基于热流固耦合的单井增强地热系统数值模拟

为提高深井换热器的取热效率,借鉴干热岩的开发思路,本文提出了一种单井增强地热系统。对单井套管底部岩体进行小范围压裂改造,将单井套管由封闭式系统改为开式系统来提高单井系统的取热性能。建立了热-流-固耦合的三维非稳态数值模型,研究了单井增强地热系统的系统性能表现和各关键参数的影响。结果表明:与传统深井换热器相比,单井增强地热系统的取热性能有较大提升,相同注入工况下,生产温度和取热功率分别提高了62.21℃和2 612.99 kW;从地热工程周期和优化角度出发,单井增强地热系统流量控制在10 kg/s较为适宜,过小的单井增强地热系统流量导致取热效率较低,过大使得系统运行寿命较短;增大井筒封隔间距、减小内管导热系数是提高系统取热性能的有效方法。本文研究可为单井增强地热系统的理论分析和实际应用提供参考。

基于热流固耦合的增强型地热有机朗肯循环发电系统性能分析

本文建立了耦合井筒、热储、有机朗肯循环发电系统的详细数学模型,包括三维非稳态热流固耦合模型和有机朗肯循环发电系统热动力学模型,参考青海省共和县恰卜恰干热岩体地热地质特征,包括压裂储层、围岩、裂隙、井筒等特征参数,研究了注入流量、注入温度和井间距对系统净输出功、年均净输出功和热效率的影响规律。结果表明:在一定的注入流量、注入温度和净间距下,随着时间的推移,岩石孔隙压力和热应力作用使得裂隙渗透率增大,注入泵功耗是降低的,净输出功和热效率也是降低的。注入流量的增大提高了膨胀机轴功、注入泵功耗和生产温度衰减速率,进而导致热效率降低,存在最优的注入流量50 kg/s,使得年均净输出功达到最大值1470.1 kW。注入温度的增大可以提高系统热效率,降低净输出功的年均衰减速率,当注入温度为60℃时,年均净输出功最大。井间距的增大减缓了生产温度的衰减速率,有利于热效率的提高,但是也同时也增大了膨胀机轴功和注入泵功耗。当分支井间距为450 m时,年均净输出功达到最大值1497.3 kW。此研究可为增强地热发电系统的开发利用提供指导。

某型号立式加工中心主轴冷却器系统热流固耦合热态特性分析

主轴热变形是影响数控机床加工精度的关键因素,识别主轴系统的热态特性,进而控制主轴热变形是提高机床整机精度的重要任务。文中以某企业实际生产的立式加工中心主轴系统为研究对象,建立其主轴冷却器系统的三维模型;利用ANSYS Module Designer生成流域的三维模型,再利用Mechanical对冷却器和流域进行单元划分,形成流场有限元模型,通过流场分析获得流体的温度分布、速度变化、压力变化及冷却器的温度分布;通过稳态热分析,求解得到分析模型的温度分布;将流场分析得到的流体边界面的压力载荷和稳态热分析得到的温度载荷数据传递给静力结构分析模型,求解得到其应力分布及热变形。分析结果可为主轴冷却器系统结构的进一步优化设计和控制主轴热变形提供技术支持。

CO_2羽流地热系统热开采过程热流固耦合模型及数值模拟研究

建立了CO_2羽流地热系统(CPGS)热开采过程的热流固(THM)耦合模型,结合五点布井方案和多岩层三维几何模型,对一理想热储进行CPGS热开采数值模拟。分析了CPGS热开采过程中热储内的岩体变形特征及其对系统采热性能的影响,并研究了THM耦合下热储初始孔隙率对CPGS热开采的影响。结果表明:CPGS的运行会引起岩体的冷却收缩,造成热储表观体积的减小和热储孔隙率的增大,这有助于提高热储渗透率,加快地热开采速率,从而对地热开采产生积极影响。初始孔隙率越小,岩体变形对热开采的影响越明显。在假设初始渗透率相同的情况下,初始孔隙率越小,岩体变形引起的渗透率增幅越大,系统的热开采速率越快。

增强型地热系统热流固耦合模型及数值模拟

增强型地热系统(EGS)利用水力压裂地下高温岩体形成人工热储,通过载热流体循环提取干热岩(HDR)所存储的地热能,其开采过程包含渗流、热能交换及岩体介质变形,为典型的热流固(THM)耦合问题。将裂隙岩体视作基于离散裂隙网络和基质岩体的双重介质,给出THM耦合的数学模型,基于商业有限元软件COMSOL Mutilphysics进行二次开发,实现裂隙岩体温度场、渗流场和应力场的全耦合求解。利用一个已知解析解的算例验证耦合模型和全耦合求解方法的正确性。最后利用随机生成的二维裂隙网络模型模拟EGS的运行过程,分析干热岩储层内渗流、温度、应力及变形的分布规律。计算结果表明,储层内的贯通裂隙构成主要导水区,水的对流传热作用明显;高压水注入和温度变化导致岩体裂隙发生位移,改变储层的传输特性,进而影响地热能的提取;考虑THM耦合作用对于研究增强型地热系统的的利用效率和运行规律非常有必要。

含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用

介绍自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,该装置主要由伺服加载系统、三轴压力室、水域恒温系统、孔压控制系统、数据测量系统以及辅助系统等6个部分组成,其最大轴压为100MPa、最大围压为10MPa、最高加热稳定温度为100℃,试件尺寸为φ50mm×100mm。该装置具有如下特点:(1)所进行的试验能反映地应力、瓦斯压力、温度等对含瓦斯煤渗透率的综合影响;(2)实现伺服液压控制加载功能,能进行多种形式的加载;(3)实现"面充气",更加逼真地反映实际煤层瓦斯源的情况;(4)设计有导向装置,实现加压活塞杆和支撑轴的对位,避免在加压过程中产生晃动,使得试件受压均匀而稳定;(5)数据采集使用更加灵敏、精确度更高的各类传感器;(6)设计有大型水域恒温系统,并安装有水域循环水泵,加热过程更加均匀;(7)具有研究含瓦斯煤渗透性、变形特性等多种功能。采用该装置进行含瓦斯煤在不同围压、不同温度条件下的渗透试验,结果表明含瓦斯煤变形存在4个阶段,其抗压强度随着围压的增加而增大;含瓦斯煤渗流流量在应力–应变过程中存在阶段性变化且随着温度的升高呈现总体减小的趋势。该装置可用于含瓦斯煤热流固耦合渗流领域的研究,为进一步深层次揭示煤层瓦斯运移规律和研究煤层瓦斯抽采技术提供理论基础。

非一致性界面热流固耦合作用的整体求解

提出了非一致性界面热流固耦合作用整体求解的一种方法.热流体求解基于Boussinesq假设和不可压缩的Navier-Stokes方程.流体区域的运动采用任意Lagrange-Euler(ALE)方法.拟固体元方法实现流体区域的变形.使用几何非线性的热弹性动力学描述固体运动.为了保证界面处应力和传热的平衡,采用了基于Gauss积分点的数据交换方法,对热流固耦合最终形成的强非线性方程实现整体求解.数值实例分析表明该方法的健壮性和有效性.

地下热流固耦合对EGS热开采的影响

人工热储的孔隙率及渗透率在增强型地热系统(EGS)地下热开采过程中受温度(T)、水力(H)、应力(M)的综合影响。本文建立了EGS热开采过程THM耦合的三维计算模型,并采用局部非热平衡假设处理液岩对流换热。对一理想的五口井EGS系统采热过程进行了THM模拟计算,分析了岩石温度、孔隙压力对岩石应力场的作用机理,进一步研究了应力场对EGS采热性能的影响。结果表明,开采过程中岩石应力场为热储内孔隙压力和温差综合作用的结果,由孔隙压力造成的岩石应力为压应力,仅集中于注入井附近,由岩石温度变化引起的热应力为拉应力,随着热开采区域的扩展而扩展。液-岩温差是触发工质与岩石热交换的动因,同时也是产生热应力的根本。

裂隙岩体渗透率与应力耦合对EGS采热性能的影响

在增强型地热系统(enhanced geothermal system,EGS)热开采过程中,储层渗透率受应力的影响而动态变化。为揭示裂隙岩体渗透特性和应力之间的耦合作用对系统采热性能的影响,建立双重介质热流固(thermo-hydro-mechanical,THM)耦合模型,分析基质和裂隙渗透率随应力动态变化时储层THM三场变化规律。结果表明:在热应力与水压力共同作用下,基质渗透率逐渐减小,裂隙渗透率呈指数式增加,采热速率主要由裂隙渗透率的动态变化决定,但如果忽略基质渗透率的动态变化,预测的裂隙渗透率比实际提高41.8%,热突破时间提前,会低估近2年的系统运行寿命。因此,同时考虑裂隙和基质渗透率与应力的耦合作用对合理评价EGS系统使用寿命有重要意义。

高速电主轴热特性建模与冷却系统参数优化方法研究

电主轴热变形是影响加工精度的主要因素之一,而热变形主要由电主轴温升引起,其中冷却系统是影响电主轴温升的关键因素。为了优化冷却系统关键技术参数,以某型号高速电主轴为例,建立了考虑主轴不同旋转面换热系数的热特性模型,提高了温度场和热误差的仿真精度,并进行了主轴不同转速的温升与热误差实验,验证了仿真模型的正确性;基于所建立的电主轴热特性仿真模型,利用正交试验法进行了冷却系统参数优化,冷却参数优化后的仿真实验结果表明,电主轴最高温度降低了2.0℃,热变形减小了25.76μm,为电主轴冷却系统优化提供了理论参考。