均匀介质固热耦合有限元数值分析研究.pdf

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1、2012年第6期(总188期)安徽建筑均匀虽介质固热耦合有限元数值分析研究TheFiniteElementNumericalAnalysisofHomogeneousMediumSolid-HeatCoupledModel谭启(安徽新华学院土木与环境工程学院，安徽合肥230000)摘要：针对油田重油区粘度高、难开发的特点，利用ansys有限元软件模拟重油区情况，对加热区域的热破裂过程进行数值模拟计算。通过数值计算可知由于重油区域岩石本身的导热能力较差，加热影响的范围不大．但大部分区域的温度明显升高，使得稠油粘度和密度降低，提高了原油的流度和采收率，热应力值的范围为705719N／mz—O．20

2、9X109N／m2，在邻近加热区域范围内应力较大，因此文章的研究等温线结果对于重油的开采具有一定的借鉴意义。关键词：均匀介质；有限元法；固热耦合图1多层导热系数不图2岩石热流矢量流向中图分类号：TU44文献标识码：A同的岩石中的导热文章编号：1007—7359(2012)06-0108—03D0前言岩石热破裂，可在高粘度石油开采、煤炭地下气化、核燃料声处置等多方面应用，国际国内都做了一些理论和数值模拟工作，如高温岩体地热开发的研究中，专家们提出如单纯的热传C程导、水流动、热水耦合、固热耦合以及考虑介质性态的匀质和裂隙介质模型等【，H4]，其中Kohl等提出的固流热耦合模型是较ZL、础全面的一个

3、。．^k在国内，如赵阳升、康健、赵明鹏等，从不同角度建立了三维耦合数学模型，并采用有限元方法求解出岩体热破裂过程的温度场和应力场及裂缝宽度的变化规律嘲；中国矿大的Yanglanhe，建立了模拟地下煤气化的3-D非线性不稳定数学模型，并采用逆流加权多单元平衡法来进行模拟计算17],[81。1ansys软件介绍本文针对重油区加热问题将采用ansys软件进行岩石热破裂数值模拟分析。ansys软件的热力学分析是基于能量守恒原，^’图4温度场分布图温359·904理的热平衡方程，通过计算各节点的温度导出其他热物理参瘩32595数，温度场分布及热应力分布，它不仅能解决纯粹的热分析问291．996题，还能解

4、决与热相关的其他问题，如热—应力、热一电等耦合258．042问题，所以在模拟二维和三维岩石稳态和瞬态传热时选用ansys224．088软件进行计算f9】。l90．134156l8安2传热理论在岩石热力学上的应用推广可行性122．22688．272徽54．318建基金顽目：2O10年高校省缀优秀青-年人才基金项目(#ter：2010SQRL197)、I2009年校级自然课题项目(编号：2009ZR001o20364筑收稿日期：2012—04—2649．985149．955249．925349作者简介："fl~．(1982一)，女，河南信阳人，毕业西南科技大学，硕士；讲．895449．865距离r

5、fl固师，主要从事地下工程岩土安全方面的研究和教学工作。图5径向AD各点的温度变化曲线2012年第6期(总188期)安徽建筑其中A点坐标为(0．15，0)，B点坐标为(0．15，一looo)，C点是大部分区域的温度还是高于初始温度，而且被加热区域的热坐标为(500，一1000)，D点坐标为(500，0)(单位：m)。应力有不同程度增高，这对于提高重油区岩石的孔隙度和渗透本模型采用ansys进行模拟计算，并进行温度场和热应力率有较好的作用，因此在临近加热区域的稠油粘度和密度降场分析。采用间接耦合法，即先进行热分析，再将求得的各节点低，对于提高原油的流度和采收率具有一定的效果。温度作为体载荷施加到

6、结构应力分析中。得到温度场分布图、但是实际情况下重油区岩石的非均质性很强，而且当温度径向各点的温度变化曲线，以及219号节点的温度随时间变化改变时，岩石多项热物理参数和力学参数会随之而改变，特别的曲线，分别如图4、图5、图6所示，然后将所得到的节点温是深部岩石，它在高地应力、高地温和高渗透以及复杂的成岩●■■■__-一I度带入结构分析中，求得重油区的热应力分布图及模型区域内过程与地质条件的影响，表现出高度的非线性特性，因此假设任意一点的热应力值，分别如图7和图8所示。岩石的匀质、线弹性、各向同性将导致计算的精度和实际参考—·3．1结果分析。价值的下降。所以，在以后的模拟计算中，要进行以下的改进

7、：从图4可看出整个区域的温度在20．364℃一69．144~C的①模拟多种材料组成的物质并且将岩石的各种热物理参数，如范围内，注入的热蒸汽的影响区域非常小，靠近AB边和BC边导热系数、比热、导温系数、线膨胀系数、热交换系数等设置为的较小区域内的温度较高，主要集中在59．1l8℃～369．144~C各向异性；②在假设初始温度时要考虑地层的温度梯度，一般的范围内，从图中看到模拟结果的颜色由大红色过渡到