地下水源热泵系统多物理场耦合机理及其演化规律研究

Lack of the actual change process of physical field in the groundwater source heat pump system ,this project use field monitoring ,laboratory experiments, theoretical analysis, physical exploration and numerical simulation and other methods to study the basic law of the cycle of groundwater recharge, migration and excretion .It use the comprehensive analysis and numerical simulation study of the comprehensive analysis and numerical simulation study the coupling effect of seepage field, temperature field, stress field and chemical field in the groundwater source heat pump system..It explore mechanism of interaction and dynamic coupling process in source heat pump operating conditions of the seepage field, temperature field, chemical field of groundwater source heat pump operating condition .It clarify the physical field coupling effect of the groundwater source heat pump system which changes characteristics and evolution of the groundwater environment in order to solve the hydrogeological problems which appear in the groundwater source heat pump applications, recharge problems and low operational efficiency to lay a scientific theory. It can provide scientific theory and technical support for better development and utilization of groundwater source heat pump.

本项目从地下水补给、运移和排泄的循环过程的基本规律出发，针对目前地下水源热泵系统中各物理场实际变化过程的研究不足，采用现场监测、室内实验、理论分析、物理探测和数值模拟等方法，开展对地下水源热泵系统的渗流场、温度场、应力场及化学场等耦合作用的综合分析和数值模拟研究，探索地下水源热泵运行条件下的渗流场、温度场、化学场和应力场的相互作用机理和动力耦合过程，揭示地下水源热泵系统多场耦合作用下各物理场的变化特征和地下水环境的演化规律，为解决地下水源热泵应用过程中出现的水文地质问题、回灌问题及运行效率低等问题奠定科学的理论基础，从而为更好地开发利用地下水源热泵提供科学的理论依据和技术支持。

本项目是在探究了地下水源热泵推广应用中发现的地质问题和水质问题基础上，针对地下水源热泵含水层系统各物理场耦合变化的研究不足，而开展对地下水源热泵系统渗流场-温度场-应力场-化学场等耦合作用进行综合分析和数值模拟的研究。主要采用现场监测、室内实验、理论分析、数值模拟等方法，对地下水源热泵系统含水层的渗流场、温度场、应力场及化学场的耦合关系和机理进行分析，建立了THMC四场耦合模型。在数值模拟的基础上，分析了THMC四场耦合的作用和演化规律。.在分析示范区工程地质条件和水文地质条件的基础上，通过分析试验、测试手段获得各物理场的相应参数和监测数据，初步获得了THMC多场耦合关系和机理：在地下水源热泵运行中，抽灌地下水使得含水层内热效应、流体压力与固体变形导致化学反应变化，热效应、固体变形与化学反应导致流体流动性改变，热效应、流体压力与化学反应导致固体变形，流体压力、固体变形与化学反应导致温度场发生变化。根据THMC四场耦合机理，建立了THMC多场耦合的物理模型和数学模型。利用数值模拟的方法获得了THMC四场耦合状态下，渗流条件的改变对温度场、化学场、应力场的影响及其演化规律。渗流速度不变的条件下，运行时间越长，对地下水温度场影响范围就越广，而应力场和化学场在短时间内受影响很小。利用数值模拟的方法获得了回灌井水温度改变对渗流场、化学场、应力场的影响及其演化规律：通过一个月和四个月对比监测发现，地下水源热泵运行周期的长短与地下含水层的渗流场分布基本没有关系。改变地下水源热泵回灌井水的温度短时间内也很难影响到抽灌水井周围的应力场和化学场分布。.通过多物理场耦合模拟分析，获得了一抽一灌、两灌、两抽等不同布井模式下地下水源热泵系统各物理场的演化规律。结合实际工程，获得了一定地质条件下抽灌水井的最佳间距70～80m。.本项目的研究为解决地下水源热泵应用过程中出现的水文地质问题、回灌问题及运行效率低等问题奠定了科学的理论基础，从而为更好地推广应用地下水源热泵提供了科学的理论依据和技术支持。