干熱巖地熱資源潛力巨大、綠色可再生，是一項戰(zhàn)略能源，日益受到世界主要國家的高度重視。深部干熱巖地熱開發(fā)通常是將流體工質(如水、二氧化碳)注入地下裂隙通道中換出熱能并循環(huán)至地面系統(tǒng)。熱工質在裂隙中的流動換熱規(guī)律及其表征是其中重要科學問題之一，也是開采方案優(yōu)化設計以及高效采熱技術開發(fā)的基礎。針對該問題，中國科學院武漢巖土力學研究所副研究員白冰及研究員李小春等在前人工作基礎上取得系列新進展。

研究團隊自行研制了新型高溫裂隙巖體流動換熱力學耦合測試系統(tǒng)，對花崗巖單裂隙中水在不同圍壓、不同圍溫以及不同流量條件下的流動換熱進行了系統(tǒng)的實驗研究;利用實驗數(shù)據(jù)對現(xiàn)有裂隙總體換熱系數(shù)公式進行了驗證篩選，發(fā)現(xiàn)某些常用公式在流量較高條件下出現(xiàn)數(shù)值振蕩甚至負值等不合理情況，提出了總體換熱系數(shù)(OHTC)的一個簡化公式有效解決了這一問題。此外，有些換熱系數(shù)公式在推導中為了容易解析而假設內壁面溫度沿徑向是常量也是不合理的，這將導致現(xiàn)在(±R，0)處存在溫度不連續(xù)的問題。研究人員基于格林函數(shù)法提出了一套新的關于總體換熱系數(shù)的解析方法，可有效避免這些問題，給出了徑向溫度是0-3次多項式函數(shù)分布時具體解析解。開發(fā)了裂隙流動換熱數(shù)值分析模型，成功實現(xiàn)了裂隙與巖石相差2個數(shù)量級時的數(shù)值建模問題，模擬結果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。提出用局部換熱系數(shù)(LHTC)表征干熱巖裂隙的局部換熱特征，發(fā)現(xiàn)裂隙張開度較小時通常局部換熱系數(shù)較大，裂隙的局部起伏度(代表粗糙性)與局部換熱系數(shù)呈負相關關系，即LHTC在裂隙凹進處較大，而在凸起處較小。裂隙光滑處LHTC較小，而粗糙處則較大，給出了LHTC與起伏度的擬合關系。基于該模型對水和二氧化碳的流動換熱規(guī)律進行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)其他條件相同條件下，氣態(tài)二氧化碳和氣態(tài)水的總體換熱系數(shù)和局部換熱系數(shù)都隨著流量的增加而增加，氣態(tài)二氧化碳的OHTC及LHTC總是比氣態(tài)水的小，超臨界水換熱系數(shù)優(yōu)于超臨界二氧化碳。就二氧化碳而言，緊相比松相的換熱能力更優(yōu)。

研究工作得到國家自然科學基金面上項目(Grant 41672252, 41272263)的資助。研究成果發(fā)表在Applied Thermal Engineering, Rock Mechanics and Rock Engineering, Computers and Geotechnics,Environmental Earth Sciences 以及Geothermics 等期刊上。

裂隙流動換熱實驗原理

花崗巖巖塊與裂隙中的溫度分布(左側注入流量30mL/min,裂隙開度125.5微米，時間900s)

不同狀態(tài)下二氧化碳的局部換熱系數(shù)比較