Миндубаев М.Г., Демежко Д.Ю.
Cвободная тепловая конвекция в буровых скважинах: численное моделирование и экспериментальные данные
Free thermal convection in boreholes: numerical modeling and experimental data
| УДК: |
550.361 |
| Аннотация: |
Приведены результаты численного 3D-моделирования свободной тепловой конвекции жидкости в вертикальном канале квадратного сечения, имитирующем буровую скважину. Параметры моделирования: Ra=1500, Pr=8, аспектное отношение λz=40. Показано, что конвективные течения образуют систему восходящих и нисходящих винтовых струй, сосредоточенных в центральной части канала, и вихрей меньшего масштаба вблизи его стенок. Пространственная структура течений и температурных возмущений постоянно меняется, что обеспечивает температурные вариации в широком временном диапазоне. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. |
Ключевые
слова: |
тепловая конвекция, буровая скважина, численное моделирование, экспериментальные данные |
| Abstracts: |
We present results of 3D numerical modeling of free thermal convection in liquid filled square pipe, which simulated a borehole. The following model parameters are used: Ra=1500, Pr=8, aspect ratio λz=40. It is shown that convective currents form a system of upward and downward spiral jets, concentrated in the central part of the channel, and a number of smaller gyres near the walls. The spatial structure of currents and temperature perturbations are permanently changing, which leads to temperature variations over a wide temporal range. Obtained results are in good agreement with the experimental data. |
| Keywords: |
thermal convection, borehole, numerical modeling, experimental data |
Авторы статьи:
МИНДУБАЕВ
Мансур Габдрахимович
mansur_mg@mail.ru |
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Институт геофизики УрО РАН |
ДЕМЕЖКО
Дмитрий Юрьевич |
доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, Институт геофизики УрО РАН |
Список литературы:
| 1. |
Hales, A. L. Convection currents in geysers // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Geophysical Supplement. 1937.V.4. P. 122-131. |
| 2. |
Diment W.H. Thermal regime of a large diameter borehole: instability of the water column and comparison of air- and water-filled conditions // Geophysics. 1967. V.32.N.4. P. 720-726. |
| 3. |
Gretener P.E. On the thermal instability of large diameter wells - an observational report // Geophysics. 1967.V.32.N.4. P. 727-738. |
| 4. |
Sammel E. A. Convective flow and its effect on temperature logging in small-diameter wells //Geophysics. 1968. V.33.N.6. P. 1004-1011. |
| 5. |
Diment W. H., Urban Th. C. A simple method for detecting anomalous fluid motions in boreholes from continuous temperature logs// GRC Trans. 1983. V.7. P. 485-490. |
| 6. |
Хачай Ю.В., Миндубаев М.Г. О влиянии свободной тепловой конвекции в 3-D структуре пористой среды на экспериментальные оценки геотермического потока //Мониторинг. Наука и технологии. 2012. № 4(13). С. 6-11. |
| 7. |
Pfister M., Rybach L. High-resolution digital temperature logging in areas with significant convective heat transfer // Geothermics.1995.V. 24.N.1. P. 95-100. |
| 8. |
Wisian K. W., Blackwell D. D., Bellani S., Henfling J. A., Norman R. A., Lysne P. C., Forster A. and Schrotter J. Field comparison of conventional and new temperature logging systems //Geothermics. 1998.V.27.N.1. P. 131-141. |
| 9. |
Berthold S. and Borner F. Detection of free vertical convection and double-diffusion in groundwater monitoring wells with geophysical borehole measurements //Environmental Geology 2008.V.54. P. 1547-1566. |
| 10. |
Cermak, V., Safanda, J., Bodri, L. Precise temperature monitoring in boreholes: Evidence for oscillatory convection? Part I. Experiments and field data //Int. J. Earth Sci., 2007a.doi:10-1007/s00531-007-0237-4. |
| 11. |
Cermak, V., Bodri, L., Safanda, J., Precise temperature monitoring in boreholes: Evidence for oscillatory convection? Part II. Theory and Interpretation // Int. J. Earth Sci., 2007b.doi:10-1007/s00531-007-0250-7. |
| 12. |
Cermak V., Safanda J., Kresl M. Intra-hole fluid convection: High-resolution temperature time monitoring //Journal of Hydrology. 2008a.V. 348. P. 464- 479. |
| 13. |
Cermak V., Safanda J., Kresl M. High resolution temperature monitoring in a borehole, detection of the deterministic signals in noisy environment. //Studia Geophysica et Geodaetica.2008b V.52.N.3. P. 413-437. |
| 14. |
Демежко Д. Ю., Юрков А. К., Уткин В. И., Щапов В. А. Температурные изменения в скважине Kun-1 (о. Кунашир), вызванные землетрясением Тохоку (11.03.2011 г., M = 9.0) // Доклады академии наук, 2012.Т.445,.№2, с. 200-204. |
| 15. |
Демежко Д.Ю., Юрков А.К., Уткин В.И., Климшин А.В. О природе температурных вариаций в скважине Kun-1 (о. Кунашир) //Геология и геофизика, 2012, T.53, № 3, C. 406-414. |
| 16. |
Девяткин В.Н., Кутасов И.М. Влияние свободной тепловой конвекции и обсадных труб на температурное поле в скважинах // Тепловые потоки из коры и верхней мантии. М., Наука.1973. № 12. C. 99-106. |
| 17. |
Девяткин В.Н. Влияние естественной конвекции на температуру в вертикальных скважинах //Экспериментальные исследования процессов теплообмена в мерзлых горныхпородах. М., Наука, 1972. C. 127-142. |
| 18. |
Казанцев С.А., Дучков А.Д. Аппаратура для мониторинга температуры и измерения теплофизических свойств мерзлых и талых пород // Материалы международной конференции «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения». Тюмень, ИКЗ СО РАН, 2008, С.236-239. |
| 19. |
Zbilut J., Giuliani A. and Webber C.,. Detecting deterministic signals in exceptionally noisy environments using crossrecurrence quantification//Phys. Lett. A, 1998b.V. 246. P. 122?128. |
| 20. |
Eppelbaum, L.V. and Kutasov, I.M., Estimation of the effect of thermal convection and casing on temperature regime of boreholes - a Review// Journal of Geophysics and Engineering. 2011.8. R1-R10. |
| 21. |
Остроумов Г.А. Свободная конвекция в условиях внутренней задачи. Гостехиздат. Москва-Ленинград. 1952. 286 с. |
| 22. |
Гершуни Г. Э., Жуховиций Г. М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости.1972.М.:Наука. 393 с. |
| 23. |
Ананьев П.А., Волков П.К. Естественная конвекция в канале и цилиндре при нагреве снизу // Математическое моделирование.2004. Т.16. N.1. С. 89-100. |
| 24. |
Mallinson G.D., G.de Vahl Davis. Three-dimensional natural convection in box: a numerical study //J. fluid mechanics.1977.V.83.part1. P. 1-31. |
| 25. |
Hirasaki G.J., Hellums J.D. A general formulation of the boundary conditions on the vector potential in three dimensional hydrodynamics // Quart. App. Math. 1968. V. 16, N. 3. - P. 331-342. |
| 26. |
Aziz K., Hellums J.D. Numerical solution of the three-dimensional equations of motion for laminar natural convection // Physics of the fluids. 1967. V.10. N.2. P. 314-324. |
| 27. |
Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука. 1989. 616 с. |
|
|
