干熱巖地?zé)豳Y源潛力巨大、綠色可再生，是一項(xiàng)戰(zhàn)略能源，日益受到世界主要國(guó)家的高度重視。深部干熱巖地?zé)衢_發(fā)通常是將流體工質(zhì)(如水、二氧化碳)注入地下裂隙通道中換出熱能并循環(huán)至地面系統(tǒng)。熱工質(zhì)在裂隙中的流動(dòng)換熱規(guī)律及其表征是其中重要科學(xué)問(wèn)題之一，也是開采方案優(yōu)化設(shè)計(jì)以及高效采熱技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)。針對(duì)該問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所副研究員白冰及研究員李小春等在前人工作基礎(chǔ)上取得系列新進(jìn)展。

研究團(tuán)隊(duì)自行研制了新型高溫裂隙巖體流動(dòng)換熱力學(xué)耦合測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)花崗巖單裂隙中水在不同圍壓、不同圍溫以及不同流量條件下的流動(dòng)換熱進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究;利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有裂隙總體換熱系數(shù)公式進(jìn)行了驗(yàn)證篩選，發(fā)現(xiàn)某些常用公式在流量較高條件下出現(xiàn)數(shù)值振蕩甚至負(fù)值等不合理情況，提出了總體換熱系數(shù)(OHTC)的一個(gè)簡(jiǎn)化公式有效解決了這一問(wèn)題。此外，有些換熱系數(shù)公式在推導(dǎo)中為了容易解析而假設(shè)內(nèi)壁面溫度沿徑向是常量也是不合理的，這將導(dǎo)致現(xiàn)在(±R，0)處存在溫度不連續(xù)的問(wèn)題。研究人員基于格林函數(shù)法提出了一套新的關(guān)于總體換熱系數(shù)的解析方法，可有效避免這些問(wèn)題，給出了徑向溫度是0-3次多項(xiàng)式函數(shù)分布時(shí)具體解析解。開發(fā)了裂隙流動(dòng)換熱數(shù)值分析模型，成功實(shí)現(xiàn)了裂隙與巖石相差2個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)的數(shù)值建模問(wèn)題，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。提出用局部換熱系數(shù)(LHTC)表征干熱巖裂隙的局部換熱特征，發(fā)現(xiàn)裂隙張開度較小時(shí)通常局部換熱系數(shù)較大，裂隙的局部起伏度(代表粗糙性)與局部換熱系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即LHTC在裂隙凹進(jìn)處較大，而在凸起處較小。裂隙光滑處LHTC較小，而粗糙處則較大，給出了LHTC與起伏度的擬合關(guān)系。基于該模型對(duì)水和二氧化碳的流動(dòng)換熱規(guī)律進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)其他條件相同條件下，氣態(tài)二氧化碳和氣態(tài)水的總體換熱系數(shù)和局部換熱系數(shù)都隨著流量的增加而增加，氣態(tài)二氧化碳的OHTC及LHTC總是比氣態(tài)水的小，超臨界水換熱系數(shù)優(yōu)于超臨界二氧化碳。就二氧化碳而言，緊相比松相的換熱能力更優(yōu)。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(Grant 41672252, 41272263)的資助。研究成果發(fā)表在Applied Thermal Engineering, Rock Mechanics and Rock Engineering, Computers and Geotechnics,Environmental Earth Sciences 以及Geothermics 等期刊上。

裂隙流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)原理

花崗巖巖塊與裂隙中的溫度分布(左側(cè)注入流量30mL/min,裂隙開度125.5微米，時(shí)間900s)

不同狀態(tài)下二氧化碳的局部換熱系數(shù)比較