GWHP系统热弥散尺度效应的水热强耦合模拟研究

Abstract:In view of the uncertainty hydrogeological parameters and thermal physical properties parameters of the shallow geothermal energy in saturated pore aquifer, which from consider the thermal dispersion scale effect and permeability coefficient attenuation conditions to establishment the hydrothermal strong coupling mathematical model, on the basis of GWHP operation hydrodynamic conditions, design to develop targeted physical model experiment system, in the end to explore the quantitative relationship between thermal mechanical dispersion coefficient and scale. Based on the model of permeability coefficient attenuation during recharge and then utilizes these analytical expressions for analytical expressions of aquifer pressure during recharge and pump lifting under permeability coefficient attenuation and permanent plugging. Through the research of the above problems, To reveal the scale effect of thermal dispersion and how to alleviate the difficulties recharge has important guiding significance, Finally, according to the medium structure and periodic variation of heat load to establish temperature field simulation model in the downhole, which predict the temperature variation of the actual field operating conditions, the while achieving environmental control of underground cold heat island.

摘要：从考虑热弥散尺度效应与渗透系数衰减条件下的水热强耦合数学模型的建立出发，针对浅层地温能利用中水文地质参数和热物性参数的不确定性，依据GWHP运行水动力条件，设计研制出有针对性的物理模型实验系统，探寻热机械弥散系数与尺度的量化关系；以回灌过程中渗透系数衰减模型为基础，获得渗透系数衰减条件下，考虑永久性堵塞回灌与回扬物理过程中含水层压强变化机制。通过上述问题的研究，对揭示热弥散尺度效应以及如何缓解回灌困难问题有着重要的指导意义，最后根据介质结构与热泵周期性负荷变化特征，建立井下温度场的仿真模型，预测实际运行工况下的温度场变化规律，同时实现地下冷热岛效应的环境控制。

本项目以饱和多孔介质传热理论、地下水动力学原理、水-热多物理场耦合机制为理论依据，基于经典的Dracy定律、Fourier定律，将质量守恒、能量守恒应用于饱和孔隙介质流体和骨架的连续性方程以及非稳态传热过程，获得了不可压缩、考虑质量源的地下水欧拉形式连续性方程的渗流场控制方程、孔隙介质骨架与地下水局部热平衡状态的温度场控制方程以及多物理场耦合的控制方程。针对热量运移的研究过程中热弥散系数的计算至今还没有统一的计算式，热弥散尺度效应不明确，计算中都存在可调的经验常数，其物理意义也不明朗，经验常数往往因人而异，不同情景数值模拟结果相去甚远，导致地温场预测难以达到工程应用的要求，随之带来热贯通、热泵运行效率降低甚至工程失效问题；另外，围绕地下水源热泵（GWHPs）运行中的地下水回灌的水力特征系统研究，从理论上指导回灌问题，通过物理模拟、数值模拟、解析推导等技术方法开展相关物理机制研究。.（1）针对热弥散尺度效应问题，构建了多尺度对流弥散同步监测物理模拟试验系统，开展了时空尺度、粒径尺度下的一维热传导和对流弥散试验研究，从介质颗粒的堆积、导热系数模拟、传热参数敏感性以及水化膜对渗透性影响等方面综合分析了饱和多孔介质含水层特征参数对热量运移的影响，揭示了水化膜影响的热弥散尺度效应规律。.（2）针对回灌过程堵塞机制，特别是GWHPs 运行过程单井回灌水力学特征及其规律，开展了回灌力学特性模拟、灌压渗透系数响应、回灌灌压解析推导、灌压变化规律等综合研究，揭示了回灌与回扬物理过程中堵塞与恢复的物理机制，掌握了不同物理过程的灌压变化规律，并将物理机制的研究成果应用于传统的水热耦合控制方程，通过模型的改造，构建了基于热弥散尺度效应的GWHPs 运行水-热强耦合模型。.（3）根据地下水源热泵工程特点，利用COMSOL多物理场耦合软件，通过修改模拟模块相应的控制方程和边值条件，建立了井下温度场的数值仿真模型，实现了非均质各向异性饱和孔隙含水层条件下，考虑热弥散尺度效应与回灌堵塞机制的地下水源热泵周期性运行渗流场、温度场的三维仿真模拟，并揭示了热弥散尺度效应对GWHPs 运行地温场响应的变化规律。