多功能原位热物性测试方法及模型研究

发布时间：2020-11-14 04:45

　　 地热探测技术是地热开发中的重要研究内容。浅层测温法是一种简单高效的地球物理方法,在国外被广泛应用于地热探测初期。然而该方法在我国的应用较少,究其原因,主要是国内浅层测温法探测设备和数据处理方法的缺少。为解决此问题,本文开展了热物性测试方法、浅层测温法设备研发以及基于浅层测温法的地温预测模型研究。提出多功能原位热物性测试方法并研发多功能原位热物性测试仪。测试仪主要包括装配系统、加热系统和数据采集系统,可以同时测量导热系数、体积比热容和热扩散系数,适用于野外浅层测温实验和原位热物性测量。在测试仪的研发中,重新设计了热探针的长径比及装配方案,确定PT1000铂电阻作为温度传感器,使用C#语言在windows平台下开发了原位热物性数据采集处理软件,结合最小二乘法拟合直线算法,实现热物性的测量。设计热物性测试仪标定及对比实验,目的是标定多功能原位热物性测试仪并验证测试仪测量热物性的稳定性和准确性。标定实验采用空气作为测量介质,确定了最佳的测量电压、测试时间和PT1000温度传感器到加热丝的实际距离。对比实验选用细砂和粘土作为测量介质,对不同含水量样品的热物性进行了测试,分析导热系数、体积比热容和热扩散系数随含水率变化关系,确定测试仪的稳定性和准确性符合要求。提出基于浅层测温法的地温预测模型,详细分析各因素对模型的影响程度并提出校正方法。使用Tough2数值模拟程序模拟地下水渗流因素对模型预测精度的影响,结果表明流速、温差和透水层厚度与地温预测误差呈明显相关关系,使用SPSS拟合预测误差与三种因素的经验公式。提出透水层等效导热系数的概念和计算方法,应用等效导热系数后,各种工况的最大误差减小到5.1%。使用地温预测模型预测厦门东山热泉地区恒温层地温,对比预测结果与恒温层实测地温数据,验证了地温预测模型的可靠性和准确性。在以上工作的基础上,根据厦门后浦地区的浅层测温结果绘制了研究区2m深度温度等值线图、浅层热流密度云图。使用基于浅层测温法的地温预测模型进行研究区恒温层的地温预测,模型考虑地下水渗流、地层分布等因素的影响。结合图件描述了研究区地温特征并分析地温分布成因。研究区地热异常区整体呈现长轴近似南北方向的椭圆状温度异常晕,高温中心出现在hp6、hp16孔位附近,F1和F3两条断裂控制了研究区地热异常区的温度分布。通过理论与实验相结合方法,本文提出并研发的多功能原位热物性测试方法和多功能原位热物性测试仪具有功能齐全、测量准确、经济可靠的特点,可以很好地服务于浅层测温法的野外实验。本文提出的基于浅层测温法的地温预测模型对恒温层的地温预测准确。最终形成一整套从设备研发到实际应用再到数据处理方法的浅层测温法技术体系,为浅层测温法在我国的推广和应用提供理论基础,对于促进国内浅层地热能开发利用具有积极意义。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P314
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 浅层测温法研究现状
        1.2.2 原位热物性测量研究现状
        1.2.3 地温预测方法研究现状
    1.3 本文主要研究内容及技术路线
        1.3.1 研究内容与方法
        1.3.2 技术路线
第2章 多功能原位热物性测试仪的研制
    2.1 热探针法原理
        2.1.1 热探针法概述
        2.1.2 热探针法经典数学模型
        2.1.3 热物性参数推导
    2.2 装配系统设计
    2.3 加热系统设计
    2.4 数据采集系统设计
        2.4.1 温度传感器的选择
        2.4.2 数据采集电路设计
        2.4.3 原位热物性数据采集处理软件开发
    2.5 本章小结
第3章 热物性测试仪标定及对比实验
    3.1 实验内容与方法
    3.2 热物性测试仪标定实验
        3.2.1 加热电压选择
        3.2.2 热物性计算时间段选择
        3.2.3 测试仪标定结果
    3.3 热物性测试仪对比实验
    3.4 本章小结
第4章 基于浅层测温法的地温预测模型研究
    4.1 地温预测模型原理
    4.2 地层分布、环境影响及修正
        4.2.1 地层分布影响及修正
        4.2.2 地表环境影响及修正
    4.3 地下水渗流影响及修正
        4.3.1 程序介绍
        4.3.2 渗流-传热耦合控制方程及求解过程
        4.3.3 水热耦合模型建立
        4.3.4 模拟结果分析
    4.4 地温预测模型场地验证
        4.4.1 厦门东山热泉地区场地概况
        4.4.2 地温预测模型参数取值
        4.4.3 预测结果分析
    4.5 本章小结
第5章 厦门后埔地区地温预测模型应用及地温特征研究
    5.1 研究区自然地理概况
    5.2 研究区地热地质概况
        5.2.1 地层
        5.2.2 侵入岩
        5.2.3 构造
        5.2.4 水文地质条件
    5.3 研究区 2m深度地温特征
    5.4 研究区恒温层地温预测及特征
        5.4.1 地温预测模型参数取值
        5.4.2 预测结果分析
    5.5 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王德明,余其铮,刘伟霞;复合材料热物性参数的数值求解[J];哈尔滨建筑工程学院学报;1989年01期

2 陈超敏,何杰;在体生物组织热物性测试[J];生物医学工程学杂志;1997年02期

3 周孑民,邓胜祥,王耀文;金属熔点热物性测试及计算机在线检测[J];中南工业大学学报;1998年06期

4 高平;张延军;方静涛;张庆;李宏伟;;浅层岩土室内、外热物性测试的相关性[J];吉林大学学报(地球科学版);2014年01期

5 张长兴;胡松涛;刘玉峰;丛晓春;;基于系统优化的岩土热物性确定方法[J];浙江大学学报(工学版);2012年12期

6 程曙霞;;第二届亚洲热物性学术会议[J];中国科学基金;1990年02期

7 赵秀峰;曹景洋;罗惠芬;;采用Hot Disk测量岩土热物性的实验研究[J];中国测试;2012年04期

8 崔俊奎;王震;任常在;;不同岩土热物性参数测试方法的比对试验研究[J];工程勘察;2013年11期

9 李强;;浅层岩土热物性参数测试与分析[J];低温建筑技术;2010年07期

10 朱明善,韩礼钟,史琳;HFC-134a的热物性研究[J];中国科学基金;1996年03期

相关博士学位论文 前4条

1 张林锋;地源热泵地埋管换热机理及其热物性参数估算方法研究[D];湖南大学;2016年

2 辛春锁;基于稳态法的高温材料热物性测量技术研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

3 王强;基于保护平面热源法的隔热材料热物性测量技术研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

4 王自栋;湿空气透平（HAT）循环中的工质热物性计算模型和应用研究[D];上海交通大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 潘威振;材料变热物性参数辨识算法与验证[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 史旭东;地源热泵岩土热物性测试试验与影响因素分析研究[D];河北工程大学;2016年

3 马小威;地源热泵系统岩土及填料热物性参数辨识研究[D];湖南大学;2016年

4 张通;多功能原位热物性测试方法及模型研究[D];吉林大学;2017年

5 范民;考虑氧气离解的空气热物性参数计算[D];天津大学;2012年

6 于新;土壤热物性测试仪的研发与应用[D];上海交通大学;2010年

7 钟志友;果蔬热物性参数与其生理生化指标的内在关系及神经网络预测模型研究[D];上海海洋大学;2010年

8 王玉芝;木材热物性测试的理论与试验研究[D];浙江大学;2004年

9 宋欣阳;用于地源热泵系统现场热响应测试的土壤热物性实验研究[D];天津大学;2009年

10 孟庆丰;地源热泵系统岩土热物性测试不确定性研究[D];华中科技大学;2011年

本文编号：2883094