增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems,EGS)是地下干热岩开采中最为常见的关键技术,其高效开发依赖于对裂隙渗流传热机制的精准把控。本文围绕单裂隙的渗流传热问题展开研究,通过数值模拟这一研究手段,开展了基于三维粗糙单裂隙岩体的渗流传热研究、考虑裂隙面接触对渗流传热的影响研究以及考虑基质渗流作用的热-流-固三场耦合下三维粗糙裂隙渗流传热研究,同时对影响渗流传热的关键参数进行研究分析。主要工作和结论如下: (1)使用MATLAB软件基于WM函数编写代码,通过分形维数D控制表面粗糙度,构建出不同粗糙度的三维粗糙表面并生成点云数据。之后,将其导入进数值模拟软件COMSOL Multiphysics中进行拟合重构,生成所需要的三维粗糙裂隙面。在此基础上建立有限元数值模型,对粗糙裂隙岩体进行多物理场数值模拟研究。 (2)研究了裂隙粗糙表面等因素对渗流传热的影响。研究发现:裂隙面的粗糙起伏造成了裂隙内流速分布高度不均,随着粗糙度的增大这种现象更加明显。裂隙面的粗糙程度对温度场也有影响,其粗糙表面起伏造成了表面等温线呈曲线分布,形成了一定的温度梯度。同一条件下,流体流速与裂隙开度的增加增强了对流换热的效率,使得裂隙岩体出口处温度下降更快。此外,当基质初始温度从373.15 K升至463.15 K时,出口温度在50 min时刻提升约20 K(330 K→350 K),裂隙出口温度提升30%-40%。 (3)建立了裂隙面接触的三维粗糙裂隙岩体模型,并对其渗流传热规律进行了研究。研究表明:接触部分与孔径的不均匀分布导致了裂隙内流体压强产生变化梯度,接触面积越大此现象越明显。接触部分使得裂隙中流体流量分布高度不均,造成流体流动的路径更加复杂化,并且在流动时产生了显著的优势通道效应。在接触部分附近由于开度的减小,使得此处流体流速明显减小,优势通道内流体流速明显高于裂隙其他部位。接触部分对裂隙温度场也产生很大影响,在裂隙面内,流体主要沿着裂隙面内优势通道进行热量交换,并且在接触部分周围会环绕着一圈高温区域;裂隙接触部分造成了流体流动的不连续,导致接触部分岩体温度明显高于与该接触部分相邻的岩体部分的温度。 (4)考虑基质渗流的热-流-固三场耦合的裂隙渗流传热特性研究。结果发现:考虑基质渗流时,流体在基质和裂隙内同时存在流动,裂隙内流体流速远大于基质内流体流速;基质渗流作用加快了裂隙传热效率,当基质渗透率从10^-16 m²增至10^-14 m²时,出口温度降幅提升约18%。围压作用降低了裂隙内流体流速,围压越大,基质渗透率越小,裂隙内流体流速越慢;随着围压增大,裂隙出口处温度下降变缓慢,入口压力的增加使此现象更加明显;岩石法向刚度增大,增强了换热效率,使得裂隙出口处的温度下降更快。换热量随着围压的增大而减小,在围压一定时流体入口压力越高其换热量越大;对流换热系数随着围压的增大而减小,且随着流体入口压力的增大,对流换热系数也变大。