滲濾取水海水源熱泵系統(tǒng)中海水運(yùn)移規(guī)律研究項(xiàng)目摘要

海水源熱泵系統(tǒng)是開(kāi)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(huì)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(wèn)題。本項(xiàng)目根據(jù)多孔介質(zhì)中流體的流動(dòng)及換熱理論與溶質(zhì)運(yùn)移理論，對(duì)海水運(yùn)移過(guò)程中海水流-熱量-溶質(zhì)耦合運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定流抽水實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)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(yùn)移數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同工況下地下水速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬。研究在滲濾取水的過(guò)程中，地下含水層速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)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(duì)地下含水層內(nèi)流場(chǎng)分布的影響，地下含水層內(nèi)的換熱過(guò)程對(duì)取水溫度的影響，以及海水運(yùn)移過(guò)程對(duì)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(jì)提供理論依據(jù)。

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(chǔ)能，有助于解決以上問(wèn)題。本項(xiàng)目根據(jù)多孔介質(zhì)中流體的流動(dòng)及換熱理論，對(duì)滲濾取水海水源熱泵系統(tǒng)中海水運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，建立了海岸井滲濾取水系統(tǒng)滲流換熱模型。對(duì)天津渤海海水溫度、沿海地質(zhì)及淺層土壤溫度進(jìn)行了測(cè)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(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室水樣、土樣分析實(shí)驗(yàn)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(yùn)用數(shù)值方法確定含水層的導(dǎo)熱系數(shù)及孔隙率，并進(jìn)一步驗(yàn)證所建海岸井滲濾取水滲流換熱模型的準(zhǔn)確性和在有界含水層中的適用性。運(yùn)用已驗(yàn)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(shí)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(duì)海岸井出水量的影響，分析了海水溫度、抽水時(shí)間、出水量以及井的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)海岸井出水水溫的影響。運(yùn)用費(fèi)用年值法對(duì)使用海岸井滲濾取水系統(tǒng)海水源熱泵的具體工程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)提供了理論依據(jù)。

強(qiáng)水流是一種常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，具有強(qiáng)沖擊、強(qiáng)沖刷和強(qiáng)輸沙能力等特點(diǎn)。它經(jīng)常發(fā)生于堤壩潰決過(guò)程中，造成非常嚴(yán)重的后果。進(jìn)行強(qiáng)水流作用下推移質(zhì)輸移規(guī)律的研究是水沙動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的前沿問(wèn)題，具有重要的科學(xué)價(jià)值和工程意義。本項(xiàng)目通過(guò)水槽試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開(kāi)展研究，研究成果主要包括：（1）潰壩強(qiáng)水流作用下，河床表層泥沙根據(jù)不同特征可分為三個(gè)區(qū)域：第一區(qū)域?yàn)楹哟泊只瘏^(qū)，第二區(qū)域有為小顆粒泥沙沉積區(qū)，第三區(qū)域?yàn)榇诸w粒泥沙沉積區(qū)。（2）強(qiáng)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(xì)顆粒泥沙層交替分布。（3）強(qiáng)水流作用下床面剪切力與r/D具有明顯的線性關(guān)系，強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)和波高。（5）考慮泥沙顆粒的碰撞作用，建立了強(qiáng)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(jì)了非接觸式推移質(zhì)輸沙率的測(cè)量裝置并提出了測(cè)量方法。本項(xiàng)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(shí)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(xiàng)目以獲取極地冰芯鉆探“暖冰”層取芯質(zhì)量、保障鉆進(jìn)安全為目標(biāo)，開(kāi)展暖冰層破碎機(jī)理和冰屑運(yùn)移規(guī)律研究。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，揭示暖冰層回轉(zhuǎn)切削鉆進(jìn)時(shí)熱量分布及其傳遞規(guī)律，研究不同鉆進(jìn)參數(shù)條件下鉆頭周圍溫度場(chǎng)的變化及其對(duì)冰芯、冰屑的影響，并通過(guò)熱-力耦合分析研究冰芯內(nèi)部的熱應(yīng)力大小及其對(duì)冰芯質(zhì)量的影響程度；通過(guò)鉆具防凍及冰屑粘附問(wèn)題研究，分析不同條件下冰屑的運(yùn)移規(guī)律，為暖冰層安全鉆進(jìn)提供依據(jù)。本項(xiàng)目通過(guò)暖冰層破碎機(jī)理和冰屑運(yùn)移規(guī)律方面的研究，旨在為合理設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)械鉆具、優(yōu)化鉆進(jìn)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(jìn)提供技術(shù)對(duì)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)。