增强型地热系统数值模拟研究进展

作为地热领域最有潜力的发展方向之一,增强型(或工程型)地热系统(EGS)的研究受到发达国家的高度重视,但在我国还处于萌芽状态。通过介绍EGS含义及发展,结合EGS数值模拟软件应具备的特点,对目前已经用于和可以用于EGS数值模拟的HDR和水热型地热系统中的典型求解器进行综述,总结其优缺点,讨论目前EGS数值模拟面临的挑战。     

增强型地热系统热开采性能的数值模拟分析

增强型地热系统(EGS)作为一种极富发展潜力的可再生清洁能源利用技术,正逐渐成为世界各国新能源发展的重点关注方向之一。EGS地下采热过程直接影响EGS的产能和寿命。文章使用一套自主开发的三维动态数值模型对不同地质条件下双井EGS的长期热开采运行进行了模拟,额外引入平均产热速率和地热开采率作为采热性能评价指标,结合EGS运行寿命和产热速率综合分析了热储渗透率、循环流体流量和周围热储岩石的热补偿对采热的影响及其作用机理。     

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 ~ 10 km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。     

增强型地热系统水平井平行多裂隙换热过程数值模拟

干热岩(HDR)是一种清洁的可再生能源,主要通过增强型地热系统(EGS)进行开发。由于将水平井多裂隙开发技术应用于EGS中,能够提高EGS的经济效益,因此文章建立三维EGS水平井平行多裂隙模型,并采用CFX软件模拟分析了不同注水流量条件下EGS的运行性能,揭示了裂隙内流体的流动特征与EGS釆热机理之间的关系。研究结果表明:裂隙中的流体会形成流动短路和流动死角,导致EGS的开采率降低;裂隙中流体的温度场会受到流体的流动特征以及热储层温度场的影响;注水流量是影响EGS运行寿命和开采率的关键因素,较大的注水流量会产生流动短路,进而缩短EGS的运行寿命,但会提高EGS的开采率。     

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。     

增强型地热系统垂直裂隙热储热开采过程数值模拟

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)作为开采深层地热资源最为有效的方法已经成为国际研究热点。充分探究EGS运行时热储内热量的开采过程对评估EGS性能及今后EGS商业开采过程中工程优化控制有着重要意义。文章建立了平行相间的垂直裂隙系统EGS开采模型,运用FLUENT软件对多平行垂直裂隙情形下增强型地热系统热储热开采过程进行了数值模拟。同时,通过改变对热储热开采过程有影响的裂隙宽度和水流速度两个参数,对比研究了其对热储热开采过程的影响。研究结果显示,裂隙宽度和水流速度对热储热开采过程影响较大,且影响效应几乎一致。当裂隙宽度为1 mm、裂隙水流速度为1 cm/s时,开采20 a时间内无论是裂隙宽度扩大1倍还是水流速度提高1倍,对热储内经济可用热能的开采率提升均超过25%,对热储内热能开采速率提升达到252%。     

关于增强型地热系统的技术研究

随着世界能源格局的变化,人类不断开发出更优质、对环境影响更小的新能源,其中干热岩的开发备受关注。干热岩开发的具体工程技术称为增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems,简称EGS)。从资源品质来讲,干热岩资源主要用于发电,可以解决国家能源根本需求;从环境保护来讲,增强型地热系统可用二氧化碳作为携热介质,可以将二氧化碳进行地质埋存,更好地解决环境问题。文中介绍了世界EGS关键技术的新进展,剖析了发展过程中存在的问题以及未来的发展方向。     

增强型地热系统(EGS)资源开发利用研究

EGS资源蕴藏量巨大、利用效率高、系统稳定,是洁净绿色新能源,对其合理开发利用可以应对当前面临的能源需求、能源安全和环境保护的挑战.EGS开发利用是一项复杂的系统工程.目前,EGS的研究开发工作主要在一些发达国家展开,我国尚未开展这方面的研究.我国EGS储藏量巨大,具有发展优势及开发利用的价值.     

增强型地热系统与防震减灾的研究与探索

阐述中国干热岩分布特征,研究开发利用干热岩的途径、社会与经济效益;探索增强型地热系统工程结合防震减灾重大科技攻关项目实践方案,以破解防震减灾这个世纪大难题。     

增强型地热系统（EGS）的人工热储技术

文章分析了增强型地热系统（干热岩）发电原理,研究该系统建立人工热储的关键技术,包括人工致裂、监测、裂隙网络的连通、封闭水流循环、热储系统建模等。最后分析了芬顿山、Hijiori、苏尔士大型试验电站的人丁热储应用实例。     

热储分层影响EGS采热的数值模拟研究

由于岩石构造不同、天然裂隙的差异以及压裂过程的随机性等因素,增强型地热系统（EGS）人工热储通常具有较强的非均质性。探究热储的非均质性对EGS热开采过程的影响,对EGS性能预测与分析评价有重要意义。论文考虑到热储沿深度方向的非均质性,基于等效分层多孔介质物理模型,并使用自主开发的EGS数值模型,模拟了多个具有分层热储EGS的长期运行过程,发现热储深度方向上非均质性对热能的开采影响显著,而流量分布的不均匀性是导致系统采热性能下降的主要原因。为了方便分析和评价,我们建立一种新的定量化描述热储非均质性的方法,然后基于更多的非均质热储EGS算例结果,拟合得到EGS采热性能与热储非均质性的定量关系式。     

Combustion irreversibilities: Numerical simulation and analysis

An exergy analysis was performed considering the combustion of methane and agro-industrial residues produced in Portugal (forest residues and vines pruning). Regarding that the irreversibilities of a thermodynamic process are path dependent, the combustion process was considering as resulting from different hypothetical paths each one characterized by four main sub-processes: reactant mixing, fuel oxidation, internal thermal energy exchange (heat transfer), and product mixing. The exergetic efficiency was computed using a zero dimensional model developed by using a Visual Basic home code. It was concluded that the exergy losses were mainly due to the internal thermal energy exchange sub-process. The exergy losses from this sub-process are higher when the reactants are preheated up to the ignition temperature without previous fuel oxidation. On the other hand, the global exergy destruction can be minored increasing the pressure, the reactants temperature and the oxygen content on the oxidant stream. This methodology allows the identification of the phenomena and processes that have larger exergy losses, the understanding of why these losses occur and how the exergy changes with the parameters associated to each system which is crucial to implement the syngas combustion from biomass products as a competitive technology.     

基于流固耦合的风力机叶片模拟分析

文章选取风轮直径为2 m的水平轴风力机为研究对象,采用数值模拟计算的方法研究叶片在不同工况下的位移及应力/应变。研究结果表明:气动载荷使叶片产生挥舞方向的变形,且在展向上有较大幅度的位移;随着风轮转速的增加,叶片的位移有明显的增加,沿弦向前缘压力大于后缘的压力,沿展向叶根处变形要小于叶尖。     

基于耦合气固传热篦冷机的数值模拟与研究

建立了5 000t/d的水泥线篦冷机的三维仿真模型。采用UDFs编程耦合熟料的气固传热模型,得到了篦冷机内部的流场及温度场分布。讨论了取热口的位置对篦冷机有效利用热量的影响。结果表明:双取热口会显著提高篦冷机的有效热量利用率;当高温取热口的位置在第一段蓖筛的末段,中温取热口在第二段蓖筛的末段时,有效利用热量利用率最高。     

Multifracture response to supercritical CO2‐EGS and water‐EGS based on thermo‐hydro‐mechanical coupling method

Hydraulic‐fracturing treatments have become an essential technology for the development of deep hot dry rocks (HDRs). The deep rock formation often contains natural fractures (NFs) at micro and macroscales. In the presence of the NF, the hydraulic‐fracturing process may form a complex fracture network caused by the interaction between hydraulic fractures and NF. In this study, analysis of carbon dioxide (CO₂)‐based enhanced geothermal system (EGS) and water‐based EGS in complex fracture network was performed based on the thermo‐hydro‐mechanical (THM) coupling method, with various rock constitutive models. The complexity of the fracture geometry influences the fluid flow path and heat transfer efficiency of the thermal reservoir. Compared with CO₂‐based EGS, water‐based EGS had an earlier thermal breakthrough with a rapid decline in production temperature. CO₂ can easily gain heat rising its temperature thus reducing the effect of a premature thermal breakthrough. Both CO₂‐based EGS and water‐based EGS are affected by in‐situ stress; the increase in stress ratio improved the fracture permeability but resulted in an early cold thermal breakthrough. When the same injection rate is applied to water‐based EGS and CO₂‐based EGS, water‐based EGS displayed higher injection pressure buildup. Water‐based EGS had higher reservoir deformation area than CO₂‐based EGS, and thermoelastic constitutive model for water‐based EGS showed larger deformed area ratio than thermo‐poroelastic rock model. Furthermore, higher values of rock modulus accelerated the reservoir deformation for water‐based EGS. This study established a novel discussion investigating the performance of CO₂‐based EGS and water‐based EGS in a complex fractured reservoir. The findings from this study will help in deepening the understanding of the mechanisms involved when using CO₂ or water as a working fluid in EGS.     

细水雾耦合机械排烟在公路隧道的数值模拟研究

以某公路隧道为研究对象,采用流体动力学软件Fluent,设置火源在细水雾正下方,分析雾化锥角为60°,粒径为100μm时,不同工况下施加细水雾对隧道内温度、氧气浓度、二氧化碳浓度的影响。结果表明:细水雾对火势的抑制效果明显,在没有排烟的情况下,质量流量较小的细水雾(0.1kg/s)可以起到很好的灭火效果,而加大细水雾质量流量(0.2kg/s)对火势的抑制起到很好的促进作用,灭火效果更为明显;在细水雾和排烟同时开启情况下,质量流量较小的细水雾(0.1kg/s)动量不足以克服排烟造成的对细水雾的夹带和飘移作用,灭火效果不佳,温度明显高于同质量流量细水雾的无排烟情况,当质量流量(0.2kg/s)较大时,细水雾与排烟可以优化耦合,在排除高温烟气的同时发挥细水雾的最佳灭火效果。     

Numerical simulation and theoretical analysis of premixed low-velocity filtration combustion

This paper investigates combustion wave characteristics of lean premixtures in a porous medium burner. Heat recuperation originated by the porous medium is examined by an one-dimensional numerical model. Attention is focused on the influences of solid properties, heat loss, equivalence ratio, etc., on the combustion wave speed and the maximum combustion temperature attained in the wave. Based on the flame sheet assumption a relationship between the combustion wave speed and the maximum combustion temperature is given. Then an approach from the laminar premixed flame theory is applied and the entire flame zone is divided into a pre-heating region and a reaction region, and treated separately. In this way, the second relationship between the two parameters is deduced. Thus a closed analytical solution for the combustion wave speed and the maximum combustion temperature is obtained. Over a wide range of working conditions, the numerical predictions and theoretical results show qualitative agreements with experimental data available from the literature. The results reveal that the mechanism of superadiabatic combustion is attributed to the overlapping of the thermal wave and combustion wave under certain conditions.     

动脉内流-固耦合作用下两相血流动力学数值模拟

【摘要】 目的 研究流-固耦合作用下左冠状动脉内一个心动周期典型时点两相血流动力学分布及红细胞分布,探索左冠状动脉粥样斑块形成与发展机制。方法 将血液视为两相流体,基于血液与血管壁间流-固耦合作用,采用计算流体力学方法对左冠状动脉内两相血流进行瞬态数值模拟,研究一个心动周期内典型时点左冠状动脉内血流分布特性,血流动力学特性参数与动脉粥样斑块形成的相互作用关系。结果 左冠状动脉回旋支远段和钝缘支近心端外侧存在低速涡流区,该区域内壁面切应力和红细胞体积分数均较小,血流流态复杂。结论 壁面切应力较小的低速涡流区易产生脂质浓度极化、大分子物质沉积,红细胞较少区域易发生缺氧,引起血管壁通透性增加和内膜损伤,激活免疫系统,导致血管壁物质累积和内膜生长,从而易诱发动脉粥样硬化斑块形成。

     

闪速炼铅炉多物理场耦合模拟及可视化分析

采用计算机模拟的方法,对闪速炼铅炉进行了气粒两相流场、温度场、浓度场等多个物理场耦合模拟,着重研究炉内速度场的特性。采用传统的二维截面速度矢量图分析了两组截面的速度场,发现其对速度场信息描述不完整,而且难以对不同截面上速度矢量分布之间相互联系进行分析。借助可视化软件ParaView,提出了将立体流线、方向标识体和动画结合起来制作流线动画,对整个速度场进行分析,使问题得到有效改善。分析发现右侧喷嘴主流触底后斜向上喷射是影响速度场分布的重要原因。     

太阳能蓄热分层水箱数值模拟优化分析

蓄热水箱能够存储和调配能量。将蓄热水箱应用到太阳能热水系统中,可以弥补太阳能的不稳定性和不连续性,有效地提高太阳能热水系统的热利用率。文章基于小型太阳能热水系统,建立蓄热水箱物理模型,应用Fluent软件模拟分析了各个工况下蓄热水箱的温度分层情况,从而寻求较优的温度分层。分析结果表明:当热水入口质量流量小于2.8 kg/s时,蓄热水箱的温度分层比较明显;当热水入口质量流量大于2.8 kg/s时,随着热水入口质量流量逐渐增大,蓄热水箱温度分层越来越不明显;热水入口温度与水箱初始温度对于蓄热水箱温度分层影响不大;当热水入口质量流量为2.8 kg/s时,存在最佳热水入口直径(9 mm),此时蓄热水箱冷、热水不发生混合,蓄热水箱的热利用率较高。