花岗岩粗糙单裂隙对流换热特性的数值模拟

在干热岩储层中开采地热能，往往需要对储层进行人工水力压裂以形成贯穿的换热通道。然而，热储中的对流换热对干热岩的采热率有重要影响，经过人工刺激的储层会形成几何形态各异的裂隙面，而裂隙粗糙程度的不同则会引起换热性能的显著差异。因此，选取4条Barton的经典岩石裂隙粗糙度曲线，在试验室条件下建立一个单裂隙对流换热模型。详细分析了花岗岩粗糙裂隙中热工质的换热特性。结果表明：局部对流换热系数沿着裂隙长度方向逐渐降低；节理粗糙系数JRC值越大，平均对流换热系数就越大，表明换热性能越好；局部对流换热系数的分布与JRC曲线的几何轮廓形态有很好的相关性，波峰波谷的变化趋势相一致；相对于温度而言，高流速对局部对流换热系数具有放大效应，流速越大，局部对流换热系数波动越大。     

花岗岩粗糙单裂隙对流换热特性的数值模拟

在干热岩储层中开采地热能,往往需要对储层进行人工水力压裂以形成贯穿的换热通道。然而,热储中的对流换热对干热岩的采热率有重要影响,经过人工刺激的储层会形成几何形态各异的裂隙面,而裂隙粗糙程度的不同则会引起换热性能的显著差异。因此,选取4条Barton的经典岩石裂隙粗糙度曲线,在实验室条件下建立一个单裂隙对流换热模型。详细分析了花岗岩粗糙裂隙中热工质的换热特性。结果表明：局部对流换热系数沿着裂隙长度方向逐渐降低;JRC值越大,平均对流换热系数就越大,表明换热性能越好;局部对流换热系数的分布与JRC曲线的几何轮廓形态有很好的相关性,波峰波谷的变化趋势相一致;相对于温度而言,高流速对局部对流换热系数具有放大效应,流速越大,局部对流换热系数波动越大。     

分形岩石裂隙中渗流扩散运动的试验研究

由于存在大量粗糙不规则裂隙，使得岩体中流体运动极为复杂。针对天然粗糙岩石裂隙渗流试验存在物理模型隐蔽性和不可重复性等难点，基于三维Weierstrass-Mandelbrot分形函数构建了粗糙节理面的裂隙通道，采用3D打印技术获得了透明精细的裂隙模型，使用微流体控制仪研究了不同试验条件下的裂隙渗流扩散运动，分析了裂隙通道流量与压力水头、裂隙宽度和分形维数之间的关系。研究结果表明：与平行板立方定律近似，在分形裂隙中，裂隙通道流量与压力水头成线性关系；单宽流量与裂隙通道的宽度成近似的三次方关系；考虑分形维数影响时，相同条件下流过裂隙通道的流量随着分形维数的增加而增加；粗糙裂隙渗流立方定律可采用与分形维数相关的幂指数函数进行修正。     

岩石导热热阻对裂隙对流换热的影响机制

增强型地热系统(EGS)中高温岩石与流体之间的对流换热特征一直以来是干热岩(HDR)研究的重要基础内容。岩石导热热阻对裂隙对流换热特征具有重要影响。为研究其具体影响,综合运用理论解析与数值模拟2种研究方法,通过对解析解讨论以及建立数值模型,研究两平行光滑平板之间的换热规律。结果表明：流体速度、传热边界层充分发展时,局部努塞尔特准数Nu_x为定值,与其他因素无关;局部对流换热系数h_x仅与流体热导率k和裂隙开度e有关,与其他因素无关。上下平板壁面热流恒定时,Nu_x为8.235;温度恒定时,Nu_x为7.54。然后建立多组导热热阻不同的岩石裂隙对流换热数值模型,发现岩石导热热阻增大,温度场进口段延长,对流换热系数h增大。岩石长度显著影响进口段占比,进而影响h的大小。h随着长度增大而减小;当岩石长度足够长时,进口段占比足够小,此时除k与e之外的参数对h基本没影响。并且发现实验室常用岩石长度为100 mm,而典型EGS工程中裂隙长度是米级的,建议室内实验重视岩石长度对裂隙对流换热特征的影响。     

粗糙岩石裂隙低速非线性渗流模型及试验验证

岩体粗糙裂隙非线性渗透特性是岩体渗流研究的重要课题。针对Javadi所提T模型中亚裂隙中速度恒定这一假设的不足,将其修正为速度与开度成正比的经验关系,考虑黏性压降和局部压降,提出了新的低速下粗糙裂隙非线性渗流模型（MT模型）。为了验证MT模型的正确性,对5种不同粗糙裂隙进行了低流量的饱和渗流试验,将现有模型及MT模型的预测值与试验结果进行对比,分析表明MT模型与试验结果更为吻合,且模型适用于粗糙性系数JRC≤10的低粗糙度裂隙,雷诺数小于1 000的低流速情况。对MT模型进行分析,初步揭露了粗糙裂隙的非线性渗流机制,即小雷诺数下的Darcy流和大雷诺数下的Forchheimer流,并用临界雷诺数区分两种流动行为。分析了裂隙的粗糙度和开度对非线性渗流特性的影响,表明裂隙越粗糙或开度越小,则临界雷诺数越小,非线性作用将越强。提出了临界雷诺数与水力开度和绝对粗糙度的经验关系式,同时指出该关系式适用于JRC≤10的低粗糙度裂隙。     

岩石裂隙可视化渗流装置可行性及试验研究

自主研发一套能从可视化角度反映岩石单裂隙渗流特征的装置，并以模拟岩石的变形模量为主要技术指标，获得了K39透明类岩石材料的添加剂含量为：促进剂0.8%、硬化剂0.6%、消泡剂0.6%；通过二次翻模精确复刻技术得到原岩裂隙面粗糙度，为研究细微观裂隙渗流提供技术支撑。通过可视化装置与原岩装置模拟试验，得到两者之间的差异性系数，进而推出原岩渗流流量的修正公式，获得了渗流量、渗流面积等能反映原岩性能的相关参数。阐明了K39透明类岩石材料对渗流量的影响效应?总及其影响的内在机制；与以ELE仪器为研究平台的渗流试验进行异同性分析，得到两者渗流量之间存在差异的相对变化系数，证明可视化渗流装置研究岩石裂隙渗流是合理可行的。利用该装置开展空间多角度试验，在耦合粗糙度、渗透压、围压、空间多角度、水自重效应等多因素下，通过渗流面积数字化自识别技术为精确获取岩石渗流特征的相关参数提供基础。     

岩体裂隙粗糙度表征及其对裂隙渗流特性的影响

岩体裂隙粗糙程度对裂隙渗流特性的影响显著。利用三维光学扫描系统获取岩体裂隙面点云数据,结合SURFER和GEOMAGIC STUDIO等软件计算裂隙面节理粗糙度系数JRC和表面粗糙比率R_s,建立JRC与R_s的定量关系,开展应力、渗流和化学耦合作用下石灰岩裂隙渗流试验,研究JRC和R_s对粗糙裂隙渗流特性的影响。结果表明：JRC与R_s呈对数函数关系,其平方根R²为0.912 8,该表征公式与裂隙渗流试验结果最大相对误差MRE、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE分别为6.93%、0.34和0.27。JRC与渗流量、稳定期渗透率分别呈二次函数和对数函数关系,R_s和各参数的拟合关系与JRC相同。JRC值越大,渗流量和渗透率越小,且三场耦合作用下裂隙面JRC和R_s值均有所增大。该表征方法可用于岩体裂隙面粗糙度估算,由裂隙面JRC值可预测该裂隙渗流量和稳定时刻渗透率。     

单裂隙粗砂岩渗流规律试验研究

以石嘴山矿西翼采区为研究背景,通过三轴应力作用下岩石单裂隙渗流试验、裂隙开度与有效压力关系试验和大尺度岩石表面粗糙度量测试验,结合渗流力学基本理论,揭示了三维应力下单裂隙粗砂岩渗流规律,建立了有效压力、裂隙开度与渗透系数的关系式,以期丰富裂隙岩体渗流的理论研究。     

裂隙岩体非线性渗流特性分析

开展了不同围压下的裂隙岩体渗流试验,提出了一种简单的裂隙隙宽测量方法,并研究了渗流过程裂隙的变形特征;基于Forchheimer非线性渗流方程,计算了非线性系数及渗透率,分析了围压与非线性系数及渗透率的关系。研究结果表明,随着围压增大,岩样的渗透率减小,非线性渗流系数增大;裂隙粗糙度越大,越容易引起非线性渗流;裂隙水力开度与力学开度随围压变化趋势一致,水力开度约为力学开度的5%。     

岩体裂隙中渗流场有限元随机模拟分析

采用有限元方法数值,模拟了开度随机分布裂隙中的渗流场问题。根据给定的裂隙开度均值和标准差,随机分布生成有限元模型中的单元裂隙开度,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的流量分布和稳态渗流问题的达西定律,计算在不同裂隙开度标准差条件下的等效导水系数,研究等效导水系数与裂隙粗糙度之间的关系。数值模拟结果表明,与光滑平直的裂隙相对比,在裂隙平均开度为常数、开度随机正态分布的条件下,表面粗糙裂隙的等效导水系数略有降低;对于裂隙平均开度为0.5 mm的裂隙模型,裂隙开度标准差从0.01 mm变化到 0.2 mm,其等效导水系数变化小于5 %。传统的渗流控制方程无法精确描述地下水在粗糙裂隙中的流动特征,因为在压力水头的定义中忽略了速度项。     

FDEM-TH3D: A three-dimensional coupled hydrothermal model for fractured rock

This paper proposes a three-dimensional coupled hydrothermal model for fractured rock based on the finite-discrete element method to simulate fluid flow and heat transport. The 3D coupled hydrothermal model is composed of three main parts: a heat conduction model for the rock matrix, a heat transfer model for the fluid in the fractures (including heat conduction and heat convection), and a heat exchange model between the rock matrix and the fluid in the fractures. Four examples with analytical solutions are provided to verify the model. A heat exchange experiment of circulating water in a cylindrical granite sample with one fracture is simulated. The simulation results agree well with the experimental results. The effects of the fracture aperture, fluid viscosity, and pressure difference on the heat exchange between the fluid and rock are studied. Finally, an application concerned with heat transport and fluid flow in fractured rock is presented. The simulation results indicate that the 3D fully coupled hydrothermal model can capture the fluid flow and temperature evolution of rocks and fluids.     

壁面局部接触裂隙岩体水流-传热的一种理论模型及计算分析

核废物地质处置、地热开发、石油开采等工程领域都可能涉及稀疏裂隙岩体中的水流-传热过程。现有的裂隙岩体水流-传热理论模型和计算方法基本上都是以平行光滑壁面裂隙模型为基础的,没有考虑裂隙的壁面局部接触对水流、水-岩热交换以及岩体传热的影响。针对粗糙壁面裂隙水流过程,阐述了基于Stokes方程的Reynolds润滑方程及Hele-Shaw裂隙模型,采用MATLAB软件中的PDE工具求解,并与Walsh的等效水力开度公式进行对比;分析壁面局部接触裂隙水流-传热与填充裂隙水流-传热的相似性,提出了瞬时局部热平衡假设的适用条件,并在裂隙局部接触体传热满足Biot数条件的前提下,计算分析裂隙局部接触体与水流之间的局部热平衡时间及其影响因素;在裂隙局部接触体与水流之间满足瞬时热平衡假设的前提下,利用填充裂隙水流-传热的解析解,计算了壁面局部接触裂隙水及两侧岩石的温度分布,并分析了裂隙局部接触面积率、裂隙开度、裂隙水平均流速对岩石温度和裂隙水温度的影响特征,结果表明：（1）在设定条件下,由于裂隙局部接触体与裂隙水流之间的热交换,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随接触面积率的增大而减小,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随接触面积率的增大而增大;（2）裂隙开度和裂隙水流速对岩石温度和裂隙水温度的影响方式的影响是一致的,即由于裂隙水流量随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随裂隙开度和裂隙水流速的增大而减小。     

稀疏非正交填充裂隙岩体水流—传热—应力模型与离散元模拟

为研究填充裂隙水流速度对岩体温度和应力的影响,选取甘肃北山地区的花岗岩,制作了稀疏非正交裂隙岩体模 型,采用河砂填充裂隙后进行模型试验;并对模型试验进行离散元数值模拟,分析了模型试验所测岩体温度和热应力与数 值模拟结果的差异和原因。结果显示：填砂裂隙强化了裂隙介质的热导能力,无填充时岩体温度和热应力比填砂时低;模 型试验和离散元模拟均表明,岩体温度和岩体应力随裂隙水流速度增大而减小,但是系统达到稳态所需要的时间变短;模 型试验中斜裂隙水流对温度场起主要作用;由于现有3DEC软件不能考虑水的热物性参数随温度的变化,进而产生自然对 流换热,斜裂隙水流和靠近热源侧的竖裂隙水流对温度场起主要作用。     

米尺度裂隙岩体模型水流-传热试验的数值模拟分析

为了研究高放射性核废物地下处置库近场的水流-传热耦合问题,采用国内高放废物地下处置库预选场址--甘肃北山地区的花岗岩石块体,加工组合成米尺度的规则裂隙岩体模型,设置边界热源和裂隙水流,试验模拟裂隙水水流与传热之间的相互作用。作为该室内模型试验的前期理论研究,采用等效孔隙介质数值模型,着重分析了裂隙开度、裂隙流量和热源功率对流场和温度场的影响。在设定条件下,计算分析表明：热传导和裂隙水水流由热源作用初期的不耦合很快转化为耦合;不流动的裂隙水主要表现为热存储和热传导,而流动的裂隙水还引起流动传热和水与岩石之间的对流换热,使岩体温度场明显不同于单纯热传导的情况;如果保持裂隙水流量不变,则裂隙开度的变化对水流-传热影响不大;如果保持裂隙水流速不变,则裂隙开度的变化对水流-传热影响显著;热源功率越大,通过裂隙水的热流量越大,裂隙水压强越大,而当温度超过100 ℃时,裂隙水会因汽化而压强显著增大;加热7 d时,热量的输入和输出几乎相等,裂隙水流带走的热量接近热源供给的热量,模型系统基本达到了热平衡。     

On the heat transfer coefficient between rock fracture walls and flowing fluid

Two analytical solutions are derived to model the heated flow-through experiments for granite fractures in the literature. The first model, which assumes an identical/continuous temperature between the bulk fluid and fracture surfaces, represents an upper bound solution of water temperature in rock fractures. The second model including the empirical parameter of heat transfer coefficient is used to calculate the average heat transfer coefficient based on the available experimental data. The obtained heat transfer coefficients are smaller than that from the thermal boundary layer theory for flat plates, but larger than the previous estimates. A power function is fitted to describe the relation between heat transfer coefficient and flow velocity. Both models show that water temperature increases non-linearly along fracture plane.     

分布热源作用下单裂隙岩体三维水流-传热的半解析计算方法

针对高放射性核废物地下处置库近场饱和裂隙岩体环境,提出一种由分布热源、饱和单裂隙和两侧无限大岩石构成的三维水流-传热简化模型,建立了控制微分方程和基于拉氏变换域格林函数的积分方程;采用矩形单元把裂隙面域离散化,利用极坐标下的解析方法计算包含奇点的单元积分,利用数值方法计算分布热源和不包含奇点的单元积分,建立拉氏变换域的线性代数方程组,求解后,利用拉氏数值逆变换,计算任意时刻裂隙水和岩石的温度分布。对两个无内热源、流场确定的计算模型进行了计算,与仅考虑岩石沿裂隙面法向一维热传导的解析解进行了对比。计算分析了分布热源作用下饱和单裂隙岩体的三维水流-传热特征及其对裂隙水流速、岩石热传导系数和热源热流集度的敏感度。计算结果表明：与直接采用高斯数值积分相比,提出的解析法奇异积分精度较高;就裂隙水温度而言,单裂隙岩体三维水流-传热半解析计算方法与解析法得到的结果基本一致,但由于半解析计算方法考虑了岩石的三维热传导,使得裂隙水的上游温度较低,而下游温度较高;无分布热源作用时,岩石热传导系数越大,裂隙水温度越低;裂隙水流速越大,裂隙进水温度对裂隙水和岩石温度分布的影响越明显;由于受到裂隙水流动传热的作用,分布热源对裂隙水温度和岩石温度的影响在裂隙水流的下游区域比较显著。     

稀疏非正交填充裂隙岩体水流—传热—应力模型与离散元模拟

为研究填充裂隙水流速度对岩体温度和应力的影响，选取甘肃北山地区的花岗岩，制作了稀疏非正交裂隙岩体模 型，采用河砂填充裂隙后进行模型试验；并对模型试验进行离散元数值模拟，分析了模型试验所测岩体温度和热应力与数 值模拟结果的差异和原因。结果显示：填砂裂隙强化了裂隙介质的热导能力，无填充时岩体温度和热应力比填砂时低；模 型试验和离散元模拟均表明，岩体温度和岩体应力随裂隙水流速度增大而减小，但是系统达到稳态所需要的时间变短；模 型试验中斜裂隙水流对温度场起主要作用；由于现有3DEC软件不能考虑水的热物性参数随温度的变化，进而产生自然对 流换热，斜裂隙水流和靠近热源侧的竖裂隙水流对温度场起主要作用。     

稀疏不规则裂隙岩体模型三维水流-传热对温度和应力影响的试验研究

选取高放射核废物处置库重要预选场区甘肃北山地区的花岗岩,制作750 mm（宽）×300 mm（厚）×1 000 mm（高）的稀疏不规则裂隙岩体模型,该模型由18块花岗岩和竖向与斜向各两条裂隙组成,在裂隙及岩石内部埋置温度传感器、水压计、直角应变花,并在模型一侧设置局部热源,研究热源温度和裂隙水流速对岩石温度和应力的影响。结果表明,竖裂隙水主要从顶部进水口流向底部出水口,斜裂隙水主要从侧部进水口流向侧部出水口,竖裂隙与斜裂隙在交汇处存在微小流量交换;由于热源处在两条斜裂隙进水口之间,并且斜裂隙长度小于竖裂隙,岩石热传导与斜裂隙水流对岩石温度分布起控制作用,竖裂隙水流对岩石横向热传导起阻滞作用;由于热传导和水流传热的不规则性,上层岩石形成从左向右为主的传热路径,中层和下层岩石形成从上向下为主的传热路径;由于上、下层岩石温度梯度较小,岩石收缩受热拉应力,而中层岩石温度梯度较大,岩石膨胀受热压应力,大主应力的方向大致垂直于斜裂隙面与竖裂隙面的交线,岩石应力增量随斜平面方向的温度梯度增大而增大;热源温度越高,裂隙水流速越低,岩石温度越高、岩石应力越大,系统达到稳态需要的时间越长。     

辽宁大隆矿区矿井巷道空气温度的数值模拟与分析

为解决深部开采带来的巷道内温度过高而没有对热量加以利用的问题,采用传热学、计算流体力学理论,对巷道围岩—空气换热系统进行了三维数值计算,研究了在渗流和无渗流条件下巷道内部温度场随巷道空气入口雷诺数的变化规律。计算结果表明:在巷道长度方向0～50m范围内温升不明显,超过50m后温度增加明显,并且随着长度增加温度相应增加;渗流情况下,巷道空气出口平均温度高于无渗流情况下巷道空气出口平均温度;渗流情况下,雷诺数在1.3×105～3.5×105、11.33×105～3.5×105间平均总传热系数大于无渗流情况下平均总传热系数。控制巷道空气入口雷诺数是解决巷道内温度过高和对热量加以利用的关键。以上结论为矿井热害的综合治理、基于巷道风热量利用的空气源热泵系统的优化设计提供了重要依据。