增强型地热系统和二氧化碳利用中的流动与换热问题研究

【摘要】：随着人类的能源需求不断增加以及全球气候变暖问题日益严重，可再生能源的开采和二氧化碳的规模利用受到了越来越广泛的关注，本文以增强型地热系统和二氧化碳利用为背景，通过实验研究、数值模拟研究和理论分析等方法，分别从通道尺寸和场地规模两个尺度对其中的流动与换热问题进行了研究。 从通道尺度出发，分别对超临界压力CO2在内径为0.953mm的细直管道和细蛇形管道的对流换热进行了实验研究和数值模拟研究，分析了强变物性、浮升力以及离心力等因素对超临界压力CO2在不同通道内的对流换热的影响。直管道研究结果表明：湍流工况，较低进口雷诺数下，热流密度较高时，向上流动壁面温度出现两个局部峰值，发生传热恶化，向下流动壁面温度出现局部谷值，发生传热强化。弯曲直径8.01mm的细蛇形管道研究结果表明：湍流工况下，蛇形管壁面温度沿程呈线性上升趋势，向上流动并未出现直管实验中的局部温度峰值区域，传热恶化现象得到好转，在流体温度处于准临界温度附近时，浮升力仍然会使局部换热强度有所降低，最低局部Nu数仍能达到20，远高于直管实验中层流化时的Nu值；向下流动时浮升力对离心力产生削弱作用，换热强度也会降低，且浮升力对离心力的削弱程度强于对湍动能的削弱程度，浮升力影响较大时，向下流动的对流换热强度低于同工况下的向上流动；层流工况下，当流体温度处于准临界温度附近且离心力充分发展时，对流换热强度最大；通过对数值模拟结果拟合，分别提出了定物性流体和超临界压力CO2在蛇形管内层流对流换热准则关联式。 从场地尺度出发，对真实地质岩层条件下的增强型地热系统和二氧化碳埋存驱天然气系统开展了大场数值模拟研究。分析了压裂区域的渗透率、工质种类、井筒在岩层内的射孔位置、井筒与周围岩层的换热、局部非热平衡效应等因素对增强型地热系统运行结果的影响：在井筒周围压裂得到大渗透率压裂区域能大大降低流体流经整个岩层的压降损失；岩层内裂隙分布较广时，局部热平衡模型可靠，岩层内裂隙分布有限时，需采用局部非热平衡模型计算。通过理论分析确定了岩层渗透率的非均匀性对二氧化碳埋存驱天然气系统运行结果的影响，岩层渗透率的非均质性使得CO2在岩层内运动加快，突破时间提前，CO2埋存量和CH4采收量均降低，并进一步研究了岩层水平渗透率与垂直渗透率比值变化时，井筒射孔位置优化方案的选择。 【关键词】：超临界二氧化碳 蛇形管 对流换热 增强型地热系统 二氧化碳埋存驱天然气
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK521
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 目录6-9
• 主要符号对照表9-11
• 第1章 前言11-32
• 1.1 课题背景11-15
• 1.1.1 增强型地热系统11-12
• 1.1.2 二氧化碳规模利用12-13
• 1.1.3 超临界压力流体管内对流换热的工业应用13-15
• 1.2 研究现状15-29
• 1.2.1 超临界压力流体在直管内的对流换热研究现状15-21
• 1.2.2 超临界压力流体在弯曲通道内的流动与换热研究现状21-24
• 1.2.3 增强型地热系统通道尺度研究现状24-25
• 1.2.4 增强型地热系统大场数值模拟研究现状25-28
• 1.2.5 二氧化碳地质埋存驱天然气的研究现状28-29
• 1.3 已有研究中的主要问题29-30
• 1.4 本文研究内容30-32
• 第2章 超临界压力二氧化碳在竖直细圆管内对流换热研究32-61
• 2.1 本章引论32
• 2.2 实验系统概述32-36
• 2.2.1 实验系统和实验段介绍32-34
• 2.2.2 实验参数测量和实验步骤34-36
• 2.3 实验数据处理和误差分析36-39
• 2.3.1 实验数据处理36-38
• 2.3.2 实验数据误差分析38-39
• 2.4 实验结果与讨论39-54
• 2.4.1 较高进口雷诺数下实验结果与分析40-43
• 2.4.2 较低进口雷诺数下实验结果与分析43-47
• 2.4.3 流体入口压力的影响47-49
• 2.4.4 实验结果与准则关联式的比较49-54
• 2.5 超临界压力二氧化碳在竖直细圆管内对流换热数值模拟研究54-60
• 2.5.1 数学物理模型54-55
• 2.5.2 网格划分、边界条件和数值计算方法55
• 2.5.3 数值模拟结果和实验结果的比较55-60
• 2.6 本章小结60-61
• 第3章 超临界压力二氧化碳在细蛇形管内对流换热实验研究61-91
• 3.1 本章引论61
• 3.2 实验系统概述61-70
• 3.2.1 实验系统和实验段介绍61-65
• 3.2.2 实验准备和实验步骤65-67
• 3.2.3 实验参数测量和数据处理67-70
• 3.3 实验数据误差分析70-71
• 3.4 实验结果与讨论71-90
• 3.4.1 湍流工况下的实验结果与分析71-81
• 3.4.2 层流工况下的实验结果与分析81-90
• 3.5 本章小结90-91
• 第4章 超临界压力二氧化碳在细蛇形管内层流对流换热数值模拟研究91-122
• 4.1 本章引论91
• 4.2 数值模拟方法介绍91-94
• 4.2.1 数学物理模型91-92
• 4.2.2 网格划分、边界条件和数值计算方法92-93
• 4.2.3 数值模型验证93-94
• 4.2.4 数据处理方法94
• 4.3 数值模拟结果与实验结果比较94-95
• 4.4 数值模拟的结果和讨论95-114
• 4.4.1 超临界压力 CO2在细蛇形管内与细直管内对流换热比较96-97
• 4.4.2 入口压力对 CO2在细蛇形管内对流换热的影响97-99
• 4.4.3 蛇形管几何参数对 CO2在细蛇形管内对流换热的影响99-100
• 4.4.4 超临界压力 CO2在竖直细蛇形管内向上流动层流对流换热机理分析100-108
• 4.4.5 超临界压力 CO2在水平细蛇形管内层流对流换热108-114
• 4.5 蛇形管内流体层流对流换热准则关联式114-121
• 4.5.1 常物性流体在蛇形管内层流对流换热准则关联式114-117
• 4.5.2 超临界压力流体在蛇形管内层流对流换热准则关联式117-121
• 4.6 本章小结121-122
• 第5章 增强型地热系统和二氧化碳埋存驱天然气的场地规模数值模拟研究122-175
• 5.1 本章引论122
• 5.2 增强型地热系统场地规模数值模拟研究122-158
• 5.2.1 数学物理模型122-125
• 5.2.2 网格划分与边界条件125-126
• 5.2.3 模型验证与初始条件确定126-127
• 5.2.4 数值模拟的结果与讨论127-151
• 5.2.5 局部非热平衡效应对 CO2-EGS 系统的运行结果的影响151-158
• 5.3 二氧化碳地质埋存驱天然气场地规模数值模拟研究158-173
• 5.3.1 数学物理模型介绍158-160
• 5.3.2 网格划分与边界条件160
• 5.3.3 数值模拟的结果和讨论160-173
• 5.4 本章小结173-175
• 第6章 总结与展望175-178
• 6.1 全文总结175-176
• 6.2 本文研究意义及创新性工作176-177
• 6.3 工作建议与展望177-178
• 参考文献178-188
• 致谢188-190
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果190-191

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