滲濾取水海水源熱泵系統(tǒng)中海水運移規(guī)律研究

受地質(zhì)條件、氣候條件及水質(zhì)的限制，天津渤海海域海水不宜直接作為海水源熱泵的熱匯/源。將海岸井滲濾取水系統(tǒng)應(yīng)用于海水源熱泵系統(tǒng)，可綜合利用海洋熱能和土壤儲能，有助于解決以上問題。本項目根據(jù)多孔介質(zhì)中流體的流動及換熱理論，對滲濾取水海水源熱泵系統(tǒng)中海水運移規(guī)律進行研究，建立了海岸井滲濾取水系統(tǒng)滲流換熱模型。對天津渤海海水溫度、沿海地質(zhì)及淺層土壤溫度進行了測試與勘察，論述了在天津沿海構(gòu)建海岸井滲濾取水系統(tǒng)的可行性。根據(jù)野外抽水實驗及實驗室水樣、土樣分析實驗獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如滲流系數(shù)、海水溫度、海岸井抽水水溫的變化規(guī)律等，運用數(shù)值方法確定含水層的導(dǎo)熱系數(shù)及孔隙率，并進一步驗證所建海岸井滲濾取水滲流換熱模型的準確性和在有界含水層中的適用性。運用已驗證的有界含水層中海岸井滲濾取水滲流換熱模型，結(jié)合實際工程水文地質(zhì)條件，模擬研究了海岸井位置、直徑以及水位降深對海岸井出水量的影響，分析了海水溫度、抽水時間、出水量以及井的結(jié)構(gòu)參數(shù)對海岸井出水水溫的影響。運用費用年值法對使用海岸井滲濾取水系統(tǒng)海水源熱泵的具體工程進行了優(yōu)化設(shè)計，確定了優(yōu)化的海岸井位置、數(shù)量及直徑。研究成果為滲濾取水海水源熱泵系統(tǒng)的工程設(shè)計提供了理論依據(jù)。

海水源熱泵系統(tǒng)是開發(fā)利用海洋熱能的有效方式之一。但是在部分沿海地區(qū)的應(yīng)用會受到淤泥型地質(zhì)條件及氣候條件的限制。應(yīng)用滲濾取水技術(shù)可以解決這一難題，卻有可能影響取水量、取水溫度，甚至引起海水入侵問題。本項目根據(jù)多孔介質(zhì)中流體的流動及換熱理論與溶質(zhì)運移理論，對海水運移過程中海水流-熱量-溶質(zhì)耦合運移規(guī)律進行研究。通過現(xiàn)場穩(wěn)定流抽水實驗及實驗室分析，獲取水文地質(zhì)參數(shù)。建立海水流-熱量-溶質(zhì)耦合運移數(shù)學(xué)模型，對不同工況下地下水速度場、溫度場、濃度場分布進行數(shù)值模擬。研究在滲濾取水的過程中，地下含水層速度場、溫度場、濃度場分布，分析海岸井位置、取水流速、溫度、滲透系數(shù)、孔隙度、彌散度等參數(shù)對地下含水層內(nèi)流場分布的影響，地下含水層內(nèi)的換熱過程對取水溫度的影響，以及海水運移過程對地下含水層溶質(zhì)濃度分布的影響。為滲濾取水海水源熱泵系統(tǒng)的工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

強水流是一種常見的自然現(xiàn)象，具有強沖擊、強沖刷和強輸沙能力等特點。它經(jīng)常發(fā)生于堤壩潰決過程中，造成非常嚴重的后果。進行強水流作用下推移質(zhì)輸移規(guī)律的研究是水沙動力學(xué)領(lǐng)域的前沿問題，具有重要的科學(xué)價值和工程意義。本項目通過水槽試驗、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開展研究，研究成果主要包括：（1）潰壩強水流作用下，河床表層泥沙根據(jù)不同特征可分為三個區(qū)域：第一區(qū)域為河床粗化區(qū)，第二區(qū)域有為小顆粒泥沙沉積區(qū)，第三區(qū)域為粗顆粒泥沙沉積區(qū)。（2）強水流作用下床面推移質(zhì)泥沙粒徑垂向上呈明顯分層現(xiàn)象，粗顆粒泥沙層和細顆粒泥沙層交替分布。（3）強水流作用下床面剪切力與r/D具有明顯的線性關(guān)系，強水流的推移質(zhì)輸沙率受水力半徑與泥沙粒徑比值的影響明顯。（4）強水流作用下床面不同沙波之間的幾何形態(tài)自相似主要受限于沙波的波長和波高。（5）考慮泥沙顆粒的碰撞作用，建立了強水流作用下推移質(zhì)輸沙率公式以及不平衡輸沙方程。（6）設(shè)計了非接觸式推移質(zhì)輸沙率的測量裝置并提出了測量方法。本項目的部分研究成果已應(yīng)用于望謨河的整治和成子河泄洪道交匯區(qū)的流態(tài)的研究，為實際工程提供了參考。 2100433B

獲取高質(zhì)量冰芯是極地冰芯鉆探的直接目的，也是從事深冰芯研究的根本保證。本項目以獲取極地冰芯鉆探“暖冰”層取芯質(zhì)量、保障鉆進安全為目標，開展暖冰層破碎機理和冰屑運移規(guī)律研究。通過數(shù)值模擬和實驗測試，揭示暖冰層回轉(zhuǎn)切削鉆進時熱量分布及其傳遞規(guī)律，研究不同鉆進參數(shù)條件下鉆頭周圍溫度場的變化及其對冰芯、冰屑的影響，并通過熱-力耦合分析研究冰芯內(nèi)部的熱應(yīng)力大小及其對冰芯質(zhì)量的影響程度；通過鉆具防凍及冰屑粘附問題研究，分析不同條件下冰屑的運移規(guī)律，為暖冰層安全鉆進提供依據(jù)。本項目通過暖冰層破碎機理和冰屑運移規(guī)律方面的研究，旨在為合理設(shè)計電動機械鉆具、優(yōu)化鉆進參數(shù)組合提供理論依據(jù)，為冰層取芯鉆探暖冰層安全鉆進提供技術(shù)對策，并為獲取高質(zhì)量暖冰冰芯提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。