增强型地热系统热流固耦合模型及数值模拟

增强型地热系统(EGS)利用水力压裂地下高温岩体形成人工热储,通过载热流体循环提取干热岩(HDR)所存储的地热能,其开采过程包含渗流、热能交换及岩体介质变形,为典型的热流固(THM)耦合问题。将裂隙岩体视作基于离散裂隙网络和基质岩体的双重介质,给出THM耦合的数学模型,基于商业有限元软件COMSOL Mutilphysics进行二次开发,实现裂隙岩体温度场、渗流场和应力场的全耦合求解。利用一个已知解析解的算例验证耦合模型和全耦合求解方法的正确性。最后利用随机生成的二维裂隙网络模型模拟EGS的运行过程,分析干热岩储层内渗流、温度、应力及变形的分布规律。计算结果表明,储层内的贯通裂隙构成主要导水区,水的对流传热作用明显;高压水注入和温度变化导致岩体裂隙发生位移,改变储层的传输特性,进而影响地热能的提取;考虑THM耦合作用对于研究增强型地热系统的的利用效率和运行规律非常有必要。     

裂隙煤岩体的流固耦合精细模型

将裂隙煤岩体视为裂隙-孔隙双重介质,以满足某种概率分布的主干裂隙网络描述煤岩体裂隙的分布;将主干裂隙间包含低序次裂隙的基质煤(岩)块视为各向同性孔隙介质,建立裂隙煤岩体的流固耦合精细模型.对不同介质分别进行渗流-应力耦合分析,在应力计算时采用等厚度节理单元进行模拟,在渗流计算时,采用节理单元的中面坐标将节理单元转换为线单元进行模拟的数值技术,解决2类介质耦合求解时存在不同介质间流体的交换问题.研究结果表明:裂隙煤岩体流固耦合的数值实验结果反映了裂隙煤岩体渗流的各向异性,孔隙渗流滞后裂隙渗流现象,体现了煤岩体贯通主干裂隙网络对渗流场分布起控制作用;数值实验结果较真实地模拟了煤岩体应力分布的复杂性,体现了孔隙单元的有效体积应力和裂隙单元的有效法向应力随渗流发展的时效演化规律.     

水压致裂作用对岩石渗透率影响数值模拟

针对在低渗透油、气田和煤层气开采过程中,水压致裂增透机理应用中的问题.基于流固耦合理论,考虑损伤和应力变化对渗透率的影响,运用岩石破裂过程流固耦合分析系统RFPA,进行了单孔水压致裂过程对岩石渗透率影响的数值模拟研究.实验结果表明,水力压裂过程中水压力不断增加致使裂隙萌生、扩展,岩石破裂失稳;水压力与裂隙长度呈强烈非线性关系;裂隙扩展提高岩体渗透率,渗透率数值上增加1-2个数量级,裂隙扩展过程中主裂隙附近岩体渗透率高于非破坏区岩体渗透率.     

岩体离散裂隙网络渗流应力耦合分析

裂隙渗流具有沿裂隙网络做定向移动的特点,用非连续介质方法分析裂隙岩体渗流应力耦合更符合工程实际.本文以人工模拟的随机裂隙网络为对象,应用离散裂隙网络模型和节理单元模型,以裂隙开度变化为纽带,同时考虑渗透静水压力和动水压力的影响,研究水位变化条件下裂隙岩体渗流应力耦合特性.算例表明,考虑耦合作用时,岩体内部结点水头、结点应力和岩体渗流量会发生相应改变.岩体中水头大的裂隙段,耦合作用更加明显.在高坝工程岩体渗流分析和岩体稳定评价计算中,应当考虑渗流应力的耦合作用.     

柱状节理岩体渗流应力耦合作用特性研究

应用3DEC离散单元法模拟柱状节理岩体应力渗流耦合.分析柱状节理岩体模型耦合算法与非耦合算法计算结果的差异及耦合算法下柱状节理孔应力与流量的变化.采用耦合算法所得最大应力与位移均大于非耦合算法,在耦合算法下,裂隙渗流产生的渗流力改变了应力场的分布,而应力场的变化使得裂隙岩体的渗透系数发生变化,从而导致岩体渗流场的重新分布.计算结果表明孔应力以及流量的变化是一个相互影响的动态过程.研究成果证明了所用方法的合理性,对柱状节理岩体渗流应力耦合作用特性做出了初步的研究与分析.     

单裂隙异质岩体变形参数及渗透系数分析

为了对不同地层接触区裂隙结构面的渗流特征进行研究,针对单裂隙异质岩体的变形参数及渗透系数,通过理论推导得出计算公式,并用试验对公式的正确性及适用性进行验证.研究结果表明:在相同裂隙水压和围压作用下,单裂隙粗砂岩、单裂隙细砂岩及单裂隙异质岩体的渗透系数各不相同,由此说明裂隙面两侧岩性对裂隙岩体渗透性有显著影响;裂隙岩体渗透系数随围压增大呈减小分布,且数值变化限定在一定围压范围内,当围压达到一定值时渗透系数趋于稳定;将推导所得的单裂隙岩体渗透系数理论计算值与试验结果进行对比分析,发现二者符合较好,从而表明推导所得的单裂隙岩体渗透系数理论计算公式的正确性与适用性.     

FRACOD模拟裂纹扩展液-力耦合模块的研发及工程应用

核废料储存、地热开发等岩体施工过程中经常遇到液-力耦合(H-M)问题,给安全施工带来了巨大挑战.开展液-力耦合相关模拟问题的研究对岩体工程领域发展具有一定的现实指导意义与参考价值.FRACOD软件中的H-M耦合采用位移不连续法计算裂隙的变形和张度、用立方定律等方法依次对相邻裂隙单元之间流量、水压进行计算,再通过力学部分...     

岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合模型及应用

基于岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合效应是引起岩体工程高压突水、水力劈裂等地质灾害的重要原因,研究高水压下岩体裂隙的劈裂损伤机理和各向异性渗流特性,建立岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合理论模型。将损伤应力场和渗流场作为2个子系统,采用间接耦方法构建岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合数值模型。将模型应用于山西省长治市潞安王庄矿3号煤4309工作面高压注水软化顶煤工程,对高压注水下煤岩体的渗流-劈裂-损伤耦合响应规律进行研究。研究结果表明:所建模型反映了渗透压对岩体柔度张量的贡献和翼形裂纹扩展对裂隙岩体渗透张量演化的贡献;在高渗透压条件下,煤岩的应力场会发生很大变化,甚至可能改变煤岩应力拉压状态;高渗透压改变了煤岩裂纹结构,导致煤岩破裂是高压注水软化顶煤的基本原因;潞安王庄矿3号煤4309工作面的合理注水压力为7 MPa左右,这在现场注水现场试验中得到证实。     

裂隙岩体水-岩耦合传热研究

基于热运动控制微分方程,采用有限单元法模拟水流通过简单裂隙岩体的温度场,以研究水岩耦合传热规律.在裂隙水流速不变条件下,比较裂隙宽度变化引起的稳定温度场分布差异,探究裂隙宽度对水流耦合传热的影响.裂隙单宽一定时,研究不同裂隙水流速条件下岩体温度分布变化,结果表明温度场分布对裂隙水流速较为敏感.当裂隙岩体温度高于裂隙水温时,裂隙周边区域的岩石温度随裂隙水流速增大而呈非线性递减趋势.     

岩溶区地下工程裂隙渗流突水数值模拟研究

随着岩溶区地下工程的大量建设,岩溶裂隙突水频发并逐渐成为制约地下空间建设发展的瓶颈问题.采用简化的裂隙非饱和渗流计算方法,通过多场耦合分析数值模拟软件COMSOL Multiphysics研究了裂隙岩体的非饱和渗流特征及裂隙对渗流的影响.通过对复杂的溶洞-裂隙系统进行科学简化,建立了一种岩溶区地下工程裂隙导通突水模型,并采用此模型开展了裂隙渗流突水数值计算.结果表明:裂隙对岩体渗流产生显著影响并会造成渗流强烈的各向异性;地下水大都将沿着优势渗流通道运移,而较少渗流到其他阻渗性强区域,因而形成相对集中的突水点.研究结果可为岩裂隙渗流和连通提供思路,为岩溶区裂隙突水理论和防治提供参考.     

滑块联轴器及其应用的运动学问题

用机构学原理，建立了滑块联轴器及其应用时的运动学模型，分析了其产生的位移、速度、加速度和惯性力等运动学问题，并推导出相应的计算公式．为滑块联轴器的应用与改进提出了必要的理论依据．     

加热炉直段炉管与管内外流体多场耦合分析

加热炉炉管、炉管内外流体以及筒体构成了一个复杂的多场耦合系统,研究具有一定的难度。现开展加热炉炉管多场耦合分析,为验证多场耦合分析方法的正确性,对共轭传热分析及热应力分析进行了验证计算,结果误差均在10%左右。采用小变形和耦合传热理论,考虑流、固、热三者之间的相互影响,以及流体动力学特性和载荷非线性特性,利用ANSYS、CFX软件,实现了加热炉炉管多场耦合数值模拟,并校核炉管强度。     

垂直磁记录薄膜交换耦合作用及开关场分布的测量

采用Lakeshore7407型振动样品磁强计,以Co-Pt垂直磁记录薄膜为例,详细介绍了垂直薄膜等温剩磁(isothermalremanentmagnetization,IRM)曲线、直流退磁剩磁(directcurrentdemagnetizationremanence,DCD)曲线的测量方法和退磁因子的计算方法,并给出根据退磁场修正后的IRM和DCD曲线计算垂直磁记录薄膜曲线和开关场分布(SFD)的方法.最后详细讨论了薄膜的微观组织和易磁化轴取向分布对退磁场、交换耦合作用和SFD的影响.结果表明:退磁场的存在使得直接测量得到的晶粒间交换耦合作用偏小,开关场分布宽化;影响晶粒间交换耦合作用的内在原因是介质的微观组织和易磁化轴的取向分布.     

多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上，提出水-热-力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393＋950的冻土路基为计算对象，得出了1月份路基温度场、水分场及应力场（变形场）的分布规律：路基温度场内部存在着未冻土核；水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势；在负温条件下，土体的体积含冰量超过临界值时，将产生冻胀现象。研究结果表明，多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中，路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。     

多场耦合模拟技术在地热开采安全性评价中的应用

在地热特别是中深层地热长期采灌作业中,常常存在储层结构变化,甚至诱发地表变形破坏等安全问题。在地热开发的多个阶段需要开展开采安全性分析与评价研究。这些过程是典型的多场耦合过程,迫切需要多场耦合模型及数值模拟技术。本文介绍两个专用多场耦合评价工具,即水岩反应引起热储结构破坏的THC模拟器和采热诱发地面变形的THM模拟器,分析了两个模型的数学原理及其开发过程,并给出应用案例。     

晶体电场对离子自旋─轨道耦合参数的影响

晶体电场对三价稀土离子自旋─轨道耦合参数有影响，是人们长期怀疑但尚无人作过定量分析与计算的问题．本文从相对论Ｄｉｒａｃ方程式给出的电子自族─轨道耦合参数表达式出发，以稀土氯化物为例，首次详细计算了晶体电场对稀土离子（Ｃｅ３＋、Ｐｒ３＋、Ｎｄ３＋、Ｓｍ３＋、Ｅｕ３＋、Ｇｄ３＋、Ｄｙ３＋、Ｅｒ３＋、Ｙｂ３＋）４ｆ自旋─轨道耦合参数贡献的相对大小．计算结果表明：晶体电场对电子自旋─轨道耦合参数的贡献至多占稀土离子核库仑场贡献的万分之一，因此可以忽略不计．寻找电子自旋─轨道耦合参数实验值与理论值差别的途径，应该从离子的电子结构本身着手来研究．     

核物质中的夸克凝聚与介子—核子耦合常数的密度相关性

基于相对论平均场理论计算了核物质中夸克凝聚的高阶贡献，其中考虑了介子－核子耦合常数的密度相关性，这种相关性是由核物质的相对论Ｂｒｕｅｃｋｎｅｒ－Ｈａｒｔｒｅｅ－Ｆｏｃｋ理论结果得到的。     

热油管道非稳态工况传热与流动的耦合计算模型

在进行热油管道工艺计算和运行工况分析时,通常将热力非稳态工况近似按稳态处理,这使得计算结果与实际情况偏差很大,不能客观地反映实际工况。在充分考虑管内油流热力、水力耦合以及管内油流与管外介质耦合的基础上,提出了一个比较完整的非稳态工况传热与流动双层耦合模型。采用双特征线法求解管内油流参数,用有限单元法求解管外土壤温度场,并编制了相应的计算程序。利用该模型和英国ESI公司的管道模拟软件TLNET分别对所建立的几种热油管道非稳态工况进行了模拟计算。结果表明,该模型比较合理,可用于热油管道非稳态工况的计算。     

缓冲材料参数对核废料处置库近场影响的二维有限元分析

以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验作为数值计算模型,利用有限元软件Code-Bright,通过改变膨润土初始渗透系数、初始吸力和初始进气值,得到热-水-力(thermo-hydro-mechanical,THM)耦合作用下处置库关闭后缓冲层饱和度和吸力的变化规律,以及以上3个因素对这些性状影响的敏感程度,研究结果可为核废料处置库缓冲材料的选取提供参考.