转:来自全球反转构造的透视和构想

【研究目的】全球中生代与新生代油气盆地在其发育某一阶段发生了构造反转,早期的裂陷盆地在反转期被反转盆地叠加与改造,本文以地幔对流反转作用(区域性反转作用或局部性反转作用)为视角,尝试对地壳表层反转构造成因提出深部解决途径。【研究方法】基于地球物理资料,借助构造地质学、地球物理学研究手段,对全球中、新生代盆地在白垩纪末期、古近纪末期的构造反转事件及反转构造特征进行归纳与对比,研究大洋、大陆板内裂陷盆地正构造反转时间,与其之临近的陆陆板块间造山带内负反转构造事件时间具有同期性,建立了反转构造发育的地幔对流反转模型,研究盆山耦合与局部性地幔对流单元及其变化的关联性。【研究结果】大量证据表明大陆板内裂陷盆地正构造反转时间,与其之临近的陆陆板块间造山带内负反转构造事件时间具有同期性,例如大别造山带造山挤压、伸展塌陷与南华北盆地及合肥盆地伸展裂陷、收缩反转分别具有对应关联性,这种盆山耦合推测是由局部性地幔对流单元及其变化所制约关联起来的。造山带的垮塌不是由于板块间的俯冲作用减弱或汇聚速率减小而引起的重力垮塌,推测根本原因可能是地幔对流方式、方向的改变所引起的间歇性伸展裂陷。大洋板内裂谷(大洋中脊)的正反转构造作用时间与俯冲带内负反转构造作用时间也具有同期性,尽管目前的证据不是很充分。无论板块间活动带内反转构造事件下的反转构造,还是板内裂陷盆地内的反转构造作用下产生的反转构造,都标志着这些构造单元的构造演化进入到一个新的发育演化阶段。【结论】反转构造产生的动力机制涉及到的地幔对流的反向流动,地幔对流反转所引起的岩石圈或地壳反向收缩运动导致盆地反转收缩变形。本构想的深远意义是对地幔对流状态、动力及其变化的理解、研究将会对板块反向运动启动机制研究产生深远的影响。

对流风暴大气不稳定机制研究的若干问题

大气不稳定是强对流天气发生的必要条件之一,具有复杂性。首先简要回顾了气块假设,给出了该假设的应用局限性,比如气块在对流风暴中的强上升运动必然会导致环境大气气压和涡度的变化等;然后梳理了大气的静力不稳定、对称不稳定以及其他多种类型不稳定的概念,重点总结了条件不稳定、湿绝对不稳定和条件对称不稳定的判据及其与对流风暴发生发展的关系,同时澄清了一些错误认识。判别条件不稳定最有效的方法是对气块作有限虚拟位移、使用对流有效位能(CAPE)来判别。CAPE和对流抑制能量的计算对抬升气块的温湿状况较为敏感,并需要进行虚温订正;最优CAPE值较地表CAPE具有更好的代表性。在强垂直风切变、低CAPE环境中,由于旋转导致的动力扰动气压梯度的加速作用对强对流风暴的发展至关重要;对流不稳定不一定对应于条件不稳定。条件对称不稳定的方便判别方法是使用饱和湿地转位势涡度,文中进一步总结了该不稳定所致的中尺度雨带特征。

微尺度下基于对流混合的充填不平衡影响因素数值模拟分析

针对流道中采用对流混合的充填不平衡新的调控方法,通过数值模拟研究了微尺度聚合物熔体流动因素对流道熔体温度分布调控特性的影响。以“H”型流道作为研究对象,在流道中布局了对流混合装置。采用单因素的实验方法研究熔体温度、对流换热系数、流道系统对熔体充填不平衡的影响。数值模拟结果表明:绝热边界条件时,升高熔体温度伴随着熔体自身黏度的下降,对称点之间的温差减小,改善了充填不平衡,对流换热边界时,升高熔体温度加大了熔体通过壁面散失的热量,对称点之间的温差加大,充填不平衡越明显;对流换热系数越小,熔体与壁面之间的导热效率越低,熔体平均温度较高,增加了对称点之间的温差,加剧了充填不平衡;随着流道系统的减小,微尺度效应减弱,可以降低对称点间的温差,充填不平衡的现象得到了较好的改善。其中对流换热系数对充填不平衡的影响最大,其次是流道系统,最后是熔体温度。

青藏高原地区一次深对流活动对平流层——对流层物质交换影响的模拟研究

利用WRF-Chem模式分析了2010年8月12日发生在青藏高原东南部的一次深对流过程中的平流层—对流层物质交换(STE)过程及其影响机制。结果表明,此次深对流系统具备穿透性对流特征,强上升气流能够直接将近地面含高浓度CO和低浓度O_(3)的空气输送至低平流层,使低平流层CO浓度升高、O_(3)浓度降低。同时,深对流活动激发了较强的湍流混合过程,在深对流活动结束后的3~4小时内,湍流混合作用导致上对流层下平流层(UTLS)区域持续发生STE过程,将对流层的冰晶、CO和O_(3)输送至低平流层,但受凝结脱水作用影响,湍流过程向低平流层传输的水汽减少。

一次复杂地形下边界层抬升型暖区暴雨对流触发条件和可预报性的数值研究

长江中下游地区的暖区暴雨过程易受复杂下垫面强迫的影响,具有较大的预报不确定性,尤其是其中的对流触发过程。为探讨此类过程的触发条件及揭示其可预报性受限制程度,本文针对2020年6月23日一次复杂地形包裹下的长江中下游暖区暴雨展开高分辨率的数值模拟和对流尺度集合模拟,通过Lagrange气块后向轨迹分析、去除地形和关闭热效应的敏感性试验以及集合敏感性分析等方法对此次过程的对流触发阶段展开分析。结果表明,此次过程被抬升气块的主要源地为1.5 km以下的边界层,仙霞岭和杉岭在正午时分因热力作用而驱动的出谷风是引发局地辐合抬升的动力源,高低层散度、湿位涡的垂直配置以及偶极型位涡异常对此次对流触发过程具有较好的指示意义。此外,该过程对前期近地面2 m高度处温度和模式底层视热源具有较高的敏感性,该结果证实下垫面强迫的精确刻画对于提升暖区暴雨的预报效果至关重要。逐步减小初始场误差的初值敏感性试验进一步表明,此次暖区对流过程的可预报性显著低于北边的锋面过程,表现为锋面对流的偏差总能量能随初始误差的缩小持续性降低,而暖区对流的偏差总能量曲线则仍能增长至与原水平相近,呈现出非线性辐合收缩特征。因此,对于天气尺度强迫显著的锋面对流,或可优先考虑通过加强资料同化能力等手段降低初始场误差来减小预报误差;但对于复杂地形下的暖区暴雨对流触发过程,则需要更加强调通过集合预报来捕捉其不确定性。

大高宽比矩形腔体侧向正弦加热下对流扰动的成长和传热特性

为了研究矩形腔体侧向正弦周期加热条件下对流扰动的成长和传热特性,本研究对流体力学方程组进行了数值模拟。结果表明:随着格拉晓夫数Gr的增加,对流扰动的最大振幅Amax的成长率变大,线性成长阶段的时间变短。对于高宽比A=10,腔体宽度d=2cm的腔体,普朗特数Pr=6.949的流体,对流扰动的成长率γ_(m)随着格拉晓夫数Gr变化的经验式为γ_(m)=9×10^(-8)Gr^(1.2343);对于高宽比A=10、腔体宽度d=6cm的腔体,普朗特数Pr=0.703的流体,成长率m随着格拉晓夫数Gr的变化关系式为m=8×10^(-4)Cr^(0.52)。当Pr=0.0272时,热壁面平均努塞尔数Nu和格拉晓夫数Gr的关联式为Nu=0.00002Gr^(1.17);当Pr=6.949时,Nu=0.00024Gr^(1.05)。随着格拉晓夫数Gr数增加,右壁面的传热能力增强。

超临界压力流体管内湍流对流传热的计算方法

将边界层积分方法应用于管内变物性湍流流动导出了剪切应力的分布方程,基于该方程可以对超临界压力流体的对流传热行为做出合理的定性解释。对于加热条件下的传热工况,结合“热可压缩”状态流体密度的变化,引入浮力阻力系数表征热流方向上的“浮力效应”,引入加速阻力系数表征流动方向上的“加速效应”。根据边界层理论和动量-热量传递比拟法导出了新型传热关联式,该关联式将不可压缩流体和热可压缩流体的管内湍流对流传热计算统一起来。应用关联式预测不同超临界流体的管内湍流对流传热系数,计算结果与实验数据的比较表明:关联式能较为准确合理地预测出大部分传热工况下的传热强化和传热恶化行为,其预测精度与摩擦阻力系数的计算有关。

冶金渣气系统中Marangoni-热毛细对流的数值模拟

高品质钢材制造与钢铁在高温熔池冶炼过程中渣/金/气界面流动传热等物理机制息息相关。考虑熔池向外界散热和渣气相界面变形,耦合熔渣表面张力随温度变化,建立高温矩形浅熔池内渣气流动传热模型,运用CLSVOF方法考察冶金渣气系统的界面Marangoni效应。研究结果表明:熔池内热毛细对流远强于Marangoni对流,热毛细对流显著影响冶金渣气系统的温度场分布和流场结构,贡献率约占96%。随着水平壁面温差增加,Marangoni-热毛细对流增强,相界面变形加剧,熔渣温度均匀性提高约0.018%/K,但是相界面附近壁面耐火材料腐蚀情况更加严重。

流体黏性对盐指型双扩散对流扩散通量影响的试验研究

为研究盐指型双扩散对流过程中流体黏性对通量的影响,使用中间有移动挡板的试验水箱形成初始为静止状态的糖-盐双层系统,并通过调整糖、盐组分质量分数设计了一系列密度稳定比相同而流体黏性不同的试验工况,进行了双扩散对流扩散通量变化规律的试验研究。试验结果表明:流体黏性对盐指型双扩散对流扩散通量的影响不可忽略,在双扩散对流强度相同的条件下,试验流体黏性越大,盐指型双扩散对流扩散通量越小;当试验流体的运动黏滞系数均小于1.15 mm2/s时,糖和盐这两种组分跨界面的双扩散对流扩散通量随流体黏性增大而减小的趋势相近,当两种组分的质量分数持续增大时,盐溶液的黏性仍缓慢增大,而糖溶液的黏性迅速变大,此时糖组分的跨界面双扩散对流扩散通量仍会随糖溶液黏性的增大而减小,但盐组分的跨界面双扩散对流扩散通量不再变化;Stern数与流体黏性呈负相关关系。

一次冷涡背景下次天气尺度系统对强对流环境场的影响

在同一东北冷涡背景下,2016年6月12—13日山西境内连续2 d出现强对流天气,12日为分散性对流而13日为大范围强对流。基于多源资料通过对比探讨次天气尺度系统及其演变对风暴环境进而对风暴结构的影响,得出以下结论:(1)两日风暴强度和风暴结构差异显著。6月12日对流孤立分散且回波强度小于55 dBZ,而13日准线性风暴发展成尺度较大的弓形回波引发大范围强对流天气,回波强度达60 dBZ。(2)此次过程的关键影响系统为冷涡背景下的次天气尺度低涡。12日次天气尺度低压扰动开始出现,距离远而未影响山西;13日低压扰动东移发展为次天气尺度切断低涡,低涡相关的地面冷锋及850 hPa切变线触发山西上游对流。(3)12日低层水汽含量低,0~3 km垂直风切变弱,13日低涡前偏南水汽输送使低层显著增湿,叠加中层干冷空气形成不稳定层结,受低涡影响0~3 km风垂直切变增强至5.0×10-3s-1,冷锋触发的对流风暴在上述环境下强烈发展并产生阵风锋,阵风锋组织风暴形成飑线,冷池与0~3 km风切变相互作用使飑线维持。(4)13日有利于飑线发展的环境要素与东北冷涡西侧的次天气尺度切断低涡系统密切相关,次天气尺度低涡是飑线形成发展的关键系统。

侧向周期加热腔体对流对格拉晓夫数的依赖性

通过流体力学方程组的数值模拟,研究了侧向周期加热条件下普朗特数Pr=0.703的流体对流对格拉晓夫数Gr的依赖性。结果表明:随着格拉晓夫数Gr的增加,腔体中出现3种对流斑图阶段,即稳态对流、周期性对流和非周期性对流。从稳态对流向周期性对流过渡的临界格拉晓夫数Gr=1.448×10^(4),从周期性对流向非周期性对流过渡的临界格拉晓夫数Gr=1.348×10^(6)。在稳态对流阶段,对流特性参数(水平流速和垂向流速)随着时间不变化,在两个高温度差区域各存在一个稳定的对流圈。在周期性对流阶段,对流特性参数随着时间周期性变化。两个低温度差区域各存在多个稳定的对流圈,在两个高温度差区域各存在一个周期移动的对流圈,移动周期随着格拉晓夫数Gr的增加而减小。两个高温度差区域的上部存在明显的温度羽。在非周期性对流阶段,对流特性参数随着时间非周期性变化。在3个对流阶段的变化范围内,平均努塞尔数、最大水平流速和最大垂向流速随着格拉晓夫数Gr的增加而增加。

贵州威宁对流单体雷达回波分层结构特征分析

本文选取了2017—2020年威宁县111个对流单体(35个冰雹云单体和76个雷雨云单体),着重分析了对流单体雷达回波在垂直指向上的分层结构特征,并结合双偏振雷达观测分析了对流云单体偏振参量和水凝物相态分布特征。研究分析结果表明:①威宁对流单体雷达回波典型特征量基本一致,对流单体生命史周期约为100 min,最大反射率因子主要位于与0℃层高度差±2.0 km的范围内;②当对流单体雷达回波强度从45 dBz发展到55 dBz以上时,冰雹云具有发展迅速且持续时间长的特点,冰雹大小则与强回波在融化层高度以上的扩展高度存在一定的对应关系,高度越高、冰雹越大;③X波段双偏振天气雷达能够较好地反映降水粒子类型,基本符合粒子形状、大小和相态分布的特点,但应考虑降水相态粒子处于临界过渡区域的转化特点;④威宁多小冰雹主要与垂直风切变较弱、对流有效位能CAPE值不稳定能量偏低,且中小冰雹在下落过程中逐渐融化变小有关。

车辆通风式制动盘内部通道对流换热的分析

为进一步改善车辆通风式制动盘散热效果,提升其制动性能,加强车辆行驶稳定性,本文以通风式制动盘对流换热影响要素作为切入点,明确了制动盘通道对流分析方法,基于温度与气流两方面针对车辆制动盘通道对流换热进行了试验,并按照流场分析、肋板结构优化等角度对制动盘通道换热优化方案进行了构思,最终对换热优化设计成效进行了比对和研究,力求实现车辆制动盘结构内部散热与流阻之间的有机平衡,保障车辆制动系统运行过程中的安全可靠。

微重力条件下PCM液桥内固液相变过程及热毛细对流数值模拟

为揭示微重力条件下PCM液桥相变过程流动特征及相变演化规律,建立PCM液桥数理模型,采用数值模拟的方法系统研究了不同工况下PCM液桥相变过程中固液界面的演化过程,分析不同高径比和温差对液桥形状、固液界面演化规律、相变速度和热毛细流动的影响.研究结果显示,在大温差条件下热毛细流动更加强烈,处于外部壁面处的相变材料的相变速度也会更快,外壁处的相变界面与壁面的夹角会更小.大高径比条件下会有同样的效果,同时也会产生更多的涡胞结构,热毛细对流效果更明显.结果表明,微重力条件下通过流体界面热毛细效应强化PCM相变是一种有效的方法.

ADS-B信号在对流层大气波导中的传播性能

对流层大气环境存在特殊大气结构“大气波导”,可形成电波超视距传播或产生雷达盲区等。目前,通过雷达、GNSS信号等可以对大气波导进行一定程度的反演探测,但均存在一定的不足。ADS-B信号具有应用范围广、信号密度大、实时性高等特点,为此提出利用ADS-B信号受到不同大气环境影响后能量损耗不同的特点对ADS-B信号与对流层大气环境关联性进行分析研究。以武汉地区ADS-B信号数据为例,基于抛物方程传播理论对路径损耗进行仿真分析,并进行了实验验证。结果表明:ADS-B接收信号与仿真结果存在线性相关性并给出线性表述,为后续利用ADS-B信号反演大气波导提供参考依据。

强制对流下翅片管蒸发器表面结霜实验

翅片管蒸发器表面结霜是阻碍制冷系统高效运行的主要不利因素之一。利用恒温恒湿箱搭建强制对流下蒸发器翅片管表面结霜可视化实验平台,在环境温度0~8℃、相对湿度55%~75%及迎面风速0.8~2.4 m/s时,实时记录霜层动态生长过程,研究了环境温度、相对湿度和迎面风速对霜层生长特性及蒸发器换热性能的影响规律。结果表明:环境温度和迎面风速是影响蒸发器结霜的主要因素,结霜50 min,环境温度为0℃的霜层厚度比环境温度为8℃的提高了12.78%,迎面风速为2.4 m/s的霜层厚度比迎面风速为0.8 m/s的提高了14.66%,结霜量与换热量提高趋势相同。在结霜初期,相对湿度越大,换热量越大;结霜后期,相对湿度越小,换热量越大,并得到了换热量关于环境参数与时间的相关关系。