增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)和二氧化碳利用中的流動與換熱問題研究

【摘要】：隨著人類的能源需求不斷增加以及全球氣候變暖問題日益嚴(yán)重，可再生能源的開采和二氧化碳的規(guī)模利用受到了越來越廣泛的關(guān)注，本文以增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)和二氧化碳利用為背景，通過實驗研究、數(shù)值模擬研究和理論分析等方法，分別從通道尺寸和場地規(guī)模兩個尺度對其中的流動與換熱問題進(jìn)行了研究。 從通道尺度出發(fā)，分別對超臨界壓力CO2在內(nèi)徑為0.953mm的細(xì)直管道和細(xì)蛇形管道的對流換熱進(jìn)行了實驗研究和數(shù)值模擬研究，分析了強(qiáng)變物性、浮升力以及離心力等因素對超臨界壓力CO2在不同通道內(nèi)的對流換熱的影響。直管道研究結(jié)果表明：湍流工況，較低進(jìn)口雷諾數(shù)下，熱流密度較高時，向上流動壁面溫度出現(xiàn)兩個局部峰值，發(fā)生傳熱惡化，向下流動壁面溫度出現(xiàn)局部谷值，發(fā)生傳熱強(qiáng)化。彎曲直徑8.01mm的細(xì)蛇形管道研究結(jié)果表明：湍流工況下，蛇形管壁面溫度沿程呈線性上升趨勢，向上流動并未出現(xiàn)直管實驗中的局部溫度峰值區(qū)域，傳熱惡化現(xiàn)象得到好轉(zhuǎn)，在流體溫度處于準(zhǔn)臨界溫度附近時，浮升力仍然會使局部換熱強(qiáng)度有所降低，最低局部Nu數(shù)仍能達(dá)到20，遠(yuǎn)高于直管實驗中層流化時的Nu值；向下流動時浮升力對離心力產(chǎn)生削弱作用，換熱強(qiáng)度也會降低，且浮升力對離心力的削弱程度強(qiáng)于對湍動能的削弱程度，浮升力影響較大時，向下流動的對流換熱強(qiáng)度低于同工況下的向上流動；層流工況下，當(dāng)流體溫度處于準(zhǔn)臨界溫度附近且離心力充分發(fā)展時，對流換熱強(qiáng)度最大；通過對數(shù)值模擬結(jié)果擬合，分別提出了定物性流體和超臨界壓力CO2在蛇形管內(nèi)層流對流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。 從場地尺度出發(fā)，對真實地質(zhì)巖層條件下的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)和二氧化碳埋存驅(qū)天然氣系統(tǒng)開展了大場數(shù)值模擬研究。分析了壓裂區(qū)域的滲透率、工質(zhì)種類、井筒在巖層內(nèi)的射孔位置、井筒與周圍巖層的換熱、局部非熱平衡效應(yīng)等因素對增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)運行結(jié)果的影響：在井筒周圍壓裂得到大滲透率壓裂區(qū)域能大大降低流體流經(jīng)整個巖層的壓降損失；巖層內(nèi)裂隙分布較廣時，局部熱平衡模型可靠，巖層內(nèi)裂隙分布有限時，需采用局部非熱平衡模型計算。通過理論分析確定了巖層滲透率的非均勻性對二氧化碳埋存驅(qū)天然氣系統(tǒng)運行結(jié)果的影響，巖層滲透率的非均質(zhì)性使得CO2在巖層內(nèi)運動加快，突破時間提前，CO2埋存量和CH4采收量均降低，并進(jìn)一步研究了巖層水平滲透率與垂直滲透率比值變化時，井筒射孔位置優(yōu)化方案的選擇。 【關(guān)鍵詞】：超臨界二氧化碳 蛇形管 對流換熱 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng) 二氧化碳埋存驅(qū)天然氣
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TK521
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 目錄6-9
• 主要符號對照表9-11
• 第1章 前言11-32
• 1.1 課題背景11-15
• 1.1.1 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)11-12
• 1.1.2 二氧化碳規(guī)模利用12-13
• 1.1.3 超臨界壓力流體管內(nèi)對流換熱的工業(yè)應(yīng)用13-15
• 1.2 研究現(xiàn)狀15-29
• 1.2.1 超臨界壓力流體在直管內(nèi)的對流換熱研究現(xiàn)狀15-21
• 1.2.2 超臨界壓力流體在彎曲通道內(nèi)的流動與換熱研究現(xiàn)狀21-24
• 1.2.3 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)通道尺度研究現(xiàn)狀24-25
• 1.2.4 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)大場數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀25-28
• 1.2.5 二氧化碳地質(zhì)埋存驅(qū)天然氣的研究現(xiàn)狀28-29
• 1.3 已有研究中的主要問題29-30
• 1.4 本文研究內(nèi)容30-32
• 第2章 超臨界壓力二氧化碳在豎直細(xì)圓管內(nèi)對流換熱研究32-61
• 2.1 本章引論32
• 2.2 實驗系統(tǒng)概述32-36
• 2.2.1 實驗系統(tǒng)和實驗段介紹32-34
• 2.2.2 實驗參數(shù)測量和實驗步驟34-36
• 2.3 實驗數(shù)據(jù)處理和誤差分析36-39
• 2.3.1 實驗數(shù)據(jù)處理36-38
• 2.3.2 實驗數(shù)據(jù)誤差分析38-39
• 2.4 實驗結(jié)果與討論39-54
• 2.4.1 較高進(jìn)口雷諾數(shù)下實驗結(jié)果與分析40-43
• 2.4.2 較低進(jìn)口雷諾數(shù)下實驗結(jié)果與分析43-47
• 2.4.3 流體入口壓力的影響47-49
• 2.4.4 實驗結(jié)果與準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的比較49-54
• 2.5 超臨界壓力二氧化碳在豎直細(xì)圓管內(nèi)對流換熱數(shù)值模擬研究54-60
• 2.5.1 數(shù)學(xué)物理模型54-55
• 2.5.2 網(wǎng)格劃分、邊界條件和數(shù)值計算方法55
• 2.5.3 數(shù)值模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的比較55-60
• 2.6 本章小結(jié)60-61
• 第3章 超臨界壓力二氧化碳在細(xì)蛇形管內(nèi)對流換熱實驗研究61-91
• 3.1 本章引論61
• 3.2 實驗系統(tǒng)概述61-70
• 3.2.1 實驗系統(tǒng)和實驗段介紹61-65
• 3.2.2 實驗準(zhǔn)備和實驗步驟65-67
• 3.2.3 實驗參數(shù)測量和數(shù)據(jù)處理67-70
• 3.3 實驗數(shù)據(jù)誤差分析70-71
• 3.4 實驗結(jié)果與討論71-90
• 3.4.1 湍流工況下的實驗結(jié)果與分析71-81
• 3.4.2 層流工況下的實驗結(jié)果與分析81-90
• 3.5 本章小結(jié)90-91
• 第4章 超臨界壓力二氧化碳在細(xì)蛇形管內(nèi)層流對流換熱數(shù)值模擬研究91-122
• 4.1 本章引論91
• 4.2 數(shù)值模擬方法介紹91-94
• 4.2.1 數(shù)學(xué)物理模型91-92
• 4.2.2 網(wǎng)格劃分、邊界條件和數(shù)值計算方法92-93
• 4.2.3 數(shù)值模型驗證93-94
• 4.2.4 數(shù)據(jù)處理方法94
• 4.3 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果比較94-95
• 4.4 數(shù)值模擬的結(jié)果和討論95-114
• 4.4.1 超臨界壓力 CO2在細(xì)蛇形管內(nèi)與細(xì)直管內(nèi)對流換熱比較96-97
• 4.4.2 入口壓力對 CO2在細(xì)蛇形管內(nèi)對流換熱的影響97-99
• 4.4.3 蛇形管幾何參數(shù)對 CO2在細(xì)蛇形管內(nèi)對流換熱的影響99-100
• 4.4.4 超臨界壓力 CO2在豎直細(xì)蛇形管內(nèi)向上流動層流對流換熱機(jī)理分析100-108
• 4.4.5 超臨界壓力 CO2在水平細(xì)蛇形管內(nèi)層流對流換熱108-114
• 4.5 蛇形管內(nèi)流體層流對流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式114-121
• 4.5.1 常物性流體在蛇形管內(nèi)層流對流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式114-117
• 4.5.2 超臨界壓力流體在蛇形管內(nèi)層流對流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式117-121
• 4.6 本章小結(jié)121-122
• 第5章 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)和二氧化碳埋存驅(qū)天然氣的場地規(guī)模數(shù)值模擬研究122-175
• 5.1 本章引論122
• 5.2 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)場地規(guī)模數(shù)值模擬研究122-158
• 5.2.1 數(shù)學(xué)物理模型122-125
• 5.2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件125-126
• 5.2.3 模型驗證與初始條件確定126-127
• 5.2.4 數(shù)值模擬的結(jié)果與討論127-151
• 5.2.5 局部非熱平衡效應(yīng)對 CO2-EGS 系統(tǒng)的運行結(jié)果的影響151-158
• 5.3 二氧化碳地質(zhì)埋存驅(qū)天然氣場地規(guī)模數(shù)值模擬研究158-173
• 5.3.1 數(shù)學(xué)物理模型介紹158-160
• 5.3.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件160
• 5.3.3 數(shù)值模擬的結(jié)果和討論160-173
• 5.4 本章小結(jié)173-175
• 第6章 總結(jié)與展望175-178
• 6.1 全文總結(jié)175-176
• 6.2 本文研究意義及創(chuàng)新性工作176-177
• 6.3 工作建議與展望177-178
• 參考文獻(xiàn)178-188
• 致謝188-190
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果190-191

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