基于局部热非平衡的含裂缝网络干热岩采热性能模拟

采用压裂技术在干热岩中构造裂缝网络,工作流体在裂缝内的循环携热使干热岩中高温资源得到有效提取。为真实模拟岩体与流体间能量传递,基于局部热非平衡理论,将储层视为由基质岩体与离散裂缝组成的双重介质模型,建立温度-渗流-应力全耦合模拟采热过程中流体流动、热量传递、岩体变形的相互作用,进而对不同注采井网和模型参数下采热性能进行研究。结果表明:干热岩资源开采过程的模拟有必要采用温度-渗流-应力耦合,裂缝分布的非均匀性对采热性能有影响;注采井网的合理布局有利于地热能大规模动用与高效开发;基岩热膨胀系数影响温差引起的热应力作用从而影响采热性能;合理选择注采压差有利于开发,压差过大将缩短开发寿命,注入温度越高采热速率越高。

局部热非平衡多孔介质圆管非达西强迫对流换热分析

对流体饱和多孔介质圆管内局部热非平衡情形下非达西强迫对流的换热性能进行数值模拟.首先利用Brinkman流动模型和局部热非平衡模型建立研究问题的数学模型,预测强迫对流换热.然后使用COMSOL Multiphysics仿真软件对模型求解,获得无量纲渗流速度场、固体骨架温度场、流体温度场和努塞尔数(Nu).此外,详细分析Nu对某些关键参数的依赖性.研究发现,随着达西数(Da)和毕渥数(Bi)的增加,Nu先增加后趋于渐近值;贝克来数(Pe)的增加会导致Nu单调增加;相反,流体有效热导率与固体骨架有效热导率之比(即导热比κ)和流体有效动力黏度与实际动力黏度比(即黏度比M)的增加将导致Nu先减小后趋于渐近值.所得模型和数值结果既可用于提高工程中多孔介质圆管换热能力,也可为相关实验和解析研究提供参考.

多孔介质平板通道强迫对流中热局部非平衡时的热应力

根据微观不可压饱和多孔介质热-力-流相互作用的一般理论,在固相骨架小变形的假定下,考虑固相和流相相互作用的粘性耗散,研究了多孔介质平板通道强迫对流热局部非平衡的热应力问题.建立了问题的热-力数学模型,根据饱和多孔介质的平衡方程,在固相骨架只存在横向位移的假定下,求解了固相骨架的位移和相应的热应力,数值考察了各种物性参数对热应力分布的影响,讨论了热局部平衡模型的适用性.

平板通道中热局部非平衡对努塞尔数的影响

利用傅里叶级数,研究了多孔介质平板通道中Darcy流体热局部非平衡对努塞尔数的影响.考虑流体流动方向的热传导以及固相和流相相互作用的粘性耗散,根据热局部非平衡的两能量方程模型,得到了常壁温时多孔介质固相骨架温度和孔隙流体温度的解析解.针对不同的物性参数,给出了局部努塞尔数的分布特征.通过参数研究,揭示了热局部非平衡时强迫对流努塞尔数的响应特征.

热局部非平衡下饱和多孔弹性柱体的拟静态分析

基于多孔介质理论所建立的不可压饱和多孔介质热-流-固耦合模型,对于一端固定、绝热和不可渗透,另一端受机械和温度载荷联合作用且可自由排水的多孔弹性柱体,利用分离变量法和拉普拉斯变换推导给出了热局部非平衡下多孔弹性柱体拟静态问题的一般解析表达式.最后,针对阶梯机械和温度载荷联合作用的情况,数值研究了不同参数下温度载荷对固相变形和有效应力、流体速度和孔隙压力的影响.结果表明:在流固两相热扩散系数的比值较大和两相间热交换系数比较小的情况下,热局部平衡和非平衡下有关结果之间的差异在初始阶段是非常明显的.

热局部非平衡流体多孔弹性半平面问题的非线性研究

在几何非线性和热局部非平衡条件下,对不可压流体饱和多孔热弹性半平面在表面温度载荷作用下的热动力学特性进行研究。首先基于多孔介质混合物理论给出了问题的动力学数学模型。然后提出了一种综合的数值计算方法来求解问题,该方法通过微分求积法和二阶后向差分格式在空间域和时间域离散数学模型,利用Newton-Raphson法求解非线性代数方程组,从而可得到问题的数值结果。研究表明,求解方法是有效可靠的,且具有计算量小、精度高等优点。最后,研究了流体饱和多孔热弹性半平面在表面温度载荷下的热力学特性,考察了材料参数和几何非线性对半平面动力学行为的影响。

热局部非平衡下一维半无限长饱和多孔柱体的温度场分析

对于端部受温度载荷的一维半无限长多孔介质柱体,给出了热局部非平衡下固相和流相温度场在Laplace变换域中的解析表达式。对于冲击温度载荷的情况,获得了温度场在短时间内的Laplace逆变换渐近解析解。数值分析了流、固两相热扩散系数之比以及热交换系数对固相和流相温度场的影响,比较了热局部非平衡下加权温度与热局部平衡下温度之间的差别。

用完全线性化方法计算非局部热动平衡大气模型

本文叙述了用完全线性化方法计算非局部热动平衡大气模型的计算过程程序设计,并对计算结果进行了讨论。

多孔介质太阳能热化学反应器传热特性模拟

利用FLUENT软件并结合用户自定义函数,采用不同的热物理模型,研究了多孔介质太阳能热化学反应器内部的传热和流体流动特性。结果表明:随着入口流速从0.005m·s^(-1)增加到0.1m·s^(-1),局部热非平衡模型和局部热平衡模型之间的平均温度偏差增加了6.55倍,局部热非平衡模型可以保证在高温条件下的仿真精度。对于高温环境下的数值模拟必须考虑辐射传输模型。多孔介质在提供大比表面积和提高反应介质中温度和速度分布的均匀性方面具有积极作用。

含V形结构金属骨架石蜡的相变传热特性研究

在节能减排的背景下,新能源的开发和利用对国家发展至关重要,相变蓄能技术可以解决新能源时间和空间不匹配的问题。文章构建了V形结构金属骨架,对纯石蜡方腔、含均匀结构金属骨架石蜡方腔、含V形结构金属骨架石蜡方腔的模型,采用有限元方法数值模拟并分析了不同模型的熔化速率、蓄热速率和局部热非平衡效应。结果表明:添加金属骨架有利于相变材料的熔化,其中V形结构金属骨架的效果更好;与均匀结构金属骨架相比,V形结构金属骨架具有更加明显地提升相变材料蓄热速率的效果;在传热前期,V形结构金属骨架的局部热非平衡效应更明显,而在传热后期,其温度均匀性更好。

格子Boltzmann方法模拟泡沫金属内相变材料热传导融化传热过程

基于局部热非平衡条件下泡沫金属内热传导融化相变传热的非线性双温度方程,在表征单元尺度上构建双温度分布函数格子Boltzmann模型,其中相变非线性源项处理采用焓法迭代求解。数值模拟了金属骨架与相变材料的温度分布情况,重点分析了孔径、金属骨架与填充材料热传导比和Stefan数等对局部热非平衡效应的影响。模拟结果表明,孔径越大、金属骨架与填充材料热传导比越大,局部热非平衡效应越明显;相变过程的存在,加大了局部热非平衡效应,并且Stefan数越低局部热非平衡效应则越大。

磁场对多孔介质方腔内空气热磁对流的影响

数值分析了微重力下圆形载流线圈倾斜时多孔介质方腔内空气热磁对流.磁场计算采用毕奥-萨伐定律求解;动量方程与能量方程分别采用达西模型与局部热非平衡模型求解.计算结果表明随着磁场力数γ数和Da数的增加,方腔内对流变得越来越强.线圈倾斜角x_(euler)从0°到90°变化时,对流结果关于z_(euler)=45°呈现对称分布.Nμ_m数随线圈倾斜角的改变而变化且每个工况下局部最大Nμ_m数出现在z_(euler)=45°.局部最小Nμ_m数出现在z_(euler)=0°,90°.

LTNE条件下界面对流传热系数对部分填充多孔介质通道传热特性的影响

在多孔介质区考虑局部非热平衡,采用Brinkman-extended Darcy模型结合应力跳跃条件对部分填充多孔介质通道内流体传热特性进行分析。获得了各区域温度分布及Nusselt数解析解,并分析了各参数对温度及Nusselt数的影响。结果表明:界面对流传热系数H_(s)较小时,界面应力跳跃系数β和Darcy数Da的增加会减小流固两相间温差。而在高H_(s)下,Da减小也会减小两相温差。在Da、H_(s)和固流两相热导率之比K较大且空心率S(自由流体区高度与通道高度之比)和Biot数Bi较小时,流固两相间会在接近多孔介质区中部出现最大温差,而该最大温差会随着S增加和Da及H_(s)的减小向界面区移动。对于不同K与Bi,Nusselt数Nu与S的关系曲线存在不同的类型,与模型A(界面处多孔介质固相和流相根据各自温度梯度和热导率划分总热流)不同的是,采用模型C(界面处固相热流分配与自由流体区流相的热交换相关)所获得的Nu曲线类型与H_(s)有关。在K较小时,β对Nu的影响大于H_(s)对Nu的影响;而在K较大时,H_(s)对Nu的影响要远大于β对Nu的影响,且H_(s)增加会明显提高通道内的Nu。

热局部非平衡条件下含球形空洞流体饱和多孔介质的孔隙压力和热应力分析

基于热局部非平衡条件下饱和多孔介质热-弹性理论,本文研究了含球形空洞流体饱和多孔介质的温度、孔隙压力以及固相热应力。应用Laplace变换法获得了固相和孔隙流体温度场以及孔隙压力在短时间内的渐近解析式。对于粘土和砂岩两种材料,数值分析了热局部非平衡条件对温度、孔隙压力以及固相热应力的影响。结果表明:对于粘土材料,热局部非平衡条件下径向应力绝对值的峰值明显大于热局部平衡条件下绝对值的峰值;对于砂岩材料,相对于热局部平衡情况,热局部非平衡条件下孔隙压力和径向应力绝对值的峰值都有显著的提高。

热对流边界条件下含球形空洞流体饱和多孔介质的应力分析

基于热局部非平衡条件下饱和多孔介质热-弹性理论,研究含球形空洞流体饱和多孔介质在热对流边界和完全接触型(固定)边界条件下的温度、孔隙压力以及固相热应力.应用Laplace变换法获得了它们在Laplace变换域中的表达式,数值分析和考察了在球形空洞边界附近处的温度、孔隙压力以及固相热应力的热局部非平衡影响效应.数值结果表明,对于热对流边界条件情况,热局部非平衡影响效应是非常明显的,特别在Biot数为中等值时,热局部非平衡条件下孔隙压力以及径向应力和切向正应力绝对值的峰值都显著高于热局部平衡条件下所对应的值.

基于LTNE的二维饱和多孔介质平板热流固完全耦合数值分析

针对目前多孔介质热流固耦合数学模型多为不完全耦合模型,且物理模型多为一维或一维轴对称模型的现状,对二维饱和多孔介质平板热流固完全耦合问题进行数学建模和数值分析.采用强耦合方式实现热流固3个物理场的完全耦合.在平板左侧施加30℃流体和固体温度边界条件及固定位移边界条件,平板其他边界温度场和位移场假设为自然边界条件,平板四周加载0 Pa的孔隙压力边界条件.利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件的偏微分方程(PDEs)模式实现上述完全耦合模型的求解,得到渗流场、应变场以及双温度场的数值解.数值结果表明,随时间增加,流体和固体温度、应变及孔隙压力沿x轴方向传递,同时发现x轴方向应变远大于y轴方向应变.此外,随时间增加,y轴方向应变和孔隙压力最大值逐渐减小.研究建立的数学模型和数值解有助于深入认识二维饱和多孔介质热流固完全耦合力学行为.

热局部非平衡条件下含柱形空洞横观各向同性饱和多孔介质的热应力分析

提出了一个热局部非平衡条件下横观各向同性多孔介质的弹性力学模型,研究了含柱形空洞的无限大多孔介质在冷对流边界条件下的孔隙压力和固相热应力.应用Laplace变换反演法数值分析了热局部非平衡及材料的各向异性对孔隙压力和固相热应力的影响.结果表明:孔隙压力和固相热应力随着横向热膨胀系数的增大而显著增大,而弹性模量的各向异性对孔隙压力和固相热应力的影响则是微弱的.同时,结果还证实了在Biot数为中等值范围内,热局部非平衡效应是非常明显的.

非平衡条件下金属泡沫管内的流动与传热分析

本文采用热局部非平衡模型对完全填充金属泡沫的水平圆管内的流场、温度场进行了数值模拟,研究了金属泡沫的关键结构参数如孔径d_p和孔隙率ε等对管内流动与换热特性的影响。研究结果表明,填充金属泡沫后,管内流场变得比较均匀,金属泡沫圆管壁面处的速度梯度远高于光管,壁面边界层明显变薄;孔径对压降的影响大于孔隙率的影响,当孔径越大,孔隙率越高时,压降越小;反之,当孔径越小,孔隙率越低,换热越强;综合考虑金属泡沫参数对换热和压降的影响,在本文的研究工况下,最佳的孔径范围是1~2 mm。

基于LTNE的饱和多孔介质THMC耦合模型数值研究

为探究多孔材料中流体流动和温度变化,课题组对溶质和溶剂在孔隙内发生的多物理场耦合问题进行研究。首先,基于局部热非平衡理论(LTNE),分析发生的THMC耦合反应,推导出其控制方程组;其次,将其物理模型简化为内含圆孔无限大平面,通过COMSOL Multiphysics软件,选用一维轴对称坐标系模拟仿真,研究多孔介质应力、孔隙流体压力、溶质摩尔分数和流固体温度分布规律;最后,分析各物理场参数影响。结果表明:随时间增加,各因变量峰值和谷值逐渐沿径向伸展,各物理场之间相互影响愈加深远;反应过程中需衡量参数取值。该研究既可为相关实验和解析方法提供参考,也可直接应用于实际工程中,有助于深入了解饱和多孔介质热流固化完全耦合行为。

泡沫陶瓷内热输运现象的数值模拟研究

本文以Weaire-Phelan泡沫模型为基本骨架,构建了理想化的泡沫陶瓷几何模型.采用周期性边界条件,通过直接模拟,给出了多孔介质局部热非平衡模型所需要的体平均努塞尔数和雷诺数之间的基本关系Nu_d=0.26Re_d^(3×10^(-4)a_i+0.61).数值结果表明:主流方向对压力降和对流传热的影响很小。陶瓷骨架的存在使很小的本征速度产生很强的空间扰动。当流动为湍流时,比表面积是影响对流换热系数的主要因素.孔尺度下,采用数值模拟方法计算的压力降与实验关联式的预测值基本吻合。比较文献中多种关系式的计算结果,本文推荐使用修正的Ergun方程和Richardson等人给出的实验关联式计算压力降.