天然气水合物形成和分解过程的多相流数值模拟研究

Natural gas hydrates is a novel clean and subsequent energy, which plays an important role in easing the crisis of exhausted resources. Among the studies on the natural gas hydrates, the basis and core involve the forming mechanism, occurrence characteristic, decomposition mechanism and mining method of natural gas hydrates. On the basis of the physical simulation in Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment and considering the above mentioned topic, a numerical model to describe the formation and decomposition process of natural gas hydrates will be established by using TOUGH+HYDRATE software to solve the model. By comparing the physical simulation results in laboratory and numerical simulation results, the state equation for state description are modified, and the source code of TOUGH+HYDRATE are further improved. Then a numerical simulation system of multiphase flow on the formation and decomposition process of natural gas hydrates will be developed, which provides accurate and reliable feasibility analysis for the design of tentative mining scheme. The present study covers an urgently technological problem on the development of national economy and society, the research results will be of great benefit to the future energy development and application.

天然气水合物是一种新型清洁和后续能源，对缓解人类面临的能源枯竭危机具有举足轻重的作用。在有关天然气水合物的研究中，天然气水合物的形成机理、赋存特征、分解机制和开采方法是研究的基础和核心内容。因此，本项目针对天然气水合物研究的基础和核心内容，以吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室物理模拟为基础，研究建立描述天然气水合物形成、分解过程的数学模型，运用TOUGH+HYDRATE软件进行求解。通过实验室物理模拟结果与数值模拟结果对比，修改相态描述的状态方程(EOS)，完善TOUGH+HYDRATE源代码，构建一套完善的天然气水合物形成和分解过程多相流数值模拟系统，为设计试开采方案提供准确可靠的可行性分析。本项目的研究内容是我国国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题，具有很好的应用前景。

天然气水合物(Natural Gas Hydrates，简称Gas Hydrates)被认为是近几十年来所发现的最重要的一种新型清洁和后续能源。天然气水合物的形成机理、赋存特征、分解机制和开采方法是该领域研究的基础和核心内容。然而，天然气水合物的形成和分解是一个非常复杂的过程，涉及到多相流体流动、相变、物理化学过程等，数值模拟是研究天然气水合物的重要方法和手段之一。. 本项目通过历时三年的研究，检索和查阅了近十年来有关天然气水合物实验室物理模拟和数值模拟的文献和报告100多篇。总结出目前用于天然气水合物的数值模拟软件主要有：TOUGH+HYDRATE(美国)；MH-21 HYDRES(日本)；STOMP-HYD(美国)；CMG–STARS(美国)；Hydrsim(加拿大)。经过软件对比可知，TOUGH+HYDRATE程序更具天然气水合物多相流体数值模拟的科学性和可行性。然后，以实验室物理模拟为基础，考虑温度、压力、孔隙介质、盐度和天然气气体浓度五种因素的影响，建立了天然气水合物形成、分解过程的多相流数学模拟模型，运用TOUGH+HYDRATE程序求解，分别获得了低温传导、压力传导、不同盐分浓度、不同介质压力、不同气体供应速度条件下，温度、压力、水合物饱和度等主要要素随时间变化的规律以及不同时刻的空间分布特征。根据实验室模拟的物理和热动力学实验结果与数值模拟结果对比，修改了相态描述的状态方程(EOS)，即考虑了粒径对相态平衡的影响，构建出一套更完善的天然气水合物形成和分解过程多相流数值模拟系统。运用修改后的程序，进行了实际场地尺度的计算，即墨西哥湾天然气水合物试开采数值模拟计算，通过与已有文献计算结果进行对比，获得较好的拟合效果，验证了TOUGH+HYDRATE程序的实用性和可靠性。. 本项目的研究成果完善了天然气水合物形成和分解过程多相流数值模拟系统，丰富了我国天然气水合物基础研究与核心内容研究的理论和方法。. 在本项目的资助下，目前已发表学术论文2篇，其中EI收录期刊论文1篇，中文核心期刊论文1篇。另外还有5篇论文正在审稿之中，其中4篇为SCI收录期刊，1篇为EI收录期刊。尚有部分成果正在撰写总结之中。. 共培养研究生4人，包括2名博士生，2名硕士生。. 本项目按计划圆满完成了项目申请书和计划书中的研究任务。.