天津大学动力工程学内燃机燃烧数值模拟好吗

1、首先要建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型。

具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。牛顿型流体流动的数学模型就是著名的纳维—斯托克斯方程（简称方程）及其相应的定解条件。

2、寻求高效率、高准确度的计算方法

由于人们的努力，目前已发展了许多数值计算方法。计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这些过去被人们忽略或回避的问题，现在受到越来越多的重视和研究。

3、开始编制程序和进行计算

实践表明这一部分工作是整个工作的主体，占绝大部分时间。由于求解的问题比较复杂，比如方程就是一个非线性的十分复杂的方程，它的数值求解方法在理论上不够完善，所以需要通过实验来加以验证。正是在这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。应该指出这部分工作决不是轻而易举的。

扩展资料：

数值模拟的发展史：

1955年Peaceman与Rachford研发的交替隐式解法(ADI)是数值模拟技术的重大突破。该解法非常稳定,而且速度快，所以迅速在包括石油,核物理，热传导等领域得到广泛应用。1958年Douglas,Jim和Blair,P.M第一次进行了考虑毛管压力效果的水驱模拟。

60年代数值模拟技术的发展主要在数值解法，第一个有效的数值模拟解法器是1968年Stone推出的SIP(Strong Implicit Procedure)。该解法可以很好地用来模拟非均质油藏和形状不规则油藏。

Stone在70年代发表了三相相对渗透率模型，由油水和油气两相相对渗透率计算油、气、水三相流动时的相对渗透率，该技术现在还广为应用。70年代另一项主要成就是Peaceman提出的从网格压力来确定井底流压的校正方法。

参考资料来源：百度百科—数值模拟

（一）研究现状

地下多相、多组分流体运移数值模拟是在质量和能量守恒的基础上，建立的多相流体运动以及反映地球化学运移扩散的数学模型，通过离散建立大量的线形或非线形方程组，然后利用计算机计算求解，再通过图像显示模拟结果，达到对工程问题和物理问题乃至相关其他问题研究的目的。CO2地质封存数值模拟就是利用计算机模拟的方法，来解决CO2进入地质封存系统后运移、转化、水-岩-气之间的相互反应、CO2泄漏对浅部含水层影响及诱发的储盖层物性变化等一系列问题，从而指导CO2地质封存工程的实施。

目前，国内外已开展的关于CO2地质封存数值模拟的研究工作包括以下几个方面：

1.超临界CO2-水多相流体运动模拟

Pruess等（2003）模拟了均质各向同性咸水含水层中以恒定流量灌注CO2条件下，灌注井井周非等温径向流情况。当忽略重力和惯性力效应时，模拟结果中存在相似变量ζ＝R2/t（其中，R为径向流动距离，t为时间），CO2饱和度、溶解CO2质量分数、沉淀盐的体积分数及流体压力都是相似变量的函数。这与O' Sullivan（1981）及Doughty和Pruess（1992）的结果一致。两相流的模拟考虑了CO2和水的相对渗透率及毛细管力作用问题（Van Genuchten，1980），考虑了流体密度、黏度和CO2溶解性随压力、温度和含盐度的变化，以及盐的沉淀导致含水层渗透率的减小等因素。

Doughty和Pruess（2004）利用Fro咸水含水层封存CO2监测资料，反推了CO2灌注后发生的物理和化学过程。他们采用TOUGH2数值模拟软件对两相（液、气）三组分（CO2、水和溶解NaCl）系统进行模拟。考虑15MPa和65℃条件下，超临界CO2在咸水中为非混溶流体，并能部分溶解于咸水的情况，分析了多相流系统边界设定的影响及相对渗透率取值问题，即模拟中对侧向边界的设置为均开（或均闭），结果导致压力的模拟结果与实际相比过低（或过高）。研究表明，由于上覆断层对CO2的封堵作用，侧向边界对CO2弥散羽的影响不大。模拟结果还显示，相对渗透率函数对CO2弥散羽的演化有很强的影响。如何确定一个合适的相对渗透率以表征CO2灌注咸水含水层的变化，仍是亟待解决的问题。Doughty和Pruess模拟了两种CO2残余饱和度条件下的CO2羽扩展随时间的变化，发现存在较大差异。残余饱和度较大的情况下，CO2羽表现出紧缩状，在浮力作用下运移较慢；相反，在残余饱和度较小的情况下，CO2羽流弥散很快，溶解性显著提高。

2.多组分反应地球化学运移模拟

水-砂岩-CO2相互作用往往形成一系列次生矿物，或次生矿物组合。Worden et al.（2006）通过岩石学和CO2灌注长石砂岩的地球化学模拟表明，北海Magnus油田上侏罗统浊积亚长石砂岩中的铁白云石、高岭石和石英可能具有成因联系。其中，铁白云石中的碳来自有机成因的CO2。Watson et al.（2004）通过CO2气与CH4气储集砂岩的比较岩石学研究，证实澳大利亚Otway盆地Ladbroke Grove CO2气储集砂岩中与CO2气灌注有关的次生矿物组合为铁白云石-高岭石-次生石英。

Xu et al.（2005）利用一维砂岩-页岩系统模型模拟了储层中灌注的CO2与矿物发生的化学反应过程，以及对储层环境的影响。模拟显示，在砂岩环境下，CO2主要被方解石所固定，而方解石的沉淀导致孔隙度减小，进而导致渗透率相应减小。10万年间，砂岩封存能力达到90kg/m3的封存能力，这些被矿物固定下来的CO2可以永久封存。Zwingmann等运用地球化学模拟软件EQ3/6进行的水-矿物-CO2相互作用模拟也表明，若将CO2灌注到日本本州岛中北部新潟盆地更新世灰爪组砂岩，CO2以溶于水和形成碳酸盐矿物两种形式封存，其中后者封存量最大为21.3mol/kgH2O，可达总封存量的90％，形成的碳酸盐矿物中也出现了片钠铝石。

3.耦合岩石力学模拟

从目前发表的论文及各国研究计划的综合报告上看，在CO2咸水含水层封存研究方面，对于CO2运移机制的分析和模拟很少考虑应力场的耦合作用。事实上，CO2灌注压力和超临界CO2的浮力作用将改变地层应力状态，即CO2在上浮运移和侧向扩散过程中，孔隙压力可能会对原始裂隙和断裂产生影响；CO2在咸水含水层中的长时期（千年级尺度以上）的封存，将改变含水层的地球化学状态，CO2-咸水-含水层矿物的化学作用将可能导致岩体力学和水力学性质发生变化。

日本因位于4大板块交界处与环太平洋构造带中，活断层密集发育，地震频繁，地应力分布复杂，在CO2地质封存评价方面，非常重视CO2地质封存的力学稳定性研究（李琦等，2002；李小春等，2003）。李琦等（2002；2004；2006）提出了一个考虑初始地应力场、灌注压力、CO2浮力及含热传导作用的热-水-力（THM）耦合模拟框架，考虑盖层底部附近存在不同倾角断层的二维平面应变地质封存问题。采用有限元算法，对灌注CO2流体对断层稳定性的影响进行模拟分析。计算结果表明，为了避免断层位移需要特别注意对灌注压力的控制，因为CO2灌注压力对断层滑动的影响远大于CO2羽流浮力带来的影响。停止灌注CO2后，CO2羽流的上升则成为应力场扰动的主要因素。

（二）主要软件介绍

近年来，计算机模拟技术在许多研究领域得到了广泛的应用，开发出了许多优秀的模拟软件和程序。同样，可用于研究CO2地质封存的数值模拟软件也很多，主要有PHREEQC、GEM、ECLIPSE、TOUGHREACT、PetroMod、MUFTE-UG和NUFT等，它们都有各自的特点和适用性。在进行数值模拟之前，需对这些数值模拟软件进行评价分析，选择适用于所研究问题的模拟软件。现对国际上常用的几款软件简介如下。

1.PHREEQC

PHREEQC是一款用于计算多种低温水文地球化学反应的计算机软件。以离子缔合水模型为基础，PHREEQC可完成以下任务：(1)计算物质形成种类与矿物的溶解饱和指数；(2)模拟地球化学反演过程；(3)计算批反应与一维运移反应。另外，与多组分溶质-运移模型耦合的PHREEQC可生成PHAST，一个用于模拟地下水流系统的三维反应-运移模拟器。但由于PHREEQC是在单相水流的基础上建立的模型，因而不能模拟超临界CO2-水的两相流运动。

PHREEQC最简单的应用就是计算溶液中各种化学物质的分布，以及溶液中矿物与气体的饱和状态。反演模拟功能可推导和量化在流动过程中，能够反应化学物质变化的化学反应方程。PHREEQC可处理的反应方程包括建立矿物、表面配合物、阳离子交换剂、土壤溶液、气体组分单位分压、给定压力或给定体积气相间平衡的物质运移反应。在模拟这些均衡反应的同时，PHREEQC还可以模拟动力化学与生物反应，以及模拟从简单的线性衰变（代谢物降解或放射性衰变）到复杂的依赖于溶液化学组成和微生物数量确定的反应速度。这些反应处理功能可在批反应模拟或一维对流、弥散、反应型运移模拟中使用。

2.GEM

GEM v.2009.13（Nghiem et al.，2004）是一款用来模拟利用CO2和酸性气体提高石油采收率的模拟器，该模拟器完全耦合了地球化学组成状态方程。GEM采用一步求解法进行状态方程的求解。GEM可以用来模拟：对流和弥散流体、油（或超临界CO2）、气和咸水间的平衡、水相物种间的化学平衡，以及矿物的动态溶解和沉淀。该模拟器采用自适应的隐式离散技术利用一维、二维或者三维模型来模拟孔隙介质中溶质的运移。油相和气相用一个状态方程来模拟，气体在水相的溶解度采用亨利定律模型来计算。水通过蒸发进入到气相、盖层的穿透、热效应和裂隙的封闭作用也可以利用GEM来模拟。

3.ECLIPSE

ECLIPSE是一个并行化的可以模拟黑油、组分、热采等问题的成熟软件。1994年，胜利石油管理局引进了ECLIPSE油藏数值模拟串行软件，广泛开展了从油藏到气藏，从常用油田到特殊油气田、从常规模拟研究到特殊模拟研究等多方面的应用。主要模块有主模型、黑油、组分、热采、流线法、运行平台和ECLIPSE Office等。

ECLIPSE是一个商业软件，在使用中其内核部分是封闭的，使用者只能将其作为一个“黑箱”来操作。其不足之处有：不可能免费的获得和随意地使用和修改；无法耦合最前沿的地质流体热力学模型；无法加入更多影响因素来研究具体问题。因此，ECLIPSE不适宜用于前沿科学研究。

4.TOUGH2/TOUGHREACT

TOUGH2是Transport of Unsaturated Groundwater and Heat（非饱和地下水流及热流传输）的英文缩写，是一个模拟一维、二维和三维孔隙或裂隙介质中，多相流、多组分及非等温的水流及热量运移的数值模拟程序。TOUGH2使用积分有限差分（Integral Finite Differences，IFD）（图3-8）的方法来解决多相流动和多组分化学运移模拟中的空间离散化问题（Pruess et al.，1999s；Xu et al.，2004）。为了满足大规模计算需要，Zhang et al.（2008）开发了TOUGH2的平行计算版本，即TOUGH2-MP。

该方法在对地质介质的离散化上是比较灵活的，允许使用不规则的网格，十分适合对多区域非均质系统和裂隙岩石系统中流体流动、运移和水岩相互作用的模拟。而对于规则的网格剖分，积分有限差分方法相当于传统的有限差分法。其中，对于任意区域Vn，它的质量（对于水、气体和其他化学组分）和能量（对于热）守恒方程可以用积分的方式（式3-5）表达：

图3-8 积分有限差分法中的空间离散化和几何参数数据构成图

中国二氧化碳地质封存选址指南研究

式中：下角标n为表示一个单元格；下角标m为表示和单元格n互相连接的网格m；Δt为时间步长；Mn为单元格n的平均质量或能量密度；Anm为单元网格n和m交界的面段；Fnm为通过面积为Anm的质量或能量通量；qn为单元格n内单位体积的平均源汇率。

许天福等（1998）在TOUGH2的框架基础之上，增加了多组分溶质运移和地球化学反应的模拟功能，形成了一套较为完善的可变饱和地质介质中非等温多相流体反应地球化学运移模拟软件——TOUGHREACT。该软件不仅包括了TOUGH2的全部功能，而且适用于不同温度、压力、水饱和度、离子强度、pH值和氧化还原电位（Eh）等水文地质和地球化学条件下的热-物理-化学过程。还可以应用于一维、二维或三维非均质（物理和化学的）孔隙或裂隙介质中的相关数值模拟研究。在理论上可以容纳任意数量的以固相、液相或气相存在的化学组分（但是在实际模拟中会受到计算能力和计算时间等硬件条件的限制），并且考虑了一系列化学平衡反应，如溶液中的配合反应、气体的溶解或脱溶、离子吸附作用、阳离子交换及受平衡控制或反应动力学控制的矿物溶解或沉淀反应等。可以说TOUGHREACT、是TOUGH2的升级版，近年来在世界范围内CO2地质封存研究和工程实践中得到了广泛的应用。

除包含TOUGH2所有的功能外，TOUGHREACT还可以应用于一系列的反应性流体和地球化学迁移问题。比如：(1)伴随Kd线性吸附和放射性衰变的污染物迁移问题；(2)在周围环境条件下，自然界中地下水的化学演变；(3)核废料处置地点评估；(4)深部岩层的沉积成岩作用；(5)CO2地质处置。多相流体运动，多组分反应地球化学，各种封存形式封存量以及随时间空间变化；(6)矿物沉积（如表生铜矿富集）；(7)自然和补给环境下热水系统中的矿物变化。

通过最近几年相关研究者的不懈努力，TOUGHREACT在实际应用中得到了进一步完善和提高，增加了部分新功能，如水相内部反应动力学和生物降解作用，改进了矿物-水反应表面积计算方法，以及气-水反应中气的活度系数的修正等。

5.PetroMod

由德国IES（Integrated Exploration System）公司研究开发的PetroMod多组分、多相态的多维含油气系统模拟软件综合平台已被世界石油业所公认。该软件融入了断层活动性、盐丘上涌和刺穿、火山岩的侵入、气体扩散效应、油气水三相运移和油气吸附模型等相关技术。

该模拟软件平台推出和采用的油气运移组合模拟算法（Hybird）是当今最先进的油气运移模拟算法，既可以保证模拟的精度，又可以极大地提高模拟的运算速度。其中的PetroFlow3D用于油气运移、聚集、圈闭和散失等情况的模拟，同时PetroCharge Express为我们提供了基于图件的油气运移和圈闭模拟的快速分析工具。

6.MUFTE-UG

MUFTE-UG是MUFTE和UG.MUFTE的结合。MUFTE即多相流（Muliphase Flow）、运移（Transport）和能量（Energy）模型。该软件包主要包括物理模型概念和孔隙裂隙介质中等温和非等温多相多组分流动和运移过程的离散方法（Helmig，1997；Helmig et al.，1998）。它能对裂隙孔隙介质进行离散性描述（Dietrich et al.，2005）。UG是非结构性网格（Unstructured Grid）的缩写，它提供的数据结构能快速解算以平行、自适应多网格法为基础的离散型偏微分方程。具有模块化结构的MUFTE-UG很容易解决各种有特殊要求的问题。

模块化结构的MUFTE-UG具有许多不同的环境与技术应用。例如，在环境应用领域，MUFTE-UG能够模拟如下两个问题。

（1）NAPL（非液相流体）向饱和与非饱和土壤的渗流。优化改进的修复技术在MUFTE中具有广泛的研究和发展空间。

（2）地下CO2的消散。CO2以高温高压灌注地表以下几百米的地层中，MUFTE-UG可用于非均质含水层（对流和弥散运移）中羽状体演化评价，伴随温度效应（由于膨胀和压缩）和组分间相互溶解（卤水和CO2）。

7.NUFT

NUFT（Nonisothermal Unsaturated-Saturated Flowand Transport model）是一套用来解决在多孔介质中多相、多组分非等温流动和溶质运移过程中地下污染物运移的数值解法器。此软件利用简单的代码来利用通用的实用程序和输入文件的格式。最近，此代码在Unix和DOS系统下运行成功。

该程序利用一套完整的有限差分空间离散法求解平衡方程组。每一个时间步长内利用Newton-Raphson方法求解非线性方程组，而在每一步迭代过程中利用直接解法和预共轭梯度法求解线性方程组。该模型可以解决一、二和三维水流及溶质运移问题。将来该模型会耦合进毛细滞后、非正交网格离散、有限单元剖分和固体非线性等温吸附等功能。

（三）研究方法

通常情况下，CO2地质封存数值模拟包括以下主要过程。

（1）建立概念模型：根据各种方法获取的实际资料来概化和建立CO2地质封存概念模型，包括边界范围、地层或储盖层高程、储盖层确定、参数及分区、源汇项、主要物理化学过程以及模型维度（一维、二维和三维）。

（2）建立数学模型：建立一套描述深部咸水层中多相流动和多组分反应性溶质运移的偏微分方程组，包括初始条件和边界条件问题。

（3）模型离散化：把概念模型中的各种信息通过网格剖分进行离散，形成大量的网格单元，然后通过有限差分、有限单元和积分有限差分等方法转化成单元的质量和能量守恒方程组，再用多种方法将非线性方程组线性化，形成线性代数方程组，然后求解方程组。

（4）模型识别和校正：根据模型计算结果和实际监测数据进行对比拟合，适度合理调整参数，使模型能够综合反映实际情况。在历史拟合过程中出现较大误差，应重新检查概念模型，修正概念模型。对所建模型进行参数敏感性分析，对于较敏感的参数应该慎重选取，甚至需要做大量的试验来确定。

（5）模型预测：建立了可靠的模型后，便可以进行模拟预测。

数值模拟的关键是地质模型概化、计算精度和计算速度。由于计算的精度取决于离散的程度，而离散的程度又决定了计算的速度，这是一对矛盾，要根据解决问题的需要来选择离散化的程度和计算速度。

CO2在储层中的运移、溶解以及与围岩的化学反应形成了一个多相、多组分的反应体系，涉及的主要数学方程有超临界CO2-水的两相流体运动控制方程、溶质运移控制方程和化学反应方程等。建立数值模型时，通常采用有限差分法、有限元法和积分有限差分法等。

由于实际应用时多采用已有的数值模拟软件对CO2地质封存的某一过程进行模拟，不涉及软件的开发及程序代码的编写，只需根据研究的需要选择合适的软件进行模拟预测，而软件一旦选定，数学模型和数值模型基本上已经确定。

不同的软件进行数值模拟时所需的参数、计算方法、剖分格式等不尽相同，数值模拟的过程也不同，但大致相同，本文以TOUGHREACT为例介绍CO2地质储存数值模拟的流程。

（一）研究范围的确定

一般情况下，独立的天然水文地质系统是计算区最好的选择，它具有自然边界，便于较准确地利用其真实的边界条件，避免人为边界在资料提供上的困难和误差。但是在实际工作中，常常不能完全利用自然边界，这就需要充分利用勘察和长期观测资料等建立人为边界。在确定计算区域时，除了保证范围足够大以外，还应使假定的边界条件尽可能接近真实状态。

计算范围的划定应充分考虑研究目的、区域地质构造、储层岩性、储层岩石矿物组成及地下水化学成分等多方面因素。数值模拟时间根据研究目的不同具有不同的时间尺度。就CO2地质储存数值模拟而言，如果不考虑地球化学作用，封存系统在1000年数量级的模拟时间内基本上已达到平衡或稳定。在划定边界时还应考虑CO2在储层中的扩散距离，与研究区地质模型的孔隙度，渗透率等参数关系密切。为了保证所选模型范围边界在模拟期内不影响模拟结果，尽量通过具有相同地质条件的天然CO2气田（藏）进行类比，确定大体的计算范围的边界。如果考虑地球化学反应，由于CO2注入引发的水－岩－气反应对围岩岩性改变较显著，制约着CO2注人的速度和径向运移的距离等。

（二）明确研究目的

在进行数值模拟以前首先要明确利用数值模拟技术要解决什么样的问题。对于CO2地质储存工程而言，进行数值模拟的目的主要是在CO2地质储存工程实施前，通过数值模拟技术对工程的选址、方案设计进行优化，工程实施期技术指导、运行期监测及后期CO2泄漏的风险评估等进行预测，以指导项目科学、合理地实施，将CO2泄漏风险降至最低。

研究目的决定着前期资料的收集类型、地质建模的侧重点、地质模型离散的精密度以及初始、边界条件的处理方式等过程。

（三）资料的收集整理

1）通过遥感、综合地质调查、物探、钻探和各类样品测试分析等手段获取场地深部地层岩性、地质构造、水文地质、水文地球化学、岩石矿物资料和数据；

2）搜集和分析CO2地质储存场地地质岩性、区域构造格架、活动断层与地震活动情况等；

3）采用钻井岩心、测井和地震反射方法，调查CO2地质储存场地目标储层和盖层的空间分布形态，埋深、厚度和规模等；

4）使用X射线衍射、扫描电镜等方法研究分析封存场地岩石矿物组成、孔隙结构特征及其物理化学性质；

5）通过采取浅部、深部含水层水样进行水质全分析，获得储盖层地层水及浅部含水层初始水化学成分。

不同的数值模拟软件其数学模型的数值解法不同，空间离散方式也不尽相同，所需的模型参数也有一定的差异，表9-1即为TOUGHREACT数值模拟所需要的主要参数。

表9-1 CO2地质储存模拟过程中需要的主要参数（以TOUGHREACT为例）

（四）概念模型的建立

利用所掌握研究区的地形地貌、气象水文、地层岩性、地质构造、水文地质、水文地球化学等资料，根据研究目的初步建立地质模型雏形。为了解决实际问题，往往要对所建模型及初始条件、边界条件等进行必须要的概化，概化内容包括：

1）含水层系统结构的概化：应依据含水层的类型、岩性、厚度、渗透系数等，将内部结构概化为均质、非均质各向同性或者异性的含水层；

2）侧向边界和顶，底部边界的概化；根据研究区边界的划定，将侧向边界和顶、底部边界概化为一、二和三类边界条件；

3）根据所要解决问题的难易程度，将地质模型概化为一维、二维或者三维模型，并进行合理精密级的网格剖分；

4）源汇项的处理：储存库一般位于地表800m以下，上覆有致密的盖层岩石，CO2难以通过越流方式得到补充和排泄，在理想的条件下整个地质储库系统的CO2通过径向对流或抽取井的方式得到补充和排泄。

（五）模拟方案的设计

针对不同的研究问题，可以根据设计者技术水平、场地经验等设计出不同的方案。利用数值模拟技术对多种方案进行模拟分析，评估方案实施的可行性，并对方案进行优化，最终得出经济、合理的方案。如进行CO2灌注场地的遴选时，要对几个目标场区进行灌注能力，储存潜力、CO2在储层中的扩散速度及距离以及后期CO2泄漏风险等环节进行模拟，然后对模拟输出的数据进行后期处理。通过分析、统计这些数据确定最佳的灌注场地，同时合理划分储盖层的层位、厚度等。对场区灌注能力和储存潜力评估是数值模拟技术所能解决的CO2地质储层领域的又一难题。不同的灌注方式导致CO2进入储层的速度、流量等不同。根据设计者所设计的所有可行的注入方式进行模拟，分析比较不同方案下注入能力和注入量的大小，确定最优的灌注方式。

模拟方案的设计要根据研究问题不同视情况而定，而且方案设计的合理与否依赖于设计者自身理论和实际场地经验，不同的研究着对于同一个问题可能设计出不同的方案。我们可以针对这些方案建立不同的模型，通过模拟技术判断其合理性与可行性，最后确定最佳的方案。

（六）数值模型及模拟软件的选择

数值模拟的关键是地质模型概化、计算精度和计算速度。由于计算的精度取决于离散的程度，而离散的程度又决定了计算的速度，这是一对矛盾，要根据解决问题的需要来选择离散化的程度和计算速度。

CO2在储层中的运移、溶解以及与围岩的化学反应形成了一个多相、多组分的反应体系，涉及的主要数学方程有超临界CO2－水的两相流体运动控制方程、溶质运移控制方程和化学反应方程等。在建立数值模型时，通常采用的方法有有限差分法、有限元法和积分有限差法等。

由于实际应用时多采用已有的数值模拟软件对CO2地质储存的全过程进行模拟.不涉及软件的开发及程序代码的编写，只需根据研究的需要选择合适的软件进行模拟预测，而软件一旦选定，数学模型和数值模型基本上已经确定。以TOUGHREACT为例，基于上述所建的概念模型建立数学模型。气相和液相统一的偏微分方程为（9-1），咸水的偏微分方程为（9-2），超临界方程为（9-3）。方程中所涉及的相关字符和角标见表9-2。

二氧化碳地质储存技术方法概论

二氧化碳地质储存技术方法概论

表9-2 数学模型中所涉及的符号的意义

（七）数值模型的建立

1.网格剖分

建立了地质模型以后要对研究区离散化，即进行网格的剖分。首先确定离散点，即把所研究的区域按照某种几何形状（如矩形、任意多边形等）分割成网格系统。研究区的边界可以用最接近它的格线近似表示。当网格划分得足够小时，曲折的格线也能够很好地刻画出边界的形状。此过程又称研究区域的离散化（剖分）。在离散化时要遵循以下两条基本原则。

1）几何相似。要求物理模拟模型从几何形状方面接近真实被模拟体。

2）物理相似。要求离散单元的特性从物理性质方面（含水层结构、水流状态）近似于真实结构在这个区域的物理性质。

网格类型大体上可分为规则和不规则两种。规则网格剖分包括矩形、三角形和其他规则图形的剖分（图9-3），而不规则网格则包括不规则多边形等。网格的形状主要根据研究区形状而定。

图9-3 网格剖分

网格剖分对计算的精度及计算的效率有很重要的影响。精度越高对模拟结果刻画的越精细，但是数据的计算量越大，对计算机的要求也越高。建议在进行地质模型剖分时先采用较粗的网格剖分，如果这种剖分方式下模拟结果合理然后再进行精细化剖分，用于对模拟结果更加详细的刻画。

2.参数和初始条件

初始条件是指在初始时刻（t=0）时研究区内求解数学模型主要状态变量的初始值。选择的应用软件不同所需的状态变量数量、种类不同。如TOUGHREACT所需的初始主要状态变量包括压力、温度和组分浓度的空间分布。地质参数包括孔隙度、渗透率、密度、压力、温度、毛细压力等参数值。这些数值一部分采用室内实验测得，另一部分采用参考文献的经验值；地层水的化学成分的初始值采用实际地层水的化学分析，主要是8大离子的浓度、盐度和pH 等。如果研究区深部地层中的水样难以获得，如盖层，则采用静态平衡的方法，利用具有与储层相同盐度的咸水与含有原生矿物的地层岩石在原地层环境下进行化学反应，获取平衡状态下的地层水化学成分的初始值；通过岩矿分析、电子扫描、Ⅹ衍射等手段，获得组成CO2地质储层盖层的原生矿物成分体积含量初始值，并根据原生矿物的组成合理判断次生矿物。

从原则上讲，初始时刻是可以任意取定的，只要该时刻所需的参数和状态变量值已知即可。因此我们不应该把初始条件理解为研究系统的初始状态。具体如何取，应该视问题的需要、资料来源、计算方便与否等因素而定。

3.边界条件

边界条件是某一实际问题数学模型具有定解的必要条件之一。地下水流问题和溶质运移问题边界条件的定义不尽相同，但一般概化为以下三种。

（1）一类边界条件（Dirichlet条件）

解决水流问题时，此类边界条件为在边界上所有点的水头是给定的；对于溶质运移问题，一类边界条件是指研究区边界上的溶质浓度分布已知。解决CO2—水两相流动问题时，此类边界条件为在边界上所有点的压力是给定的。

（2）二类边界条件（Neumann条件）

当已知某一边界的单位面积流入或流出的流量时，可视作解决流动问题的二类边界；相对溶质运移来讲，此类边界又称给定弥散通量边界，即边界上的弥散通量随时间变化规律已知。

（3）三类边界（Cauchy条件）

当研究区一部分满足一类Dirichlet条件，而另一部分满足二类Neumann条件时，这类问题称为混合边界问题，称为三类边界。对溶质运移而言，此类边界为边界上溶质通量随时间变化规律已知。

在CO2地质储存数值模拟过程中，由于储层地层多在800m以下，地质模型的顶部和底部根据实际需要可以处理为不透边界；为了避免边界对模拟结果的影响，研究区的范围一般比实际CO2所能运移到的范围大得多，因此，在处理四周边界时一般设置为无穷一类边界或不透边界。在确定边界条件时，应根据水文地质条件以及现有的资料来综合考虑。

4.源汇项处理

在多孔介质中流动和溶质运移的问题中，对流、水动力弥散和溶质源或／和汇，是决定含水层中任一内点上溶质质量时变率的两大因素。源汇项问题在水质与水量计算中以及正确处理对流－弥散方程和渗流基本微分方程中占有重要地位。作为源汇项的方式很多，如越流补给、含水层弹性释放补给以及抽（注）井的补给等。

对于深部咸水层CO2地质储存系统而言，系统的顶部一般为具有低渗、低孔的泥岩、页岩等致密性岩层，越流补给较难发生。整个CO2地质储库系统的源汇项主要指对流（如侧向边界）和抽（注）井。

（八）模型的校正与验证

模型识别是建立地下流体数值模型最重要的环节之一，正确理解和进行拟合对于提高数值模型的仿真性是至关重要的。在有实测结果的情况下如示范工程，可将模拟结果与实测结果进行比较，对相关参数进行适当合理的调整，使模拟结果在给定的误差范围内与实测结果吻合。若误差较大，应该重新检验概念模型的可靠性，甚至重新建立概念模型。在识别校正以后，应采用校正好的模型继续计算，并与未用来识别校正的实际数据比较，验证模型的准确性和可靠性。若存在较大误差，需重复前面的过程。在没有实测结果的情况下，数值模型的可靠性可通过类比相关资料或根据个人经验和理论判断。

（九）模拟预测

模型预测是实施数值模拟技术的主要目的。对于CO2地质储存工程而言，由于CO2地质储存技术的提出为时尚短，针对CO2在深部咸水层中的运移、扩散、与地层水和围岩产生的化学反应，以及由于CO2灌注引起的储盖层物理、化学性质变化研究均处于研究和发展阶段。因此，在工程实施过程中急需具有技术指导性的工具产生，避免造成投资的浪费和CO2泄漏等风险的出现。

利用经过识别校正与验证过的数值模型对CO2地质储存过程进行模拟预测，有针对性地对模拟数据进行后期处理，如统计分析、比较等手段对结果进行解译，以此达到场地的优选，目标储层灌注能力、储存潜力的评估，CO：扩散运移途径和速度、不同捕集方式封存量及它们之间的时空转化等过程的详细刻画与模拟仿真等目的。同时可以预测CO2在已有、重新激活或新生成的裂隙中逃逸的可能性及时间、CO2泄漏风险评估以及评价CO2泄漏对浅层地下水的水质、水量及对地表环境的影响等。

上述结果的分析只是数值模拟技术所能解决问题的冰山一角。对于数值模拟结果的处理要根据所研究的目的进行有针对性的提取和解译。通过对处理后的数据进行总结分析，发现问题从而解决问题，并掌握内在规律，为CO2地质储存工程的前期设计、工程实施、中期监测管理提供理论支持和科学的技术指导，并可以提前开展风险预测，尽早制定预案防范CO2地质储存工程实施及运行过程中可能出现的隐患。

1．能源及环境是目前世界各国头等重大的社会问题。我国现有能源利用效率和环境保护存在着很多问题。实现能源、经济、环境的可持续发展是我国面临的重要选择。如何培养适应上述21世纪社会需要的能源动力类专业人才，是每个大学相关专业以及每位从事能源类专业教育工作者需要解决的重要问题。

2。钢铁工业的快速发展，使能源资源和环境面临着重大压力。使能源消耗和冶金技术进步相协调，是在发展中首要解决的重点问题之一。因此适用于我国钢铁工业快速发展的高质量的热能与动力工程专业人才培养尤为重要。本专业在我国高等教育和国家经济建设中的重要地位。

3．热能与动力工程专业涉及到传统工业，同时使环境科学、生命科学、信息科学、材料科学等相融合，相交叉，相渗透，揭示了专业交叉的优势，也突出了特色和创新。能源和资源的开发转化，利用水平和应用技术与本专业发展息息相关。建设好热能与动力工程专业，是我们的一项重要任务。

4．在我省高校中，除东北大学、大连理工大学外，我校热能与动力工程专业具有较长办学历史。在专业建设过程中，得到热能院、东大、北科大及鞍钢等企业的支持和协助。本专业的发展迅速，在省内有很好的学术声誉。本专业具有年龄结构合理的师资队伍；具有热能工程、动力工程、制冷与低温技术及热工测量及自动化4个专业方向，面向能源资源和环境发展的现代化工业建设。

5．热能与动力工程专业是辽宁科大重点建设专业之一。该专业在教育部下发的教字（2000）10号文件的“关于公布国家管理的专业点名单的通知”中，被列入国家管理专业。在专业基础上，现有2个硕士点，研究方向不断拓宽，现有的冶金热工技术、系统节能、热工过程自动化、能源及环保工程、低温技术等方向引入本专业，使研究方向突出特色。

6．热能与动力工程专业的特点：（1）专业与环境问题的密切相关性；（2）不同学科间的高度交叉性。（3）对国家政策法规及发展计划的依赖性。（4）基础知识的广泛适用性。（5）专业方向的对口性。示范性专业的理论和实践，对指导专业建设具有重要的意义。

随着热能与动力工程专业建设的不断深入和扩展，越加显示出本专业在我国高等教育和国家经济建设中的重要地位。热能与动力工程专业不仅涉及到传统工业，同时使环境科学、生命科学、信息科学、材料科学等相融合，相交叉，相渗透，揭示了专业交叉的优势，也突出了特色和创新，具有重要意义。热能与动力工程专业的发展和建设对人类社会进步和经济发展及人类的生活质量具有重要影响，能源和资源的开发转化，利用水平和应用技术与本专业发展息息相关。我国热能与动力工程专业发展水平不均，与国际先进国家相比，存在一定的差距，发展和建设好热能与动力工程专业，是我们面临的重要任务。

我校地处全国工业大省的钢都，热能与动力工程专业在研究领域有广阔的应用基地和服务对象。面对辽宁重工业基地的振兴和大中国有企业的技术改造和技术创新，热能与动力工程专业发展建设也具有特殊的意义。因为本科涉及到冶金、机械、化工、轻工、航空、电子、能源、交通等各行业，在这些行业中。本专业的方向和领域对其发展起着重要的促进作用。

在我省高校学科布局中，除东北大学、大连理工大学的热能与动力工程专业之外，在普通高校中，我校热能与动力工程专业，是具有较长办学历史的专业。在专业建设过程中，得到中钢集团鞍山热能研究院、东北大学、北京科技大学及鞍钢等企业的支持和协助。我校热能与动力工程专业的发展迅速，在省内得到了很好的学术声誉，并取得较大的成就。本学科具有年龄结构合理的师资队伍，形成以老带新，以中青年为主体的学术梯队队伍。本专业具有热能工程、动力工程、制冷与低温技术及热工测量及自动化4个专业方向，面向能源资源和环境发展的现代化工业建设。

热能与动力工程专业是鞍山科大重点建设和新兴的特色专业之一。热能与动力工程专业在教育部下发的教字（2000）10号文件的“关于公布国家管理的专业点名单的通知”中，被列入国家管理专业。在热能与动力工程专业基础上，现有2个能源动力类硕士点，研究方向不断拓宽，现在除保留原有的冶金热工技术和热工数值模拟的研究方向外，还将系统节能、热工过程自动化、能源及环保工程、低温技术等方向引入本学科，使研究方向具有实际意义和理论价值。热能与动力工程的专业建设。近年来专业方向调整及招生规模的扩大，教学和科技水平也相应进一步提高。热能与动力工程专业在辽宁省地区和冶金行业具有较高的声誉，本学科专业的发展能极大的促进地方经济建设和行业及企业的科技进步。从促进社会发展和科技进步的角度看，热能与动力工程专业建设具有重要意义。本专业的建设具有教学科研和社会服务等功能，它的建设具有创新性和地域特色，能为我国经济建设起到促进作用。

专业适应经济结构的调整、社会的全面进步和振兴老工业基地的需要，有利于促进先进生产力和先进文化的发展和建设新型国家的需求，能反映出专业的先进教育理念。

二、热能与动力工程示范性专业理论与实践项目解决的关键问题

热能与动力工程专业示范性专业建设项目的提出和实践过程，针对专业建设过程中出现的专业方向、专业定位、专业特色、专业师资队伍和教学基本建设等普遍存在的共性问题，结合现行的示范性专业标准和建设实践，旨在理清思路明确方向，处理好各种矛盾，做好评建工作，切实落实专业建设。

热能与动力工程专业示范性专业建设项目的提出和实践过程，拟解决和协调下述关系：

1. 热能与动力工程专业与环境问题间的密切相关性。 常规化石能源的使用是能源动力学科专业教学的主要内容之一，而常规化石能源的使用与环境问题密切相关。这些常规化石能源主要直接应用于火力发电，这会带来一系列严重的环境问题，比如硫氧化物、氮氧化物等的大气污染、固体废物、水污染和热污染等。因此，对能源动力生产过程中的这些环境问题必须进行妥善处理和控制，实现其环境友好化，才能保证人类的生存和社会经济的可持续发展。

2. 不同学科间的高度交叉性。能源动力学科的技术基础课程和专业课程涉及到多学科领域的知识，热能动力工程专业涉及到热学学科、力学学科、机械制造学科、自动控制及计算机学科和化学学科。为适应21世纪初我国能源学科发展的需要，应当在各专业课程的设置中，适当安排各个有关学科的知识。

3．基础知识的广泛适用性。节能是我国能源发展战略的重要组成部分，关于节能的知识不仅能源动力学科的学生应当掌握，也是几乎所有工科学生应当掌握的内容。这就要求不仅要做好本学科专业人才的培养，而且也应当承担起向所有工程专业的学生进行节能技术教学的任务。

4．专业方向的对口性。目前，我国的能源动力学科的不同专业方向服务于不同的工程技术领域，还多少带有产品专业的烙印。不仅在冷的方向与热的方向中，主导专业的工作机械与系统差别巨大（例如制冷机与发电厂），就是在同一个专业方向，例如热方向中，锅炉与气轮机就有很大的差别。因此对于旨在以零距离模式培养学生的专业与学校，密切关注当前经济发展以及行业发展的需要，使得学生能到对口的专业单位工作，及时充分发挥其专业特长，具有重要意义。急需解决以能源动力类宽口径专业人才培养与目前我国能源动力类大部分企业对专业人才的知识结构强调专门化要求之间的矛盾。

三、热能与动力工程示范性专业理论与实践项目的特色与创新

热能与动力工程专业示范性专业理论与实践的研究的特色是基于热能与动力工程专业示范性专业理论与实践的研究教学改革实践，将本专业人才培养的定位和培养模式的理论相结合，通过调查研究、比较研究、综合研究和解析研究的方法，构造适合专业培养环境的和社会经济发展需求的新的培养模式人才培养体系和框架结构，找出专业建设的差距。

热能与动力工程专业的人才培养模式是以应用型人才培养为主。注重厚基础和宽口径结合重实践重创新。社会不同领域、不同分工对本专业人才有着不同的需求，国家需要多层次、多类型的人才培养规格和模式。具体情况形成我校集中冶金领域特色辐射全国各个行业领域。专业培养规格主要分“研究型”和“应用型”两大类。我校重点培养“应用型”人才，培养计划的学时分配适当向传授专门应用技术的专业课倾斜，实践教育环节注重培养学生用专业知识的能力。考虑学生在宽厚基础上的专业发展，我校热能与动力工程专业分成以冶金等工业生产为重点，以热能转换与利用系统为主的热能动力工程及控制方向；以制氧动力机械和空调系统为主的制冷与低温技术方向；以电能转换机械工程为主的锅炉动力与流体机械方向；以热工测试调节和自动化控制为主的热工测试及自动化工程方向。这些专业方向突出了我校专业特色。按照专业规范要求在培养学生的素质方面要求思想素质、专业素质、文化素质、身心素质协调发展；在能力方面要求要有获取知识的能力、应用知识的能力、实践能力和创新能力齐备；在知识结构方面要求具有较好的工具性知识、人文社会科学知识、经济管理知识、自然科学知识、学科技术基础知识和专业知识。

指导教师

人

数

考试科目

备 注

002 热能动力工程系

080700 动力工程及工程热物理

43

①英日俄选一②[204]高等传热学③[205]高等工程热力学④[206]高等燃烧学⑤[207]高等气体动力学⑥[208]转子动力学⑦[209]等离子体物理

⑧专业综合

①⑧必选

设岗说明:导师根据对研究生科研工作情况考核结果，可在A+、A、B、C四个等级间动态调整助研岗位数

1．目标与环境红外热像理论建模

2．太阳能全光谱利用

3．气动与辐射耦合换热

谈和平

②③④⑤选一

助研岗位见设岗说明

1．传热反问题与反设计

2．辐射微尺度热物理过程

3．换热过程的多尺度分析

刘林华

②③④⑤选一

助研岗位见设岗说明

1．耦合换热过程与强化控制

2．红外系统热光学分析与设计

3．光热辐射的多尺度特性

夏新林

②③④⑤选一

助研岗位见设岗说明

1.辐射传输过程及热物性

2.目标与环境特性建模

3.微尺度辐射换热

阮立明

②③④⑤选一

助研岗位见设岗说明

1.辐射传输过程及反问题

2.再生能源的有效利用

李炳熙

②③④⑤选一

助研岗位见设岗说明

1.煤的燃烧与利用

2.燃煤烟气净化技术

3.燃烧过程中的两相流动

秦裕琨

②③④选一

助研岗位见设岗说明

1.煤的燃烧与利用

2.燃煤烟气净化技术

3.燃煤联产技术

吴少华

②③④选一

助研岗位见设岗说明

1．湍流两相流动与燃烧的数值模拟

2．流化床燃烧及气化

3．废弃物焚烧及资源化

陆慧林

②③④选一

助研岗位见设岗说明

1.煤的燃烧与利用

2.生物质利用

3.燃烧过程中的两相流动

孙绍增

②③④选一

助研岗位见设岗说明

1．流态化工程及循环流化床燃烧

2．超细煤粉燃烧的理论与技术

姜秀民

校外兼职

助研岗位见设岗说明

1.煤的燃烧与利用

2.燃煤烟气净化技术

3.燃煤联产技术

李争起

②③④选一

助研岗位见设岗说明

1.煤的燃烧与利用

2.热电直接转换技术

3.蓄热技术

赵广播

②③④选一

助研岗位见设岗说明

1．废弃物（生活垃圾、有机废液）焚烧无害化工程

2．循环流化床燃烧（含生物质废料的燃烧）

3．草浆造纸黑液流化床碱回收研究

别如山

②③④选一

助研岗位见设岗说明

1.动力机械气动理论、实验与数值仿真

2. 高性能发动机设计与优化 研究

3.涡轮弯扭叶栅冷却技术研究

4.高负荷高效压气机气动技术研究

王仲奇

⑤

助研岗位见设岗说明

1.发动机流场中涡系结构的数值模拟、诊断及其控制方法

2.压气机弯、扭、掠叶栅气 动理论及其应用

韩万金

⑤

助研岗位见设岗说明

1.动力机械气动热力学、几何变形与结构重组研究

2.发动机燃烧系统结构性能研究

3.高超声速发动机气动热力学及结构设计

钟兢军

⑤

助研岗位见设岗说明

1.现代高性能气轮机设计办法研究

1.现代高性能气轮机设计方 法研究

徐大懋

蒋洪德

⑤

⑤

校外兼职

校外兼职

1．高效、超高负荷新概念压气机设计及其内流机制

2．高温涡轮冷却流动机制及流场结构优化

3．叶轮机械三维流场实验及先进测试技术

陈 浮

②③⑤选一

助研岗位见设岗说明

1．叶轮机械内部旋涡结构与控制

2．高效、高负荷压气机流场控制机理与气动设计

3．高精度叶轮机械多场耦合数值计算方法

王松涛

⑤

1．等离子体推进技术

A.L．

Bugova

⑦

境外兼职

（俄罗斯）

1.等离子体推进技术

2.热力系统动态学及控制

3.智能信息处理及过程控制

于达仁

⑤⑥⑦选一

助研岗位见设岗说明

1.转子动力学理论及转子振动控制

2.发动机强度与振动

3.动力机械故障诊断理论及 技术

刘占生

⑤⑥选一

助研岗位见设岗说明

1.发动机控制技术

2.高超音速推进技术

鲍 文

⑤⑥⑦选一

助研岗位见设岗说明

1.大中型超导体及其低温系统

2.天然气液化技术及应用

3.低温自动控制技术

贾林祥

②③选一

助研岗位见设岗说明

1.大中型超导体及其低温系统

2.小型低温制冷机的应用研究

3.低温传热与流动

王 莉

①③选一

助研岗位见设岗说明