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含水平贯穿粗糙裂缝在地下水流条件下胶结回填换热器的传热特性研究
1. 主要摘要
本文研究了矿山深处胶结回填体中水平贯穿的粗糙裂缝对换热管传热效率的影响。通过建立三维渗流与热传导耦合模型，模拟了裂缝开口度、粗糙度以及地下水水力头对回填换热系统的热传导性能的影响。结果表明，当裂缝开口度小于0.3 mm时，热传导占主导；在0.3 mm至2 mm范围内，地下水流动显著增强传热效果，超过2 mm时传热性能趋于稳定。此外，在大开口度裂缝条件下，裂缝粗糙度显著提高了换热性能，而小开口度裂缝对传热无显著影响。本研究为深部矿山地热能的高效利用提供了理论支持。
2. 引言
随着浅层矿产资源逐渐枯竭，矿山开采逐步深入至高温深部环境，这给矿山作业带来了巨大的挑战。为应对高温，研究机构提出了矿产与地热资源共采的技术，其中在回填体中嵌入换热管是一项重要的策略。然而，回填体在深部高压下可能产生裂缝，特别是水平裂缝，并显著影响换热效率。本文利用计算流体动力学（CFD）结合蒙特卡洛方法生成粗糙裂缝表面，构建热-水耦合模型，以研究裂缝的开口度、粗糙度及水力头对热交换性能的影响。
3. 主要内容
构建的物理模型包括胶结回填体、围岩及埋管，裂缝为水平贯穿的粗糙表面。裂缝开口度范围在0至10 mm之间，换热管以单层螺旋形布置于回填体中，模拟出与矿井环境相似的地质应力条件。
采用蒙特卡洛方法和高斯线性滤波技术生成裂缝表面，模拟不同粗糙度裂缝的表面特征，以研究其对热传导的影响。
胶结回填体和围岩中的流体遵循Darcy定律，热量守恒方程考虑了多孔介质中的热传导和对流，确保了地下水渗流与热传导的耦合模拟。
裂缝中的渗流使用修正立方律描述。流体的动量和能量平衡方程结合了裂缝表面的粗糙特性，模拟裂缝内流体与回填体的热质交换。
埋管内的流体传热采用一维能量方程，通过管壁的热交换考虑地下水渗流对埋管的影响，模拟流体在管道中的传热情况。
通过对裂缝渗流模型的数值模拟验证模型的有效性，分析了裂缝与Darcy渗流的耦合作用，结果显示模拟值与解析解基本吻合。
通过实验对比验证了模型在无地下水渗流和含地下水渗流条件下的换热性能，结果表明模型能够准确反映换热管在复杂地质环境中的热传导特性。
裂缝开口度对回填体温度场有显著非线性影响。0.3 mm至2 mm开口度范围内，地下水流显著增强换热性能，而超过2 mm时传热效率趋于稳定。
裂缝表面粗糙度在小开口度（如0.2 mm）时对传热影响有限，但在大开口度（如4 mm）时显著提高了换热性能，粗糙度增强了对流传热效果。
地下水水力头增大时，裂缝中的水流速显著提升，传热效率随之提高，尤其在粗糙裂缝中表现明显。而对于无裂缝的回填体，传热效果变化较小。
裂缝靠近换热管时传热效率提升；当裂缝位于换热管同一水平面时，流速减小，传热效率降低。
1. 裂缝开口度对传热有显著影响
裂缝开口度在0.3 mm至2 mm范围内显著增强了地下水流动引发的对流传热；超过2 mm后，换热性能趋于稳定。
2. 粗糙度在大开口度裂缝中显著提升换热效果
小开口度裂缝可视为光滑面，而大开口度裂缝的粗糙表面增加了湍流效应，提高了对流传热系数。
3. 地下水水力头显著增强换热效果
地下水水力头越高，裂缝内的水流速越大，对流传热效果显著提升。
4. 裂缝位置对热回收性能影响显著
裂缝靠近埋管时增强了换热效果，但当裂缝与埋管处于同一水平面时，传热效率降低。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— VOF-DEM耦合探讨多孔介质的应变敏感特性
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM裂缝性地层颗粒-流体渗流模拟
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
