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完美THM热流固耦合模型：基于COMSOL的地热与干热岩模拟
在当前能源结构转型的大背景下，地热能作为一种清洁、可持续的能源形式，正受到越来越多关注。其中，干热岩（HDR）因其巨大的储能潜力成为研究热点。借助COMSOL Multiphysics强大的多物理场耦合能力，科研人员能够构建高精度的数值模型来模拟复杂的地质环境。本文介绍一个在COMSOL官方流热耦合模型基础上拓展而成的完整热流固（THM）耦合模型，适用于地热系统及干热岩系统的深入分析。
模型构建基础：从流热耦合到THM全耦合
本模型以COMSOL官网提供的基础流热耦合案例为起点，进一步引入固体力学模块，从而实现热-流-固三场全耦合仿真。原始的流热耦合模型已能有效描述流体在多孔介质中的流动行为及其伴随的热量输运过程，包括对流、传导以及温度依赖性物性的反馈机制。
以下为模型初始化及物理场添加的示意代码（仅作示例，实际需结合具体几何与边界条件）：
# 假设在COMSOL的API环境下
import comsol.model as model
# 创建一个新模型
m = model.Model()
# 添加流热耦合物理场
flow_heat = m.physics('ht') # ht代表流热耦合物理场该代码段展示了如何通过COMSOL的编程接口创建新模型，并集成流体流动与传热物理场。此阶段重点在于捕捉温度变化对流体密度和黏度的影响，同时考虑流速分布对热传导路径的调控作用。
引入固体力学：实现完整THM耦合
为了更真实地反映地下岩体在高温高压环境下的响应特性，我们在原有模型中加入了固体力学模块。这一扩展使得模型可以同步求解岩石骨架的应力-应变状态，揭示热膨胀、孔隙压力变化等因素引发的变形与破裂机制。
如下所示为添加固体力学物理场及相关材料参数设置的代码片段：
# 添加固体力学物理场
solid_mechanics = m.physics('solid') # solid代表固体力学物理场
# 设置固体力学的材料属性
material = m.material('mat1')
material.property('E', 200e9) # 弹性模量
material.property('nu', 0.3) # 泊松比在此部分配置中，定义了固体材料的关键力学属性，如弹性模量与泊松比，进而支持对热应力累积、裂缝演化等关键过程的模拟。这对于评估干热岩储层的人工压裂效果、长期稳定性以及热提取效率具有重要意义。
模型核心优势
高度可定制化
该模型具备极强的参数灵活性，用户可根据实际地质条件自由调整各类输入参数。无论是流体侧的密度、比热容、导热系数，还是固体侧的杨氏模量、热膨胀系数等，均可便捷修改。例如，通过调节工作流体的比热容，可系统研究其对热量携带能力及整体换热性能的影响：
# 修改流体的比热容
fluid_material = m.material('fluid_mat')
fluid_material.property('cp', 2000) # 比热容为2000 J/(kg*K)优异的收敛性与鲁棒性
模型在多种工况下均表现出良好的数值稳定性。得益于COMSOL内置的先进非线性求解器与自适应迭代策略，配合合理的初始值设定与网格控制，整个求解过程不易出现发散或震荡现象，确保结果可靠且重复性强。
高效的计算性能
针对大规模三维问题，模型通过优化网格拓扑结构、采用合适的求解算法（如PARDISO或GMRES）以及合理划分时间步长，在保证精度的前提下显著提升了运算效率。这使得复杂场景下的长时间动态模拟成为可能，大幅缩短研发周期并节约计算资源。
总结
综上所述，该基于COMSOL平台开发的THM热流固耦合模型，不仅继承了原有流热模型的成熟框架，还通过融合固体力学实现了对地热与干热岩系统更为全面的物理再现。其参数可调性强、收敛表现稳定、计算速度快，为地热资源勘探、储层改造与工程设计提供了强有力的仿真支撑。
京公网安备 11010802022788号
