裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析

通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。

裂隙岩体传热的流热耦合分析

通过对裂隙岩体介质的热传导和渗透特性的分析,建立了耦合传热模型.采用导热微分方程描述裂隙岩体的温度场分布,并用加权余量的Galerkin法对岩体热传导方程进行离散,结合边界条件及计算参数对其进行数值求解.数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流引发的热质迁移对裂隙岩体的温度场分布有重要影响.随着裂隙内水流渗透速度的增加,热交换的速度加快,缩短了达到热平衡的时间.渗流速度越大,交界面处温度等值线的不连续现象越明显,热交换越不充分.随着渗流速度的降低,热质迁移量减少,热交换的充分性增加,岩体内的温度等值线平滑连贯,温度梯度降低,裂隙内温度等值线的锐化现象逐步消除.沿着裂隙水流的流动方向,温度等值线变化率逐渐减小,热交换的速率逐渐降低.流固耦合作用对渗流作用下裂隙岩体的温度场分布具有明显的影响,流体温度的变化会影响裂隙岩体温度场的变化梯度.

颗粒帘换热单元的稳态换热特性研究

提出了一种全新的颗粒帘换热器的概念及基于其换热单元的空气预热器(空预器)概念,并在固体与气力快速热平衡的假定条件下构建了换热计算数学模型,研究了各工况下热颗粒-冷气流及冷颗粒-热气流的换热特性及规律。结果发现:颗粒帘换热单元中,当颗粒质量流量足够时,冷流体加热后的出口平均温度可无限接近热流体初始温度,冷热流体之间能够实现深度换热,换热效果明显。基于颗粒帘的气固两相换热器技术是空预器及各种工业尾气余热回收技术的重要发展方向。

岩体THM耦合模型控制方程建立

根据岩体三场耦合的机理分析,从线性动量守恒、质量守恒和能量守恒出发,理论上推导出以位移、孔隙压力和温度为未知量的THM耦合控制方程组,包括岩块变形场方程、地下水连续性方程和水、岩能量守恒方程.方程组不仅考虑了水、岩的密度随温度和压力变化,同时也考虑了水、岩温度不同具有热交换,最后还对后继研究提出了建议.

流体-岩石相互作用中氧同位素地球化学及动力学研究现状

流体－岩石相互作用的研究突破了静止的固体地球观。开放体系、不平衡和动力学的研究构成了以地球内部流体为目标的前缘领域。矿物－流体体系氧同位素交换反应动力学模型主要分为５种：封闭、“封闭”、单向流动开放体系、流体缓冲体系和岩石缓冲体系。１８Ｏ／１６Ｏ交换机制主要为扩散控制和表面控制，后者通常伴随着强烈的矿物蚀变反应，前者则缺乏之。花岗岩－流体体系主要包括浅成系统、深成和／或者长期活动系统以及均一化平衡系统。花岗岩－流体氧同位素交换反应大多属于开放体系不平衡类型。同变形期流体－岩石相互作用的本质在于变形与流体化学反应的藕合作用。流体循环与质量传输机制主要包括平流或渗透、扩散以及平流－扩散复合机制。

热响应试验后的热恢复试验理论与应用研究

完成热响应试验后关闭加热器,维持循环泵和数据采集系统运转,即可进行热恢复试验。根据热流叠加原理和线热源理论,得出传热介质平均温度随开启加热器开始计时的时间与热恢复试验时间之比的自然对数呈近似线性关系。通过工程实例阐述热恢复试验现场试验方法和数据处理方法,验证用其确定岩土导热系数和钻孔热阻的准确性和实用性,为用热恢复试验确认或检验岩土热响应试验成果提供理论依据和实例。

质子交换膜燃料电池系统建模仿真与控制

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)建立合适的数学模型,有助于改善PEMFC的设计。结合燃料电池的电场与温度场,建立了包含质子交换膜燃料电池的电化学模型与温度模型的数学模型,通过MATLAB软件进行仿真,仿真结果表明该模型较好地反映出PEMFC系统的动态特性,并研究了工作温度、反应气体工作压力以及质子交换膜面积变化对电池输出性能的影响。与此同时结合所建立的质子交换膜燃料电池模型设计了一款采用PID控制的Boost升压电路,将燃料电池输出不稳定的电压转变成可供给负载稳定使用的24V电压。

CFD在低温流场中的应用

利用流体力学基本数学模型,对速冻装置内低温流场的气流组织进行了模拟,对照实验结果证明了模拟的可靠性;对装置内部采取了一些改进措施以有效地减少装置内部与料口处的热质交换,为装置的优化设计提供了依据。

两相横向流诱发管束弹性不稳定性的试验研究进展

弹性不稳定性是流体诱发管束振动失效的最主要原因,文章针对两相横向流诱发管束弹性不稳定性的试验研究进展进行了综述。介绍了两相横向流诱发管束振动的试验介质和试验装置,概括了含气率、振幅、阻尼以及流体动力质量的测量和计算方法,探讨了试验介质、管束的排列方式、节径比以及含气率等对流体弹性不稳定性的影响,同时总结了两相横向流诱发管束弹性不稳定性的设计准则。最后提出了两相流诱发管束弹性不稳定性的模拟研究将成为研究热点。

中深层地热能供暖地埋管换热器传热分析

介绍了中深层地热能套管式换热器的结构和工作原理,建立了换热管内循环流体及钻孔周围岩土介质的能量控制方程。以某地源热泵工程项目为例,分析了钻井深度、循环液流量及大地热流对地埋管换热器名义取热量的影响,以及循环液进出口温度的变化、地埋管换热器的热影响半径、钻孔壁的温度分布,揭示了项目运行时取热量、循环液及地下岩土相关参数的变化。

超临界CO_(2)在高温裂隙岩体中的热交换研究

近年来,由于超临界CO_(2)(Supercritical CO_(2),简称scCO_(2))额外的地质封存效益,将scCO_(2)替代水,作为深部地热开采的工作流体的设想,正受到越来越多的关注。因此,开展高温裂隙岩体中流体运动和热交换过程的模拟研究,对于理解深部地热开采机理具有重要意义。本文在充分考虑scCO_(2)热物理性质随压力和温度变化的基础上,建立了基于三维裂隙网络显式描述的复杂高温裂隙岩体scCO_(2)热流耦合模型。通过与热流耦合作用下的二维单裂隙模型的解析解进行对比,验证了数值模型的正确性,然后对scCO_(2)在复杂三维随机裂隙岩体的渗流和热交换过程进行了模拟。研究发现:贯通的裂隙网络通道是scCO_(2)的主要流动路径,在贯通的裂隙簇中会出现明显的优势流,突破现象最早在贯通裂隙簇中产生,scCO_(2)流体对压力非常敏感,选择合适的注入压力能显著增加热交换效率和降低流动难度。模拟结果表明,本模型可以很好地展现裂隙岩体换热过程的非均质特性和结构面控制特性,可作为评价scCO_(2)采热过程的有效工具。

基于热流耦合方法的岩体内渗水水温变化过程模拟

鉴于正确判断出水原因及渗水来源是制定防渗加固措施的重要依据,将热流耦合方法引入到岩体裂隙渗水计算中,分析渗水来源、渗水量、渗漏路径及岩体温度等对渗水温度的影响程度。结合某实际工程导流洞首次过流时在附近出现的10个渗水点,应用该方法模拟由导流洞到出水点的渗水过程。结果表明,6个出水点的温度仿真结果与实测水温接近,佐证了渗水来自导流洞的推断;2个距导流洞较近的出水点仿真温度偏高,极有可能是真实的渗漏路径较长所致;另有2个位置较远的点仿真温度偏低,初步推测可能受周边温度较低的地下水影响。这说明热流耦合方法可应用于模拟岩体裂隙中渗水水温变化过程,为初步判断岩体内渗水来源提供了依据。

基于三维非等温多相模型的质子交换膜燃料电池局部传质机理

为使质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部的电极反应物和电极产物有一个更加稳定与均衡的分布,在燃料电池传统阴极蛇形流道的基础上,对其U形转弯入口及出口处进行渐缩渐扩处理,使流道U形转弯处侧壁形成一定角度的坡面,并建立了缩放坡面流道的单电池三维数值模型。对比研究了不同几何参数对流道内液态水动力学行为、排水效率、反应气体质量分数、电池最大功率密度的影响,结果表明坡面结构在一定程度上引导了液滴的流动路径,使流道底面的气体扩散层(GDL)附近气流扰动增强,氧质量分数和电流密度分布更加均匀,最大功率密度得到了明显提高,整体上提高了PEMFC内部的传质能力。

EGS载热流体水岩作用对人工地热储层裂隙物性特征的影响

增强型地热系统(EGS)是一种从低渗透率低孔隙度岩层中提取热量的工程。载热流体注入深部地热储层后在储层裂隙发生水岩作用,引起地热储层矿物的溶解和沉淀,改变储层裂隙通道的物性特征,对EGS的长期运行产生重要影响。以苏尔茨地区的一种典型花岗岩为人工地热储层,建立了一维多重相互作用连续统一体地质模型,将相同温度的CO2和水以相同压力注入人工地热储层裂隙通道中,探讨两种载热流体的水岩作用对储层裂隙物性特征的影响。结果表明,在同样的储层状态、相同的运行模式下,CO2-EGS水岩作用对裂隙通道物性特征的影响明显小于H2O-EGS。

极地船换热器中海水-冰晶两相流的流动及传热特性的数值研究

为改善极地船舶在北极航行时换热器的换热以及解决管程的冰堵问题,保障船舶海水冷却系统的运行与控制,基于CFD数值模拟方法,使用欧拉-欧拉双流体模型耦合相间传热传质模型,对海水-冰晶在壳管式换热器入口直管中的流动和传热进行数值模拟,研究入口含冰率和速度对冰晶流动和传热特性的影响.结果表明,冰晶在流动过程中由于融化发生分层现象,增加入口IPF或降低速度,会出现更显著的分层现象且顶部近壁处的冰晶体积分数随之增大.此外,与单相海水传热特性相比,当速度为1.0 m/s时,冰晶会增强传热;当速度为1.5 m/s、IPF小于6%或者速度为2.0 m/s、IPF小于10%时,冰晶对海水-冰晶两相流的传热具有减弱的作用,而且这种影响随入口速度的增加而增大;IPF为20%时,传热系数达到最大值.

不同地应力下水压裂隙扩展演化数值模拟分析

流-固耦合作用下岩体裂隙的萌生、扩展及相互贯通对高温岩体地热开发中人工热储的建造具有深远的理论和实际意义。依据弹性力学和流体力学理论,建立了不同应力和水压下的流-固耦合数学模型,采用修正Mohr-Coulomb强度准则作为裂隙岩体破坏的判别准则,运用有限元软件(Comsol Multiphysics)分析了水压力对裂隙岩体破环过程的作用机制。数值结果表明:不同深度对裂隙岩体破坏贯通区域形成的水压力值具有较大影响,水压力值随深度的变化规律近视服从指数关系。