增强型地热系统热开采过程的数值模拟研究

增强型地热系统（EGS）是指采用人工方法在地下3～10km内的干热岩体中形成储层、通过灌输采热流体以开采出干热岩中热能用于地面发电的地热利用系统，是一种极富潜力的可再生清洁能源利用技术。循环流体在地下热储中的流动与换热对EGS的采热性能有重要影响。本文首先对EGS数值模型进行了综合评述，然后基于一套自主开发的三维瞬态数值模型模拟了不同渗流条件下EGS地下热储内的热流过程。通过对模拟结果的分析，揭示了均匀压裂的人工热储中流体短路的形成机理，并通过对比双井和三井系统中流场和局部地热开采率分布，结合当前钻井工艺和裂隙激发技术水平，探讨了抑制流体短路、优化EGS采热性能的可能方案。

增强型地热系统中液-岩化学作用数值模拟研究

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)利用深层岩石中连通的裂隙网络进行流体工质循环,从而实现地热能的持续开采。EGS运行时循环流体工质会与深层岩石产生化学反应,引起岩石中矿物的溶解/沉积,使热储中的裂隙网络形貌产生动态变化,对地下流动与传热过程造成影响。本文分析了EGS中液–岩化学作用特点,详细阐述了在多孔介质热流动模型中耦合入液–岩化学反应的方法,基于已开发成功的EGS传热传质数值模型初步建立了传热–流动–化学(Thermal-Hydraulic-Chemical,THC)多场耦合数值模型,并使用该模型对五井布局EGS的长期运行过程进行了模拟分析,模拟时仅考虑方解石在水流体中溶解和沉积。模拟结果显示,循环流体的注入温度以及注入流体中的矿物离子浓度的设定十分重要。如果二者没有达到较为合适的"平衡",就会导致注入井附近渗透率和孔隙率的持续变化,对EGS的导流能力造成极大影响。

跨临界二氧化碳热泵喷射循环实验

在跨临界CO_2热泵热水器系统中引入优化设计的喷射器,对系统进行实验研究,分析了制热系数、引射比、升压比、喷射器效率等参数随热水体积流量和出口温度及高压侧压力的变化趋势以及优化设计的喷射器对系统的影响。实验结果表明:随着热水体积流量减小或其出口温度增加,引射比将逐渐减小,而喷射器效率逐渐升高;在测试工况范围内升压比基本保持不变,系统COPh最高将近3.5;系统高压侧的压力因优化喷射器的引入而明显降低,有利于系统的安全运行;跨临界二氧化碳热泵喷射循环系统存在一个最优运行压力,值得注意的是在最优运行压力下,热水出水温度虽未达到最高,但依旧超过55℃。系统稳定运行在最优高压侧压力下,不仅系统性能大幅度提高,而且保证了热水的出水温度。

热储周围岩石热补偿对增强型地热系统采热过程的影响

采用自行开发的增强型地热系统(EGS)地下热流动过程三维动态模拟软件,模拟不同地质条件下EGS的长期运行过程,分析热储周围岩体的热补偿对产热温度以及热储内岩石、流体温度演化的影响.该数值模型视热储为等效多孔介质,采用两个能量方程分别描述流体和岩石的温度场,深入探究岩石与循环流体之间的换热过程.研究发现,热储周围岩体的热补偿作用与热储内流场形态强烈相关,且并不总是提高EGS的生产温度.在深度方向上有较大的优势流动的热储中,热补偿作用在EGS运行早期甚至会降低采出流体的温度.随着EGS的运行,热储温度持续降低,热补偿将对热能开采的影响将逐渐转向正面,对生产流体温度的提高效果增强.

增强型地热系统地下渗流场的模拟分析

采用自行开发的数值模型,模拟分析循环流体在双井增强型地热系统(EGS)地下热储中的渗流过程,系统分析不同水力渗透条件热储中流场形态的变化规律.结果表明,重力作用和流体动静压转换造成的"基础压差"与循环流体在地下裂隙岩体中的沿程阻力之间的相对大小是决定热储中流场分布形态的重要因素,而循环流量大小对热储内渗流场形态影响非常有限.基于此,我们提出水平井和多井环绕布局两种抑制流体短路的方案,为EGS的建设提供理论指导.

钴酸锂电池烤箱热滥用模拟及热行为分析

建立钴酸锂电池烤箱热滥用的热模型,并对不同烤箱温度下的热滥用进行数值模拟。比较分析电芯不同区域的热滥用反应及热行为发现,高温下电池电芯发生热失控的主要热量来自于正电极与电解液的反应,隔离膜区域的热生成量最少。考察不同散热条件和烤箱温度对电芯热行为的影响发现,散热条件和环境温度是影响电芯热行为的关键因素,发生热失控的临界温度随着散热条件的变好而升高,使得电池不发生热失控的临界散热系数随着烤箱温度的升高而增大。

工质变物性对EGS热开采过程影响的数值模拟

增强型地热系统(EGS)热开采过程中循环工质的温度和压力会经历较大范围的变化,这会造成循环工质的热物性变化,从而影响流体工质的输运和岩石-流体热交换;数值模拟EGS热开采过程,预测EGS的寿命、出力等性能指标有必要考虑循环工质的热物性变化。笔者在EGS热开采过程三维数值模拟中考虑水和超临界二氧化碳的变物性,实现了热流双向耦合。针对水EGS分析了各物性变化对EGS采热性能的影响,并对变物性条件的水和超临界二氧化碳EGS的采热性能进行了对比研究。结果表明:工质在密度影响下开采寿命为9.0a在密度和比定压热容共同影响下的开采寿命为7.5a,说明密度和比定压热容越大则EGS开采寿命越短;在黏度系数影响下的开采寿命为18.0a,说明黏度系数越大则EGS开采寿命越长;导热系数则对EGS采热性能无明显影响。注入压力一定的条件下以水为工质的EGS具有较长寿命,但相同时刻的质量流率和热开采率低于以临界二氧化碳为工质的EGS。

增强型地热系统采热的分形分叉网络模型

增强型地热系统(EGS)旨在经济开采地下3~10 km区域干热岩蕴含的热能,并用于地面发电。EGS经济性与其采热性能直接关联,人工热储内热交换过程是需要重点研究的内容。热储内裂隙形貌及分布对采热过程有重大影响。基于热储裂隙开度和长度的分形特征,本文建立起EGS分形分叉网络模型,推导出EGS采热速率表达式。分析发现泵功、裂隙最大开度、扭曲率分形维数、裂隙开度分布分形维数、裂隙分叉网络级数及裂隙长度都是影响EGS采热速率的重要因素。

S形通道中金属熔体与固体颗粒流动混合的数值模拟研究

金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于材料的制造技术,因此研究和发展有效的制造技术一直是金属基复合材料研究中的最重要的问题之一。本文提出了一种基于S形流道的固体颗粒-金属流体混合方法,并采用欧拉-离散相模型分析计算了该流道内的颗粒-流体混合过程。研究结果表明,S形流道内流体具有周期性变化的流动方向及流速,同时在横截面内存在旋转方向周期性改变的涡流,能够强化颗粒在金属流体中的分散过程。分析了颗粒在S形通道内的均匀度,在第三级出口处的颗粒均匀度达到0.915,表明该方法能够较好的实现固体颗粒在金属液内的均匀分散,进而实现颗粒增强金属基复合材料的制备。