含水层热量运移中自然热对流作用的数值模拟

较严密地推导了能够描述含水层热量运移中自然热对流作用的水流方程和热量运移方程,并在此基础上建立了一个三维非线性模型.根据模型的特点,提出综合采用Douglas Brian ADI差分法、特征线法返回技术及改进Picard迭代法求解,并给出了计算步骤.模型及数值方法用于模拟上海第二承压含水层中的一个群井储能试验.试验中的自然热对流作用得到了较好的体现,反映出模型合理可靠,方法有效,结果令人满意.     

峰峰矿区东部地下水水文地球化学模拟

应用离子比例系数法分析了峰峰矿区东部地下水化学成分特征,结合含水层岩性条件,为水文地球化学模拟中“可能矿物相”的确定提供依据;采用PHREEQC软件对含水层中水-岩作用进行水文地球化学模拟,模拟计算出饱和指数,通过质量平衡模拟计算水-岩作用过程中主要矿物相的转化量。结果表明:方解石和白云石处于饱和状态,在适当的条件下会沉淀,而岩盐、石膏处于未饱和的状态,在适当的条件下将继续溶解。沿地下水流路径,从五矿奥灰水-一矿奥灰水-一矿副井水,地下水系统中白云石、岩盐、石膏溶解,方解石沉淀,且发生了阳离子交换作用。研究矿井水中水-岩相互作用,初步探讨废弃矿井水文地球化学演化机制,对分析矿井水文地球化学演化的影响因素有重要作用。      

济宁市王楼煤矿侏罗系含水层水文地质条件分析

王楼煤矿目前正在开采3上煤层,主要水害为顶板水和采空区积水。顶板水主要水源为3煤顶部砂岩水及侏罗系砂砾岩水,其中侏罗系砂砾岩水是矿井防治水工作的主要对象。区内局部地段侏罗系砂砾岩含水层直接覆盖在煤层露头之上,成为3煤层开采的直接充水含水层。运用历年来的抽水试验成果及水位动态变化资料,对侏罗系含水层的水文地质特征进行了分析,并对断裂构造对含水层及矿井充水的影响进行了评价。结果表明:侏罗系下部砂砾岩段大部地区富水性弱-中等,是开采浅部煤层时矿井的主要补给水源之一;上侏罗统砂砾岩裂隙含水层与山西组3上煤层顶底板砂岩水存在较好的水力联系;在区内该含水层除二段上部富水性较弱外,其余的层段富水性均较强,主要接受上部岩浆岩含水层的补给;煤层开采造成的冒落裂隙带在局部地段影响到侏罗系含水层,从而使侏罗系含水层成为煤层开采的直接充水水源。     

古韩联营煤矿3^#煤层带水压开采条件评价

提出古韩联营煤矿3^#煤属带水压开采,采掘过程中对3^#煤安全开采最大的潜在威胁是构成煤系基底的K2灰岩和奥灰岩溶裂隙水。分析和计算了这两个含水层的突水系数,评价得出K2灰岩和奥灰含水层属于可能发生底板突水危险地区,建议在矿井巷道掘进和工作面回采过程中应采取相应地防治水技术和措施来保证矿井的安全生产。     

地源热泵系统地下水热量运移阶段特性模拟研究

含水介质中地下水热量运移过程模拟是地源热泵系统这类新型浅层地温能利用工程科学论证的重要内容。通过建立饱和含水介质中热量运移对流-弥散数学模型,模拟了拟建地源热泵系统理想的对井抽-灌运行特定水流及热源条件下地下水热量运移过程。结果表明热泵系统完整运行周期(一年)内地下水热量运移过程具有显著的"阶段性"特征,"夏、冬抽-灌输运"和"春、秋停运蓄存"两阶段取决于不同的作用因素。从数学和概念模型两方面讨论了地下水流作用对热量输运过程的决定性影响,说明不同时期抽、灌井互换运行是解决拟定工作模式下热(冷)能浪费问题的理想途径。     

矿区深部含水层水-岩作用的同位素与水化学示踪分析

为了有效揭示华北隐伏型煤矿区煤炭开采进程中深部含水层水-岩作用机制,本文以淮北煤田宿县-临涣矿区为研究示范,收集与采集1985～2011年期间矿区松散层第四含水层、煤系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层深部地下水样166个,分析与测试87Sr/86Sr、34S、13C同位素以及Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl-、SO2-4、CO2-3等常规组分,并开展基于同位素与水化学的水-岩作用示踪与分析。研究成果表明:在矿区主要充水含水层中,煤系砂岩裂隙含水层脱硫酸与阳离子交替吸附作用最为显著,而松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层黄铁矿氧化或地下水硬化最为显著;受煤炭开采影响,煤系砂岩裂隙含水层、奥陶系岩溶含水层主要水-岩作用逐渐减弱,松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层主要水-岩作用或增强、或减弱,增强或减弱的程度取决于井田基岩面标高、主要断层的展布形态与隔水性能以及煤层开采扰动范围等。     

人工补给对含水层水质的影响

为了研究人工补给对含水层水质的影响问题,通过反向地球化学模拟方法对大庆西部地下水水质演化规律进行了分析。结果表明,地下水化学成分主要受含水层矿物相的溶解-沉淀作用、阳离子交换吸附作用以及氧化还原作用的影响,并确定方解石、白云石、盐岩、萤石、石膏、赤铁矿、菱铁矿、软锰矿、二氧化碳、阳离子交换剂等为影响地下水化学成分的控制性（矿）物相。在此基础上,采用正向地球化学模拟方法,以大庆市西水源地下水人工补给为例,模拟了地表水进入到地下后与含水层中原有的地下水以及含水层介质发生的水-岩相互作用。模拟结果表明,注入水与含水层中的水混合后,使地下水的矿化度有所降低,且混合水中地表水所占比例越大,地下水的矿化度越低;注入水与含水层中的地下水混合后,不会导致地下水水质的突变和水质级别的降低,还可在一定程度上改善含水层水质。     

考虑泥沙影响的污染物输运年龄数值模拟

自然水体中污染物的迁移、转化规律与经泥沙吸附后的沉降、再悬浮等泥沙过程密切相关,其机制尚不明确。采用污染物输运年龄对泥沙影响进行了量化分析,并应用于南黄海辐射沙脊群西洋海域。基于水体中泥沙-污染物模型,推导了考虑泥沙影响的污染物输运年龄的计算方程,通过数值模拟分析了污染物分配系数KD对污染物输运年龄空间分布的影响。研究成果表明:计入泥沙影响后,污染物浓度显著减小,污染物输运年龄随之增大,表明泥沙对污染物扩散起阻碍作用;污染物分配系数KD表征泥沙吸附能力,污染物输运年龄与其呈一定的正相关性,当该系数达到一定值(KD=10^3L/g)时,泥沙吸附能力趋于饱和,污染物输运年龄不再发生显著改变。     

试论砂岩型铀矿成矿机制和成矿作用动力学问题

文章初步讨论了我国北方表生、后生、渗入型砂岩型铀矿的成矿机制和成矿作用动力学问题。成矿作用包括了氧化-还原作用、有机质作用、水-岩相互作用、有机-无机作用和流体动力学等地球化学过程动力学,尤其是水-岩相互作用的流体输运-化学反应过程动力学和有机-无机作用过程。砂岩型铀矿成矿中地球化学障的形成和铀的富集是这些过程多重耦合的结果。识别这些地球化学过程的动力学机制有利于理解矿床成因和确立勘查目标。     

三维非稳定流含水层储能的数值模拟研究

本文建立了一个三维含水层储能模型。它是由一个描述地下水运动的水流模型与一个描述含水层中热量运移的热量输运模型耦合而成。为了考察地下水的运动状态对含水层中热量输运的影响，地下水流被处理成三维非稳定流。该模型被应用于上海群井储能试验，储能模型用特征线Ｄｏｕｇｌａｓ－Ｂｒｉａｎ ＡＤＩ法求解。通过本模型与稳定流储能模型的结果相比较，发现本模型的结果较好，诸观测孔各时段的绝对误差均值为０．６５℃，平均相对     

An analytical solution for modeling thermal energy transfer in a confined aquifer system

A mathematical model is developed for simulating the thermal energy transfer in a confined aquifer with different geological properties in the underlying and overlying rocks. The solutions for temperature distributions in the aquifer, underlying rock, and overlying rock are derived by the Laplace transforms and their corresponding time-domain solutions are evaluated by the modified Crump method. Field data adopted from the literature are used as examples to demonstrate the applicability of the solutions in modeling the heat transfer in an aquifer thermal energy storage (ATES) system. The results show that the aquifer temperature increases with time, injection flow rate, and water temperature. However, the temperature decreases with increasing radial and vertical distances. The heat transfer in the rocks is slow and has an effect on the aquifer temperature only after a long period of injection time. The influence distance depends on the aquifer physical and thermal properties, injection flow rate, and injected water temperature. A larger value of thermal diffusivity or injection flow rate will result in a longer influence distance. The present solution can be used as a tool for designing the heat injection facilities for an ATES system.     

热屏障井对地下水源热泵换热影响模拟

对于场地受限的地下水源热泵项目,随着系统运行时间的增加易引发热贯通现象进而降低机组运行效率。地下水源热泵设计中,在抽灌水井连线间布设热屏障井可改变地下水流场,降低热量在抽灌井间的运移速度,有利于延长热贯通发生时间并缓解热贯通程度。通过构建地下水换热模型,模拟计算夏季制冷工况条件下36组热泵运行场景,分析了热屏障井的位置,过滤管长度及回灌量对热贯通和含水层温度场的影响规律。结果表明:热屏障井回灌量的增加有利于提升热屏障效果,但提升幅度随回灌量的增加逐渐减弱;最大水位降深值随着热屏障井回灌量的增加呈线性增长;增加热屏障井滤管长度可提升热屏障效果,提升效果随屏障井回灌量的增加逐渐增强。通过模型多周期、长时间模拟计算发现,热屏障井的运行可促使回灌的冷热量集中在回灌井一侧,对于采用冬夏季抽灌井交换运行模式的热泵系统,可充分利用含水层储能,提升机组运行效率。     

FDEM-TH3D: A three-dimensional coupled hydrothermal model for fractured rock

This paper proposes a three-dimensional coupled hydrothermal model for fractured rock based on the finite-discrete element method to simulate fluid flow and heat transport. The 3D coupled hydrothermal model is composed of three main parts: a heat conduction model for the rock matrix, a heat transfer model for the fluid in the fractures (including heat conduction and heat convection), and a heat exchange model between the rock matrix and the fluid in the fractures. Four examples with analytical solutions are provided to verify the model. A heat exchange experiment of circulating water in a cylindrical granite sample with one fracture is simulated. The simulation results agree well with the experimental results. The effects of the fracture aperture, fluid viscosity, and pressure difference on the heat exchange between the fluid and rock are studied. Finally, an application concerned with heat transport and fluid flow in fractured rock is presented. The simulation results indicate that the 3D fully coupled hydrothermal model can capture the fluid flow and temperature evolution of rocks and fluids.     

关于岩石导热性野外测定方法的研究

导热系数是岩石重要的物理参数之一，其在地热能开发及岩土热工程应用中有着重要意义.目前的测试方法需要将岩样采回实验室进行表面加工，运输和加工过程会破坏岩石结构和影响含水率等，不仅测试工艺复杂，而且导致测试结果不准确.本研究提出一种现场获取岩石导热系数的新方法.利用导热耦合剂填充岩石表面与探头之间的接触面，减小测试过程中的接触热阻，辅助热物性测试仪器来开展野外导热系数测试工作.通过配制不同导热硅脂与不同铜粉掺量充分混合的导热耦合剂进行对比实验，确定导热耦合剂的最优配比.实验表明，导热耦合剂的涂抹能有效地减小探头与岩石表面的接触热阻，提高测试精度，且导热耦合剂本身对岩石的导热系数影响甚微.研究成果可为野外准确便捷地获得岩石导热系数提供参考.     

稀疏非正交填充裂隙岩体水流—传热—应力模型与离散元模拟

为研究填充裂隙水流速度对岩体温度和应力的影响,选取甘肃北山地区的花岗岩,制作了稀疏非正交裂隙岩体模 型,采用河砂填充裂隙后进行模型试验;并对模型试验进行离散元数值模拟,分析了模型试验所测岩体温度和热应力与数 值模拟结果的差异和原因。结果显示：填砂裂隙强化了裂隙介质的热导能力,无填充时岩体温度和热应力比填砂时低;模 型试验和离散元模拟均表明,岩体温度和岩体应力随裂隙水流速度增大而减小,但是系统达到稳态所需要的时间变短;模 型试验中斜裂隙水流对温度场起主要作用;由于现有3DEC软件不能考虑水的热物性参数随温度的变化,进而产生自然对 流换热,斜裂隙水流和靠近热源侧的竖裂隙水流对温度场起主要作用。     

壁面局部接触裂隙岩体水流-传热的一种理论模型及计算分析

核废物地质处置、地热开发、石油开采等工程领域都可能涉及稀疏裂隙岩体中的水流-传热过程。现有的裂隙岩体水流-传热理论模型和计算方法基本上都是以平行光滑壁面裂隙模型为基础的,没有考虑裂隙的壁面局部接触对水流、水-岩热交换以及岩体传热的影响。针对粗糙壁面裂隙水流过程,阐述了基于Stokes方程的Reynolds润滑方程及Hele-Shaw裂隙模型,采用MATLAB软件中的PDE工具求解,并与Walsh的等效水力开度公式进行对比;分析壁面局部接触裂隙水流-传热与填充裂隙水流-传热的相似性,提出了瞬时局部热平衡假设的适用条件,并在裂隙局部接触体传热满足Biot数条件的前提下,计算分析裂隙局部接触体与水流之间的局部热平衡时间及其影响因素;在裂隙局部接触体与水流之间满足瞬时热平衡假设的前提下,利用填充裂隙水流-传热的解析解,计算了壁面局部接触裂隙水及两侧岩石的温度分布,并分析了裂隙局部接触面积率、裂隙开度、裂隙水平均流速对岩石温度和裂隙水温度的影响特征,结果表明：（1）在设定条件下,由于裂隙局部接触体与裂隙水流之间的热交换,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随接触面积率的增大而减小,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随接触面积率的增大而增大;（2）裂隙开度和裂隙水流速对岩石温度和裂隙水温度的影响方式的影响是一致的,即由于裂隙水流量随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随裂隙开度和裂隙水流速的增大而减小。     

裂隙岩体不稳定温度场的复合单元算法研究

基于复合单元法,结合三维热传导-对流方程和“充填模型”,提出了裂隙岩体不稳定温度场的复合单元模型。该模型前处理简便快捷,计算网格生成时无需考虑裂隙的存在,网格剖分不受限制,随后利用复合单元前处理程序,依据裂隙的位置和方位将其自动离散在单元内。对常规热传导-对流方程进行自伴随性调整,应用变分原理,推导出裂隙岩体不稳定温度场的复合单元算法,该算法可分别计算出岩块子单元和裂隙的温度值,且可真实反映裂隙中水流与相邻岩块间的热能量交换规律。将复合单元数值模型计算的不稳定温度场结果与相应的实测数据进行对比分析可知,数值计算结果与实测数据基本一致,验证了裂隙岩体不稳定温度场复合单元算法的可靠性与有效性。算例分析表明,裂隙中水流与相邻岩块间有明显的热传导和热对流作用。     

Heat extraction from aquifer geothermal systems

This study aims to model temperature distributions in an aquifer thermal extraction (ATE) system that contains a single extraction well in a thin confined aquifer. The aquifer is bounded by hot dry rocks with different thermomechanical properties and thicknesses. Based on the heat convection–conduction equation, a mathematical model is developed to describe the spatial and temporal temperature distributions of the ATE systems. The mechanisms of heat transfer in the model involve horizontal convection and thermal conduction in the aquifer, and vertical thermal conduction in both rocks. A semi‐analytical solution in dimensionless form is developed using the Laplace transform technique and its corresponding time‐domain result is computed by the modified Crump method. In addition, the steady‐state solution is obtained by applying the final value theorem. The simulation results from the semi‐analytical solution indicate that the aquifer temperature distributions are affected by aquifer thickness, the thermomechanical properties of the aquifer and rocks, geothermal gradient, outer boundary temperatures of the rocks, extraction rate, and operating time. The present solution can be used as a preliminary tool for assessing heat extraction efficiency in ATE systems. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

地下含水层储能两阶段热量运移数值模型研究

为了简单而准确地预测地下含水层储能情况,考虑了地下含水层储能过程时间跨度大、储能保温分阶段的实际特点,分析了地下含水层流动和换热模型物理参数的对比特点,以热平衡和热扩散原理为基础,建立分成两个连续阶段的地下含水层储能数值计算模型.模型求解中,采用控制容积法,以全隐格式进行热扩散方程的离散化,然后应用Jacobi方法迭代求解,模拟结果和实际观测数据吻合很好.该模型还分析了含水层储能循环采灌过程中抽出储能水的温度变化的一般特点.