裂隙岩体流热耦合的三维有限元模型

利用传热学和渗流理论,建立了深部裂隙地层流热耦合传热的三维数学模型。采用渗流和导热微分方程描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流固耦合传热进行了数值模拟。数值模拟结果表明:岩体内裂隙水流所引发的热质迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。模型揭示了岩体与裂隙水流之间发生的对流换热现象,模拟了岩体内的温度场分布,实现了由点向场的转变。模拟结果与实际情况相吻合,表明采用该方法研究裂隙岩体的流固耦合传热是可行的。     

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.     

深埋巷道围岩温度场的数值模拟分析

为了研究深埋巷道围岩温度场的分布规律．基于传热学和渗流理论建立了深埋巷道围岩的热扩散数学模型．结合边界条件采用MATLAB对其进行了数值求解,获得了在风流和渗流耦合作用下围岩的温度场和温度矢量分布。研究结果表明,无渗流状态下温度场和温度矢量呈对称分布,风流速度对温度分布有明显的影响,但不改变其对称分布的状态。渗流改变了温度场和温度矢量原有的对称分布的状态,热交换平衡区随着渗流速度的增加,将向顺渗流的方向移动。     

寒区隧道围岩水热耦合数值分析

寒区隧道土体中的水分迁移和相变是冻害问题的主要诱因.基于混合物理论,建立考虑水分迁移和水冰相变的联合求解微分方程对水热耦合问题进行求解,并使用 COMSOL Multi-physics 软件进行模块开发,实现渗流-温度耦合数值模拟,进而将模拟结果与土柱冻结实验的结果进行对比,证明水热耦合模型是正确的.最后以西藏自治区米林隧道为例,对温度场、水分场模拟分析并对是否考虑水分迁移的温度场进行对比.结果表明:随着时间的增加,隧道顶部边界气温由-0.82℃降低到-9℃,隧道内部边界温度由-0.74℃ 降低到-11.11℃,并在3月份隧道温度回升;含冰量峰值出现在1月份,在3月份含冰量开始下降.同时,未考虑水分迁移的温度场中热传导速度较快,证明相变潜热对隧道中温度场的分布影响远大于液态水靠重力迁移造成的热对流传热.研究成果直观反映富水寒区隧道的冻害发生过程,具有一定的参考价值.     

深部裂隙岩体温度场及其控制因素

分析了深部裂隙岩体温度场随深度基本变化特征及其主要影响因素,用数值模拟方法研究了裂隙水流对岩体温度场的影响特征,分析了裂隙围岩温度场与裂隙中水流温度场相互影响的主要特征和主要因素.通过假设的理论模型模拟计算了岩石热传导性、水岩热对流交换系数等因素对裂隙岩体温度场的控制作用,定量分析了不同因素对裂隙岩体温度场的影响特征,为研究深部矿井热害特征及其热害防治与地热综合利用提供了科学的依据.     

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.     

由统计规律模拟生成的岩体裂隙网络的非稳定渗流数值分析

研究裂隙岩体中渗透水流随时间、边界条件的变化规律,从而客观反映渗透水流情况,具有重要的意义.利用MonteCarlo模拟岩体中裂隙网络分布情况,基于裂隙岩体网络非稳定渗流数学模型,编制相应的程序,并通过算例进行验证,进而对工程实例进行分析.结论表明:运用MonteCarlo方法模拟岩体中裂隙网络分布状况并进行渗流分析是一种较好的分析方法;当边界条件发生变化时,裂隙岩体中水头分布变化存在一定的滞后性,并且当边界条件变化一定时,岩体中水头分布受时间变化影响不大.     

岩石单裂隙渗流-传热模型及其参数敏感性分析

针对岩石单裂隙渗流-传热问题,在传热几何简化模型的基础上,借鉴非稳态平面热源法建立岩石单裂隙在瞬态下的传热数学模型,由此计算任意时刻裂隙岩石的温度分布。同时,对裂隙岩石的传热影响因素进行研究。结果表明:渗透作用下岩石温度场受裂隙水流速度、隙宽、水流与岩石初始温度差等综合作用的影响。在一定范围内对这3个参数进行敏感性分析,得出岩石温度场对裂隙水流速度、水流与岩石初始温度差的敏感度较大,而对隙宽敏感度较小的结论。     

渗透动水压力作用下裂隙岩体渗流与应力耦合分析

针对裂隙岩体的渗透水压力使岩体应力产生非常大变化,同时应力变化也影响裂隙岩体渗透性。考虑岩体渗流和应力耦合分析是研究地下水活动规律的首要问题。当岩体以裂隙为主,且其分布较密集时,可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。运用等效连续介质理论,建立了等效连续岩体渗流与应力耦合分析的数学模型,充分考虑了渗透水压力和裂隙的存在对岩体应力及孔隙裂隙水压力变化产生的影响。给出了渗流场与应力场耦合分析的工程算例。