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中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所在干熱巖裂隙換熱量化表征領(lǐng)域取得新進展，相關(guān)研究成果發(fā)表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》等權(quán)威期刊。該研究創(chuàng)新性地構(gòu)建了裂隙內(nèi)部流體與裂隙壁面的高精度溫度場解析解，提出了干熱巖綜合換熱系數(shù)（OHTC）計算新公式，并成功實現(xiàn)了現(xiàn)場尺度數(shù)值模擬應(yīng)用。研究成果不僅豐富了巖體裂隙流動換熱理論，也為干熱巖地熱資源的評價與開發(fā)提供了重要的理論支撐和方法依據(jù)。
干熱巖作為一種清潔、可再生且儲量巨大的非碳基新能源，其開發(fā)利用對實現(xiàn)"雙碳"目標具有重要意義。在干熱巖地熱資源的開發(fā)過程中，裂隙網(wǎng)絡(luò)的有效激發(fā)與流體循環(huán)注采是關(guān)鍵，而準確的裂隙換熱系數(shù)模型則是資源定量評價與開發(fā)預(yù)測的基礎(chǔ)。然而，在一類典型的巖體裂隙換熱試驗中，由于裂隙壁面與裂隙流體的精確溫度場解析解長期缺失，研究多采用簡化和近似方法構(gòu)建換熱系數(shù)模型，導(dǎo)致在較高流速條件下易出現(xiàn)數(shù)值震蕩或較大偏差。盡管部分實用模型表現(xiàn)出較好的穩(wěn)健性并被納入行業(yè)標準，但不同模型間的準確性評估仍缺乏客觀標準。
針對上述問題，武漢巖土所巖土工程前沿交叉研究中心（籌）白冰研究員及團隊，依托在干熱巖裂隙換熱領(lǐng)域的長期研究基礎(chǔ)，采用實驗測試、解析建模與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開展研究，力圖得到更客觀的換熱系數(shù)模型。團隊首先在實驗測試數(shù)據(jù)指導(dǎo)下開發(fā)并驗證了數(shù)值模型，通過3D單裂隙換熱模擬揭示了換熱特性規(guī)律；基于此提出數(shù)值換熱系數(shù)（NHTC）并實現(xiàn)算法化，其核心是將換熱系數(shù)作為裂隙換熱模型的反演參數(shù)，通過物理試驗與數(shù)值試驗數(shù)據(jù)聯(lián)合確定。
進一步，團隊提出回避偏微分方程組直接求解的困難，轉(zhuǎn)而直接構(gòu)造裂隙壁面與流體溫度場。在實驗數(shù)據(jù)特別是3D模擬結(jié)果的啟發(fā)下，結(jié)合流動邊界層模型，成功獲得與3D數(shù)值模擬結(jié)果高度吻合的溫度場解析解。基于這一結(jié)果，進一步導(dǎo)出裂隙對流換熱系數(shù)新公式，并證明該公式可有效避免異常換熱系數(shù)的產(chǎn)生，是目前具有客觀性的裂隙總體換熱系數(shù)公式，可用作試驗數(shù)據(jù)處理中的換熱系數(shù)定義式。
同時，為提升研究成果的工程應(yīng)用價值，團隊以上述換熱系數(shù)定義式為基準形成可直接嵌入數(shù)值模擬器的換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，并在數(shù)值模擬器中實現(xiàn)該方案。以青海共和干熱巖示范工程為背景進行算例驗證，取得了積極效果。這一研究成果為干熱巖地熱資源開發(fā)提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
此項研究得到了國家自然科學(xué)基金項目（Grant Nos. 41972316 , 41672252)的資助，本所研究生和聯(lián)合培養(yǎng)研究生參與了相關(guān)工作。
論文鏈接：
1. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.03.044
2. https://link.springer.com/article/10.1007/s10765-020-02691-y
3. https://d.wanfangdata.com.cn/periodical/cdlgxyxb202203011
4.https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=F7lgbn8YeJrleSX104_7oVTsoi9vyECmAxx8fagKy9Cqjr4VOc2LRP0RuUHyPzJr4CHGTe6y1rbjOsC3-j4YCY6XpequIis8TuqJjoygGpVsZwej7YKa7GaqwYX6tu0i8-7NSNNQIDQRDax02PwtOv8CWtKDdHInjl7IdG1eEIUOWz2TfuhHflRCxss7TQE6&uniplatform=NZKPT&language=CHS
圖1 三維條件下單裂隙換熱流體和壁面的溫度場：解析解與數(shù)值解的比較
圖 2一組流動換熱試驗數(shù)據(jù)集上不同換熱系數(shù)的公式比較（A為本方法）
圖3 場地尺度采熱算例的溫度場分布特征