乾熱岩地熱資源潛力巨大, 綠色可再生, 是一項戰略能源, 日益受到世界主要國家的高度重視. 深部乾熱岩地熱開發通常是將流體工質 (如水, 二氧化碳) 注入地下裂隙通道中換出熱能並迴圈至地面系統. 熱工質在裂隙中的流動換熱規律及其表徵是其中重要科學問題之一, 也是開採方案優化設計以及高效采熱技術開發的基礎. 針對該問題, 中國科學院武漢岩土力學研究所副研究員白冰及研究員李小春等在前人工作基礎上取得系列新進展.
研究團隊自行研製了新型高溫裂隙岩體流動換熱力學耦合測試系統, 對花崗岩單裂隙中水在不同圍壓, 不同圍溫以及不同流量條件下的流動換熱進行了系統的實驗研究; 利用實驗數據對現有裂隙總體換熱係數公式進行了驗證篩選, 發現某些常用公式在流量較高條件下出現數值振蕩甚至負值等不合理情況, 提出了總體換熱係數 (OHTC) 的一個簡化公式有效解決了這一問題. 此外, 有些換熱係數公式在推導中為了容易解析而假設內壁面溫度沿徑向是常量也是不合理的, 這將導致現在 (±R, 0) 處存在溫度不連續的問題. 研究人員基于格林函數法提出了一套新的關於總體換熱係數的解析方法, 可有效避免這些問題, 給出了徑向溫度是0-3次多項式函數分布時具體解析解. 開發了裂隙流動換熱數值分析模型, 成功實現了裂隙與岩石相差2個數量級時的數值建模問題, 類比結果與實驗數據吻合良好. 提出用局部換熱係數(LHTC)表徵乾熱岩裂隙的局部換熱特徵, 發現裂隙張開度較小時通常局部換熱係數較大, 裂隙的局部起伏度 (代表粗糙性) 與局部換熱係數呈負相關關係, 即LHTC在裂隙凹進處較大, 而在凸起處較小. 裂隙光滑處LHTC較小, 而粗糙處則較大, 給出了LHTC與起伏度的擬合關係. 基於該模型對水和二氧化碳的流動換熱規律進行了類比研究, 發現其他條件相同條件下, 氣態二氧化碳和氣態水的總體換熱係數和局部換熱係數都隨著流量的增加而增加, 氣態二氧化碳的OHTC及LHTC總是比氣態水的小, 超臨界水換熱係數優於超臨界二氧化碳. 就二氧化碳而言, 緊相比松相的換熱能力更優.
研究工作得到國家自然科學基金面上項目 (Grant 41672252, 41272263)的資助. 研究成果發表在Applied Thermal Engineering, Rock Mechanics and Rock Engineering, Computers and Geotechnics,Environmental Earth Sciences 以及Geothermics 等期刊上.
裂隙流動換熱實驗原理
花崗岩岩塊與裂隙中的溫度分布 (左側注入流量30mL/min,裂隙開度125.5微米, 時間900s)
不同狀態下二氧化碳的局部換熱係數比較
