废弃矿井巷道季节性蓄热特性研究

随着矿产资源的深入开采，大量的地下巷道、硐室被弃之，废弃矿井引起资源浪费的同时带来严重的环境问题。伴随着不可再生能源紧缺及环境保护的需要，开发和利用清洁能源显得格外重要，国内外对废弃矿井和能源利用相结合的研究也随之兴起。 结合太阳能集热器的废弃巷道季节性蓄热水技术，本文首先对其相关的传热及流动理论进行分析，利用数值模拟与实验对比分析的方法，研究倾角因素和长度因素对巷道蓄热特性的影响。 对巷道蓄热原理及内部的耦合换热过程和控制方程进行了分析，在提出合理假设的基础上，建立了适用于巷道季节性蓄热的三维非稳态湍流数值模型。并利用有限体积分析软件FLUENT，对其温度场和流场进行数值模拟，研究巷道季节性蓄热的特性。 处于地下300米深处的水平巷道在夏季储存90℃的热水，蓄热三个月后热水温度仍保持在47℃左右，蓄热期间热水平均温度降低速率逐渐减小，且由于自然对流的存在巷道上部的热水温度普遍高于下部各对应点处的温度。蓄热开始的前20小时内热水向岩石散热速度最快，且该期间内热流密度变化幅度最大，其值降为初始时刻的50%左右，在蓄热约600小时后热流密度基本稳定不变。巷道围岩的等温线是以巷道几何中心为中心的一系列同心圆，且蓄热三个月后其温度波及岩石的最大半径约为13m。 为了验证理论模拟结果的准确性，自行设计并搭建了与实际巷道尺寸比为1:20的模型实验台。对其内部热水及外围岩石的温度场进行测试，并与数值模拟结果进行比较，两者有较好的一致性。 通过改变巷道的倾斜角度及长度进行数值分析与计算，结果表明倾角与长度的增加均能减弱巷道内热水总的自然对流强度，增强保温效果。提出了采用非连续多次注水及利用太阳能集热器进行中间加热二次蓄热的两种优化方案。证明了巷道季节性蓄热水的实用性，并对数值模拟与实际情况的差异性分析指出巷道季节性蓄热水的实际效果比数值模拟效果更好。