增强型地热储层多场耦合数值模拟研究进展

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System, EGS)通过改变储层渗透率提高取热效率,是典型的裂缝型储层,在注、采取热过程中,岩体储层受流体流动(H)、传热(T)、力学变形(M)、化学溶蚀(C)等多个物理过程共同作用影响.EGS多场耦合数值模拟作为室内实验、现场测试的必要补充,对研究和理解多场耦合作用和生产实践非常重要,已在模拟软件、模型建立方面历经40多年发展.为此文中围绕EGS多场耦合数值模拟,从裂缝型储层表征、多场耦合模型和多场耦合快速求解方法三个方面展开阐述.通过总结分析得出,现在已经发展了多种表征裂缝型储层的方法,但如何将其应用于EGS系统并实现精细化表征仍需深入研究;大部分可用于研究EGS取热过程的商用和开源求解器多用于宏观尺度模拟,对于THMC全耦合模化分析的研究工作还比较有限;多尺度有限体积法(Multiscale Finite Volume Method, MsFV)在一定程度上可加快多孔介质渗流问题的计算效率,已在流动、换热领域得到应用;本征正交分解技术(Proper Othorgonal Decomposion, POD)对全阶模型降阶后...     

汽轮机通流部分热-流-固耦合数值模拟计算

利用Fluent软件建立某汽轮机调节级及高压前四级的三维模型,采用标准k-e模型对其内部进行热-流- 固耦合数值模拟,详细分析了内部流场的气动性能,并与热力设计值进行详细比较,掌握了汽轮机调节级及压力 级进行气动性能分析的方法,结果表明所建立的数学物理模型正确,得到的结果可信。     

充液弹性管束流固耦合系统模态分析

作为一种新型换热元件,弹性管束结构与管内流体构成了一个典型的流固耦合系统.考虑流体的可压缩性,用有限元法的位移-压力格式对管束-流体耦合系统进行离散,建立了系统的振动控制方程.在此基础上分别对管束结构、管内流体和管束-流体耦合系统进行了模态计算.结果表明：由于流体与结构的相互作用,不但弹性管束结构和流体本身的固有频率和振型发生改变,而且一个子系统的振动还会迫使另一子系统产生新的振动模式.不同密度的流体对结构频率改变的影响程度不同.因此,在研究管内充液弹性管束的动态响应时必须考虑流体与管束结构的相互作用影响.     

热补偿条件下双井EGS产能和寿命预测方法研究

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)作为干热岩资源开采的有效手段,具有广阔的发展前景和巨大的利用价值,因此,对其进行产能和寿命预测显得尤为重要.为实现双井EGS产能和寿命预测,利用理论推导和数值模拟的方法对不同工况下的EGS系统进行产能分析,最终得到双井EGS产能和寿命预测方法...     

煤层气热-流-固耦合渗流的数学模型

在煤层气的开采过程中，煤体变形与流体流动是相互耦合作用的。由于甲烷气的解吸热效应，煤层气的渗流又是一个非等温过程，因此对渗流场、变形场及温度场耦合作用下煤层气的渗流规律进行研究具有重要的意义。本文综合利用流体力学、岩石力学和传热学理论，给出了考虑温度场、流体渗流场和变形场作用下的水－煤层气两相流体渗流理论，并给出其耦合求解的方法，通过数值模拟的方法，研究了温度铲应对煤层气开发的影响。     

弹丸侵彻混凝土目标的热固耦合数值分析

针对侵彻过程中侵彻深度计算不精准的问题,以弹靶模型为研究对象,基于ANSYS/LS-DYNA软件建立弹靶模型,对35Cr Mn Si弹丸侵彻C30混凝土靶的侵彻深度进行了计算。以侵彻速度和角度为初始变量设置了33组不同工况,进行了侵彻过程的热固耦合数值分析。提取了弹丸温度场、侵彻深度、侵彻速度衰减等数据进行了深入分析,得出了弹丸侵彻过程中温度升高与侵彻深度之间的关系。结果表明：1）垂直侵彻时,随着侵彻速度的增大,弹头侵蚀加剧,温度变化更显著;2）非垂直侵彻时,温度升高极值点由弹头中心转移至弹丸侧身,弹丸着角增大,温度升高加快,侵彻深度减小;3）侵彻结束时,弹丸温度与侵彻深度成相关比例,相同侵彻角度工况中比例相同。对弹丸侵彻过程中温度场进行分析可提高侵彻深度预测模型的准确性,研究结果可为侵彻引信测试提供参考。     

基于CFD-DEM的流-固耦合数值建模方法研究进展

随着土体渗流侵蚀研究的逐渐深入,对土颗粒流失和变形破坏机理的研究方法呈现出多尺度的特点。其中,计算流体力学-离散元耦合方法（CFD-DEM）为在细观尺度上研究流-固耦合相互作用对土体宏观力学特性的影响提供了一种行之有效的方法。针对CFD-DEM耦合方法在岩土工程领域应用现状,本文系统总结现有流-固耦合计算方法的优缺点,重点论述CFD-DEM耦合方法的建模策略,包括固相颗粒形状建模与粒间接触模型、流体相控制方程及参数计算方法,以及CFD-DEM耦合计算,并就相关问题进行深入探讨,最后提出了CFD-DEM耦合方法未来的发展方向。     

乘波飞行器连接结构的热固耦合分析

高超声速飞行器设计中的主要问题是气动加热时引入的高温对结构的不利影响,乘波体前缘连接结构的热结构设计显得尤为重要。文章提出一种计算高超音速乘波体的热固耦合分析方法,重点对乘波体连接结构的受热和受力情况进行分析,并讨论了冷热壁面转换迭代次数及接触热导、表面辐射系数对计算结果的影响,从而为乘波体连接结构的热场及强度分析提供有意义的指导和参考。     

化学刺激技术在增强型地热系统中的应用:理论、实践与展望

干热岩作为清洁的可再生能源是地热能未来开采和利用中最具潜力的部分,具体的开发工程技术称为增强型地热系统(EGS, Enhanced Geothermal System)。化学刺激技术作为水力压裂的一种辅助方法,具有成本低、风险小的特点,在完善储层改造方面具有重要作用。综述了国内外EGS关于化学刺激研究的相关文献,介绍了化学刺激技术的理论基础及常用的几种化学刺激剂(传统酸、缓速酸、螯合剂和CO₂化学刺激剂),并对世界上仅有的几个使用化学刺激技术的EGS工程(美国Fenton Hill和法国Soultz干热岩项目)进行了介绍和总结,在此基础上提出了化学刺激剂在增强型地热系统中的研究建议及应用展望,以期为中国未来EGS的科学研究和项目实施提供参考。     

保温热力管有限元热固耦合分析

节能是保温热力管道设计的主要任务之一。利用ANSYS有限元软件进行热力管道和保温层的热-固耦合分析。通过建立模型,确定条件和参数,先后进行热分析和结构分析,得到热力管道和保温层沿定义路径各处的温度场和应力场。分析结果不仅为热力管的保温设计提供参考数据,还为热力管道的节能设计提供帮助。     

高温岩体地热资源特征与开发问题探讨

能源是人类生存与发展的重要物质基础．以化石能源为支撑的能源体系,随着不可再生的化石能源的日趋减少,甚至枯竭,其支撑能力会逐渐减弱,同时大规模消耗化石能源对生态环境的影响也日益突出．因此,开发新能源和可再生能源是人类解决未来可持续发展的必然选择．地壳深部高温岩体蕴藏着巨大的热能资源,并且这类地热资源是非污染的绿色能源,其与核能、太阳能或其它形式的可再生能源相比具有许多优势．我国地质构造条件优越,具有丰富的高温岩体地热资源,并且其资源潜力巨大．但大规模高温岩体地热资源开发还面临许多科学问题和工程技术问题,这些问题既需要科学家和工程技术专家的合作和创新研究,也需要国家的资金投入和政策倾斜．在对高温岩体研究与开发相关文献分析的基础上,对高温岩体的概念与开发思路、我国高温岩体地热资源的地质类型与资源潜力及开发优势、高温岩体固定评价和高温岩体地热资源开发利用所面临的科学与工程问题等进行了探讨,提出了高温岩体地热资源开发理应作为我国能源发展战略的一个有机组成部分的建议．     

干热岩开发中高温水-岩作用下岩石应力腐蚀及多场损伤问题

赋存于地球深部的地热资源,以其储量丰富、清洁再生等优势,有望成为破解我国能源困局,助推“双碳”目标实现的重要途径之一。干热岩(HDR)开发过程中,面临着高温高压环境下水-岩作用问题,在温度场、渗流场、应力场、化学场(THMC)等多场耦合作用下,岩体应力腐蚀效应和疲劳劣化会诱发岩石微裂纹-裂缝扩展、成核与丛集行为,进而影响增强型地热系统(EGS)的热交换效率和地质体稳定性,这也是制约干热岩长期安全开发的瓶颈,亟待突破。通过总结现有干热岩高温高压下多场损伤研究中的实验探索、理论模型、数值分析等多手段跨尺度方法,分析干热岩在高温高压及水环境下的应力腐蚀效应,可阐明循环生产过程中低温工质与高温地质体循环换热下干热岩储层结构演化的动态过程及工程响应,进而揭示THMC多场耦合作用下干热岩储层疲劳劣化损伤机理,为我国深部地热资源高效安全开发提供理论支撑和地质保障; 但仍亟待深入开展增强型地热系统的THMC多场耦合作用下岩体应力腐蚀效应的干热岩疲劳劣化机制与长期稳定性研究,如考虑应力腐蚀效应和疲劳损伤的干热岩长期强度评价模型、基于跨尺度疲劳损伤评价的干热岩开发下地质体长期稳定性方法、适应于干热岩储层改造及裂缝网络演化下THMC多场耦合数值方法。     

高温岩体热流固耦合损伤模型及数值模拟

高温岩体地热开发过程中存在渗流场、应力场、温度场3场耦合效应。针对目前考虑损伤作用和热对流影响的3场耦合模型、关于热储层特别是人工储留层周围高温岩体的热破裂、温度场的变化和热对流交换规律的研究以及原位试验方面的资料较少的现实,建立了高温岩体热流固耦合损伤模型,并将上述模型用于高温岩体地热开发中。通过数值模拟,揭示高温岩体地热开发过程中高温岩体的热破裂机理、温度场、渗流场的变化规律以及人工储留层中热流体的对流规律,所得研究成果对高温岩体地热开发具有理论意义和实用价值。     

化学刺激技术在干热岩储层改造中的应用与最新进展

干热岩是一种没有水(或含有少量水而不流动)的高温(>180 ℃)岩体,多为变质岩或花岗岩,岩性致密,很少存在孔隙或裂隙,渗透性极差。增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)是利用水力压裂、化学刺激等措施形成人工地热储层,通过注入载热流体从低渗透性干热岩中经济有效地开采出热能的人工地热开采系统,是开发干热岩型地热资源的有效方法。增强型地热系统成功的关键在于可控性良好的储层改造手段,化学刺激即为储层改造常用的方法之一。通过回顾国内外有关增强型地热系统储层改造中化学刺激技术研究的最新成果,总结了实际应用化学刺激技术的增强型地热系统工程经验。结果表明:增强型地热系统中采用的化学刺激剂多数为酸性化学刺激剂,其中螯合酸具有阻垢性、缓速性、催化性、二次沉淀少、腐蚀性弱等优点,能够实现深穿透、低伤害的储层激发; 单一的碱性化学刺激剂(NaOH和Na₂CO₃)的室内实验结果较为理想,但是场地应用效果并不令人满意,添加了NTA、EDTA等螯合剂的碱性化学刺激剂可减少次生沉淀的生成,从而取得良好的储层改造效果。最后,针对青海共和盆地正在开展的干热岩开发示范工程项目,提出热刺激和碱性化学刺激联合的储层刺激工艺,该工艺有可能在深部高温岩体中产生改造体积更大的地热储层,提高储层改造的效果。     

偶应力理论的层状岩体洞室数值模拟

传统的等效连续介质理论忽略了梯度应力的影响,未能很好地解释岩体工程中出现的弯曲变形及破坏现象。而引进偶应力及弯曲曲率的Cosserat介质理论考虑了弯曲效应对介质变形特性的影响。首先对基于平面应变问题的Cosserat介质理论以及扩展模型的弹性本构方程进行介绍,再利用快速拉格朗日法FLAC软件对地下洞室工程数值模拟,并将Cosserat法与增设节理单元法进行结果对比。模拟结果不仅能较好地显示层状岩体的弯曲变形,也证明了Cosserat介质扩展模型的有效性和优越性。     

动态负载仿真系统中非线性因素的分析和抑制

从工程应用的角度详细地分析了动态负载仿真中非线性因素对系统静态和动态性能的影响,通过数字仿真指出了影响系统性能的主要非线性因素,从控制系统设计角度讨论了主要非线性的抑制,最后给出了试验结果。     

扇形铅粘弹性阻尼器的设计及数值仿真分析

为改善框架结构及底框结构的抗震性能,提出一种新型扇形铅粘弹性阻尼器对梁柱节点进行耗能减震加固。介绍了扇形铅粘弹性阻尼器的构造、工作原理及特点,设计了三组铅芯个数和直径不同的扇形铅粘弹性阻尼器,采用ABAQUS有限元分析软件对其进行了剪切位移和转角位移加载的数值仿真分析,研究了阻尼器的滞回性能,加载方式、铅芯个数和直径对其耗能性能的影响,以及阻尼器耗能核心部件应力分布特点、骨架曲线和力学模型。结果表明:该阻尼器滞回曲线饱满,具有良好的耗能能力,铅芯个数和直径对其耗能性能影响较大,耗能核心部件应力分布均匀,构造合理,力学模型可采用双线性模型进行描述。     

围护结构耦合传热条件下地板供暖室内甲苯扩散的数值分析

为获得冬季自然通风数值模拟所需室内污染物分布的初始条件,采用Realizable k-ε湍流模型对兰州地区某地板供暖住宅内C7 H8扩散过程进行了数值分析.结果表明：地板所含C7 H8沿地板外法线方向扩散过程受室内外耦合传热影响,其时空分布存在显著差异.当地板表面维持27℃、扩散时长达到19 h时,C7 H8在Z=1.10 m高度水平面上的浓度平均值趋于平缓,达到了室内空气质量标准要求上限值的3倍左右,但室内空气平均温度和舒适性能满足居住者的需求.因此,结合兰州地区气候条件和人们的生活起居习惯,确定以污染物扩散时长19 h的室内污染物浓度场和室内热环境条件作为后续自然通风数值分析的初始条件是合理的.     

船舶轴系横向振动的模拟实验与分析

在船舶轴系试验台上对两种轴系布置方案进行了轴系横向振动实验.自由振动的实验与分析表明尾轴填料函有一定支撑作用,对轴系的横向振动有影响.受迫振动的实验指出:除“螺旋浆叶频”外还有另外的共振转速.对轴心轨迹的研究表明:由于轴承的支撑刚度是各向异性的,存在多个一阶共振转速.由功率谱阵图可获得轴系的“基频”等有用信息.