[发明专利]一种模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程的数值方法

权利要求书

1.一种模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程的数值方法，其特征在于，包括：

步骤S1、构建裂隙几何模型，确定所述裂隙几何模型的粗糙度；

步骤S2、确定所需数学模型，包括：连续相数学模型、离散相数学模型和交叉耦合方程；将计算区域内的流体介质视为连续相，通过连续相数学模型进行求解；将暂堵剂视为离散相，通过离散相数学模型进行求解；连续相与连续相之间的相互作用，通过SIMPLE算法进行求解；连续相与离散相之间相互作用，通过交叉耦合方程进行求解；

步骤S3、对所述数学模型进行离散，给出相应边界条件和初始化数值，通过预设的双向耦合计算流程，模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程；

步骤S4、输出模拟结果；

所述步骤S2中，连续相数学模型通过以下方法确定，包括：

流体运动采用质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行求解，其中，质量守恒方程表示为：

其中，S_m表示源项，为离散相添加到连续相中的质量，或其他任何需要考虑到连续相中的相；ρ表示流体密度；t表示时间；表示拉普拉斯算子；表示流体速度；表示偏导数；

动量守恒方程表示为：

其中，p_f表示缝内流体压力；表示流体重力加速度；表示与离散相相互作用产生的力；表示切应力张量，其表达式如下：

其中，μ表示流体粘度；I表示单位张量；上标T表示流体速度向量的转置；

能量守恒方程表示为：

k_eff＝k+k_t (5)

其中，T为流体温度；p为出口压力；E为能量常数；k_eff为有效导热率；k为流体材料导热率；k_t为流体湍流导热率；为流体扩散通量；为有效切应力张量；S_h为体积热源；h为不可压缩流体的焓；Y_j为流体质量分数；h_j为流体质量分数为j时的焓；T_ref为298.15k；c_f,j为流体定压比热容；∫表示积分；

所述步骤S2中，离散相数学模型通过以下方法确定，包括：

通过牛顿第二定律对离散相暂堵剂进行力平衡积分，计算暂堵剂的运动轨迹，其表达式为：

其中，m_p为暂堵剂质量；为暂堵剂速度；ρ_p为暂堵剂密度；d_p为暂堵剂直径；为流体速度；μ为流体粘度；ρ为流体密度；τ_r为暂堵剂弛豫时间；Re为雷诺数；C_d为常数，取0.5；d表示导数；为附加力，根据实际情况选择；

暂堵剂旋转通过求解暂堵剂角动量的附加常微分方程：

其中，为力矩；为流体与暂堵剂之间的相对角速度；为流体与暂堵剂之间相对角速度的绝对值；I_p为惯性矩；为暂堵剂角速度；C_ω为旋转阻力系数；

所述步骤S2中，确定交叉耦合方程，包括：

考虑连续相对离散相的影响，构建质量、动量和能量交换方程；

考虑离散相对连续相的影响，构建修正后的连续性方程、动量方程和能量方程；

考虑连续相内部的相互影响，通过SIMPLE算法获得速度、压力和温度耦合的连续相场；

所述预设的双向耦合计算流程，包括：

步骤S31、设定输入模块，给出连续相和离散相相关参数，进行预设步数的连续相计算，得到一个连续相场；

步骤S32、将当前连续相场相关参数应用到对离散相的计算中，计算离散相质量、动量和能量交换公式，得到连续相场对离散相的影响参数；

步骤S33、将当前连续相对离散相的相关影响参数应用到对离散相的计算中，对牛顿第二运动定律相关方程进行求解，得到离散相运动轨迹、运动速度相关参数；

步骤S34、将当前离散相相关参数应用到对连续相的计算中，通过计算修正后的连续性方程、动量方程和能量方程，得到修正后的连续相场，从而完成一次双向耦合计算；

步骤S35、判定是否达到步骤S31中设置的计算步数，如不满足条件，返回步骤S32继续进行计算；如果满足条件，结束计算。