一种新型确定含水层热物性参数的微热试验方法技术

发明专利技术公开了一种新型确定含水层热物性参数的微热试验方法，包括如下步骤：1)以热径向对流弥散理论研究为基础，依据热量守恒原理建立微热试验的理论模型，通过数学变换，建立理论模型不同渗流条件、不同参数条件下的多组标准曲线；2)通过微热试验，进行不同渗流条件和不同激发强度下的微热试验，通过传感器获取实测数据，绘制实测数据曲线；3)采用配线法将标准曲线与微热试验实测数据曲线进行匹配，记录对应的坐标值，通过计算得到含水层导热系数，通过相关公式推导其岩土体导热系数、含水层热弥散度等其余热物性参数。上述方法试验周期短，操作方法简单，不仅可以得到含水层的导热系数，也可以反推得到岩土体的导热系数。也可以反推得到岩土体的导热系数。也可以反推得到岩土体的导热系数。

【技术实现步骤摘要】
一种新型确定含水层热物性参数的微热试验方法


[0001]专利技术涉及一种新型确定含水层热物性参数的微热试验方法，属于微热试验


技术介绍

[0002]开发利用绿色可再生的浅层地热能不仅可以有效缓解能源紧张问题，更能大大减少环境污染，是我国目前势在必行的研究项目。在开发地热能的初期，需要对地热资源进行相关评价，评价内容包括浅层地热资源总容量、可开采资源量以及地层热量补给速率等等，而这些均与区域水文地质条件、含水层和岩土体的热物性密切相关。热物性中最为重要的参数是含水层、岩土体导热系数和比热容，其大小反映了含水层、岩土体的蓄热、导热能力和传热效率，在工程应用中，选择较大导热系数的含水层和岩土体进行开发利用往往可以有效提高热源的利用率，降低投资成本。因此对含水层和岩土体导热系数进行充分的研究和评估是十分必要的。
[0003]此外，含水层和岩土体的传热问题在地热资源的开发与利用中是一个十分重要的研究方向，其中有效导热系数作为表征含水层热运移的重要参数有着举足轻重的地位，其意义在于将包括对流弥散、传导作用在内的热量运移过程用有效导热系数这本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型确定含水层热物性参数的微热试验方法，其特征在于：包括如下步骤：1)以热径向对流弥散理论为基础，依据热量守恒原理建立微热试验的理论模型，通过数学变换，建立理论模型不同渗流条件、不同参数条件下的标准曲线；2)通过微热试验，进行不同渗流条件和不同激发强度下的微热试验，通过传感器获取实测数据，绘制实测数据曲线；3)采用配线法将标准曲线与微热试验实测数据曲线进行匹配，记录对应的坐标值，通过计算得到含水层导热系数，通过相关公式推导得到其余热物性参数。2.如权利要求1所述的新型确定含水层热物性参数的试验方法，其特征在于：步骤1)中，根据微热试验理论得到的半解析解绘制无量纲温度变化T
*D
和无量纲时间τ的标准曲线；步骤2)中，根据采集到的井孔内温度变化值T与时间t的观测数据，绘制与标准曲线相同模数的温度变化T与时间t的实测曲线图，温度变化值T和时间t均取对数；步骤3)中，使实测曲线坐标原点与标准曲线坐标原点在坐标图层的同一高度，通过平移实测曲线时间坐标轴t来匹配实测曲线与标准曲线，记录拟合标准曲线的α值、无量纲时间τ值和时间t值。3.如权利要求1或2所述的新型确定含水层热物性参数的试验方法，其特征在于：步骤1)中，微热试验的理论模型，建立在热径向对流弥散理论研究之上，依据热量守恒原理建立的一维条件下，不考虑z方向上热量运移的理论公式，通过拉普拉斯变化及逆变换对理论公式进行求解，选用Stehfest算法和Talbot算法建立理论模型不同渗流条件、不同参数条件下的标准曲线。4.如权利要求3所述的新型确定含水层热物性参数的试验方法，其特征在于：步骤1)中，综合利用Matlab和Grapher绘图软件，绘制不考虑流速和考虑流速两种条件下无量纲温度变化T
*D
与无量纲时间τ关于α参量的标准曲线，其中，α为水热容量与含水层热容量比值。5.如权利要求4所述的新型确定含水层热物性参数的试验方法，其特征在于：步骤1)中，微热试验的理论模型需要通过以下方程和定律建立：径向流下考虑热机械弥散项的热量运移方程；根据热量守恒定律，井管内热量的变化与流过含水层r＝r
w
处的热量相等，建立热量平衡方程；径向流下，考虑热对流弥散项的热量运移方程：根据热量守恒定律，井管内热量的变化与流过含水层r＝r
w
处的热量相等：初始条件T(r,t)|
t＝0
＝0,r＞r
w
ꢀꢀꢀꢀ
(3)T
*
(0)＝T0ꢀꢀꢀꢀ
(4)边界条件T(r,t)|
r
→
∞
＝0,t＞0
ꢀꢀꢀꢀ
(5)T
*
(t)＝T(r
w
,t),t＞0
ꢀꢀꢀꢀ
(6)以上式中：T为温度，T(r
w
,t)为t时刻井管壁处的温度变化值，T(r,t)表示含水层中距井
中心为r时t任意时刻的温度的变化值，T
*
(t)为t时刻井孔内的温度变化值，r为含水层内某点到井中心的距离，r
w
为井管半径，r
s
为井管内导热管的半径；t为时间；λ(r)为含水层的有效导热系数；(ρc)
f
为地下水热容量，(ρc)
fs
为含水层的热容量；T0为初始温度变化值；为地下水实际流速，B为含水层厚度，Q为注水流量,θ为含水层孔隙度；当u＝0时，即含水层不考虑流速时，式(1)变成如下形式，即热的传导方程：式(1)至式(6)数学模型的方程形式比较复杂，且因公式(1)和(7)表达式不同，需将公式(1)方程分成考虑流速和不考虑流速两种条件的情况，分别计算，总体思路是采用拉普拉斯变换的方法对其进行求解，将上述方程、定解条件等通过无量纲因子和参变量转换为无量纲形式，依次对其进行拉普拉斯变换；(1)不考虑流速情况下的理论模型求解：通过无量纲变换将式(7)转换为如下形式：：其中δ
w
＝1，再依次对式(2)
‑
(6)做无量纲变化得：T
D
(δ,0)＝0,0＜δ＜∞,τ＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(10)T
*D
(0)＝T
D
,δ＝1,τ＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(11)T
D
(δ,τ)＝0,δ
→
∞,τ＞0
ꢀꢀꢀꢀ
(12)T
*D
(τ)＝T
D
(δ,τ),δ＝1,τ＞0
ꢀꢀꢀꢀ
(13)最后对式(8)τ做拉普拉斯变换，式(8)热传导方程转化为:井管内热量的变化与流过含水层r＝r
w
处的热量相等，该式转化为定解条件：定解条件：定解条件：上述拉普拉斯转换式中：为T
*D
的拉氏变换的象函数，为T
D
的拉氏变换的象函数，T
*D
为井孔中温度变化比值，为含水层中温度变化比值，为距井中心距离与井半径的比，井内
导热管半径与井半径的比，δ
w
＝1，p为拉氏变换复变量，无量纲时间，无量纲时间，为与含水层固有性质相关的无量纲参数，为水的热容量与含水层的热容量的比；根据n阶修正贝塞尔方程：通解为：y＝C1K
n
(βx)+C2I
n
(βx)
ꢀꢀꢀꢀ
(20)其中：I
n
(x)和K
n
(x)分别为第一类和第二类修正贝塞尔函数；当n＝0时，式(14)的解为：根据式(17)知：又因为第一类修正贝塞尔函数I0(x)为指数增长型函数，具有性质：当x
→
∞时I0(x)
→
∞，因此C2＝0，所以，又根据0阶修正贝塞尔函数的性质知：又根据0阶修正贝塞尔函数的性质知：将式(22)代入式(15)和(18)中可得：由(18)可得：由此可以得到当含水层处于静止条件下，流速u＝0时该理论模型在Laplace空间的解析解为：析解为：公式(26)即为在不考虑流速条件下的拉普拉斯变换域中所得出的最终解，但是想要在实际实验中运用此解，还需要对公式(26)进行拉普拉斯逆变换：
其中：f(t)为实空间的像原函数；F(s)为拉氏空间的像函数；N为求和项数；其中：f(t)为实空间的像原函数；F(s)为拉氏空间的像函数；N为求和项数；将公式(26)代入公式(27)中进行拉普拉斯逆变换得：综上可得：T
*D
＝f(α,γ,τ)
ꢀꢀꢀꢀ
(29)由此可知，在不考虑流速情况下微热试验的理论模型中，控制测试井中无量纲温度变化T
*D
的无因次参数共3个，其中为水的热容量和含水层的热容量之比，反映了含水层相对于水的储热能量强弱，为与含水层热容量相关的参数，δ
s
反映了井管内导热管半径大小和井孔半径大小的比值，在假设条件中，将忽略导热管和井孔间的空隙，所以δ
s
为1，τ为无因次时间，由此可利用Matlab软件绘制关于α参量的无量纲温度变化随时间变化标准曲线；(2)考虑流速情况下的理论模型求解：通过无量纲变换可将式(1)转换成如下形式：对无量纲因子τ做Lapl...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵燕容，魏裕丰，戎荣，杨义锴，王浩楠，董小松，张子民，张志豪，薛瑞丰，高秋爽，祁琦，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：