壁面局部接触裂隙岩体水流-传热的一种理论模型及计算分析

发布时间：2019-08-09 20:42

【摘要】：核废物地质处置、地热开发、石油开采等工程领域都可能涉及稀疏裂隙岩体中的水流-传热过程。现有的裂隙岩体水流-传热理论模型和计算方法基本上都是以平行光滑壁面裂隙模型为基础的,没有考虑裂隙的壁面局部接触对水流、水-岩热交换以及岩体传热的影响。针对粗糙壁面裂隙水流过程,阐述了基于Stokes方程的Reynolds润滑方程及Hele-Shaw裂隙模型,采用MATLAB软件中的PDE工具求解,并与Walsh的等效水力开度公式进行对比;分析壁面局部接触裂隙水流-传热与填充裂隙水流-传热的相似性,提出了瞬时局部热平衡假设的适用条件,并在裂隙局部接触体传热满足Biot数条件的前提下,计算分析裂隙局部接触体与水流之间的局部热平衡时间及其影响因素;在裂隙局部接触体与水流之间满足瞬时热平衡假设的前提下,利用填充裂隙水流-传热的解析解,计算了壁面局部接触裂隙水及两侧岩石的温度分布,并分析了裂隙局部接触面积率、裂隙开度、裂隙水平均流速对岩石温度和裂隙水温度的影响特征,结果表明:(1)在设定条件下,由于裂隙局部接触体与裂隙水流之间的热交换,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随接触面积率的增大而减小,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随接触面积率的增大而增大;(2)裂隙开度和裂隙水流速对岩石温度和裂隙水温度的影响方式的影响是一致的,即由于裂隙水流量随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随裂隙开度和裂隙水流速的增大而减小。
[Abstract]:Geological disposal of nuclear waste, geothermal development, oil exploitation and other engineering fields may involve the flow-heat transfer process in sparse cracked rock mass. The existing theoretical models and calculation methods of flow-heat transfer in cracked rock mass are basically based on the parallel smooth wall crack model, without considering the influence of local contact of crack wall on water flow, water-rock heat exchange and heat transfer of rock mass. Aiming at the flow process of cracks on rough wall, the Reynolds lubrication equation and Hele-Shaw fracture model based on Stokes equation are described, which are solved by PDE tool in MATLAB software and compared with the equivalent hydraulic opening formula of Walsh. This paper analyzes the similarity between the flow-heat transfer of the local contact crack on the wall and the flow-heat transfer of the filling crack, and puts forward the applicable conditions of the instantaneous local heat balance hypothesis. On the premise that the heat transfer of the local contact body satisfies the Biot number condition, the local heat balance time between the local contact body and the water flow and its influencing factors are calculated and analyzed. On the premise that the instantaneous heat balance between the local contact body and the water flow is satisfied, the temperature distribution of the local contact crack water on the wall and the rocks on both sides is calculated by using the analytical solution of filling the crack flow and heat transfer, and the influence characteristics of the local contact area ratio, the crack opening and the average velocity of the crack water on the rock temperature and the crack water temperature are analyzed. The results show that: (1) under the set conditions, Due to the heat exchange between the local contact body and the fracture flow, the influence range of the crack flow on the rock temperature on both sides of the crack decreases with the increase of the contact area accumulation rate, and the influence degree of the rock on the crack flow temperature increases with the increase of the contact area accumulation rate. (2) the influence of fracture opening and fracture water velocity on rock temperature and fracture water temperature is consistent, that is to say, the influence range of fracture water flow on rock temperature on both sides increases with the increase of fracture opening and fracture water velocity, that is, the influence range of fracture water flow on rock temperature increases with the increase of fracture opening and fracture water velocity. The influence of rock on fracture flow temperature on both sides of fracture decreases with the increase of fracture opening and fracture water velocity.
【作者单位】： 北京交通大学土木工程学院
【基金】：高等学校博士学科点专项科研基金(No.20120009110022) 国家自然科学基金(No.50778014,No.51378055)
【分类号】：TU452

【参考文献】

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【共引文献】

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本文编号：2524990