干热岩地热资源潜力巨大, 绿色可再生, 是一项战略能源, 日益受到世界主要国家的高度重视. 深部干热岩地热开发通常是将流体工质 (如水, 二氧化碳) 注入地下裂隙通道中换出热能并循环至地面系统. 热工质在裂隙中的流动换热规律及其表征是其中重要科学问题之一, 也是开采方案优化设计以及高效采热技术开发的基础. 针对该问题, 中国科学院武汉岩土力学研究所副研究员白冰及研究员李小春等在前人工作基础上取得系列新进展.
研究团队自行研制了新型高温裂隙岩体流动换热力学耦合测试系统, 对花岗岩单裂隙中水在不同围压, 不同围温以及不同流量条件下的流动换热进行了系统的实验研究; 利用实验数据对现有裂隙总体换热系数公式进行了验证筛选, 发现某些常用公式在流量较高条件下出现数值振荡甚至负值等不合理情况, 提出了总体换热系数 (OHTC) 的一个简化公式有效解决了这一问题. 此外, 有些换热系数公式在推导中为了容易解析而假设内壁面温度沿径向是常量也是不合理的, 这将导致现在 (±R, 0) 处存在温度不连续的问题. 研究人员基于格林函数法提出了一套新的关于总体换热系数的解析方法, 可有效避免这些问题, 给出了径向温度是0-3次多项式函数分布时具体解析解. 开发了裂隙流动换热数值分析模型, 成功实现了裂隙与岩石相差2个数量级时的数值建模问题, 模拟结果与实验数据吻合良好. 提出用局部换热系数(LHTC)表征干热岩裂隙的局部换热特征, 发现裂隙张开度较小时通常局部换热系数较大, 裂隙的局部起伏度 (代表粗糙性) 与局部换热系数呈负相关关系, 即LHTC在裂隙凹进处较大, 而在凸起处较小. 裂隙光滑处LHTC较小, 而粗糙处则较大, 给出了LHTC与起伏度的拟合关系. 基于该模型对水和二氧化碳的流动换热规律进行了模拟研究, 发现其他条件相同条件下, 气态二氧化碳和气态水的总体换热系数和局部换热系数都随着流量的增加而增加, 气态二氧化碳的OHTC及LHTC总是比气态水的小, 超临界水换热系数优于超临界二氧化碳. 就二氧化碳而言, 紧相比松相的换热能力更优.
研究工作得到国家自然科学基金面上项目 (Grant 41672252, 41272263)的资助. 研究成果发表在Applied Thermal Engineering, Rock Mechanics and Rock Engineering, Computers and Geotechnics,Environmental Earth Sciences 以及Geothermics 等期刊上.
裂隙流动换热实验原理
花岗岩岩块与裂隙中的温度分布 (左侧注入流量30mL/min,裂隙开度125.5微米, 时间900s)
不同状态下二氧化碳的局部换热系数比较
