内衬式岩洞储氢三维热-流-固耦合模型及洞群运营稳定性分析
蔚立元1
弭宪震1
胡波文2
李树忱3
刘日成1
叶继红4
1.中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室,江苏徐州 2211162.中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室,江苏徐州 221116;河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室,河南焦作 4540033.中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室,江苏徐州 221116;中国矿业大学力学与土木工程学院,江苏徐州 2211164.中国矿业大学力学与土木工程学院,江苏徐州 221116
摘要：清洁可再生能源是实现双碳目标的根本途径,地下内衬式岩洞储氢是解决其波动性和间歇性的有效方式之一.基于气体热流动方程、湍流方程以及固体热传导方程、热弹性力学方程建立了内衬式岩洞储氢的三维热-流-固多场耦合模型,并验证了其有效性和优越性;通过COMSOL Multiphysics软件求解热-流-固耦合模型分析了注采过程中洞室内气体的可压缩热流动特征及衬砌层与围岩的热力学响应,进一步探究了洞室埋深、间距、气体注入温度和注采方式对洞群稳定性的影响.结果表明:氢气温度和压力随注气增加、采气降低,洞室内温度分布不均,注气结束时顶底部温差达9.7 K;两洞室同步注采时,洞室围岩和衬砌层的第一主应力随注气进行而增大,注气结束时洞顶最大拉应力达3.12 MPa,是最容易出现拉伸破坏的位置,在采气阶段第一主应力急剧下降;洞室围岩位移与第一主应力变化一致,注气结束时洞室边墙中部区域的最大位移达到20.2 mm,埋深对洞室位移影响不大;两洞室间距越大,洞室间中隔岩柱的应力集中程度就越小,间距大于两倍洞径后,中隔岩柱的应力状态接近于原岩状态;注入温度从266.15 K提高到306.15 K,注气结束洞室压力增高了 4.1％;一个洞室储气,另一个洞室注采是最危险工况,而一个洞室待储,另一个洞室注采是最安全工况;实际运营中,应优化注采方案并采取具体工艺措施来维护储氢洞室群的长期稳定.本文研究结论有望为工程实际提供一定的借鉴.
关键词：内衬式岩洞地下储氢热-流-固耦合注采方案洞室群稳定性
分类号：TU45(土力学、地基基础工程)TU91(地下建筑)
资助基金：科技创新专项前沿基础项目(BK20220025)河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室开放基金(WS2023B04)江苏省研究生科研与实践创新计划资助项目(KYCX24_2823)
论文发表日期：2024-11-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：18( 1099-1116 )
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