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近年来日益增长的能源需求和温室效应问题促使二氧化碳在可再生能源开发利用领域的应用受到广泛关注,如以超临界CO2为工质的增强型地热系统和高温气冷堆等。因此本文分别对超临界压力CO2在岩石裂隙和多孔介质内的对流换热规律进行了实验和数值模拟研究。为完善增强型地热系统场地规模数值模型,本文利用搭建的高温高压实验系统对超临界压力CO2在开度为0.2 mm的花岗岩水平光滑裂隙内的层流对流换热开展实验研究,分析了CO2质量流量、岩石初始温度对采热率和局部对流换热特性的影响规律,提出了考虑CO2物性变化的水平裂隙内超临界压力CO2层流流动的局部对流换热准则关联式。对超临界压力CO2在花岗岩压裂裂隙内的对流换热开展实验研究,结果表明在相同质量流量和岩石初始温度的条件下,超临界CO2流经本文研究对象压裂裂隙的采热率低于具有相同等效水力开度的平滑裂隙。基于裂隙CT扫描结果重构裂隙形貌并建立三维耦合传热数值模型,模拟结果表明本文研究的压裂裂隙开度不均匀,局部存在流动滞留区,导致裂隙内平均换热性能减弱。在平滑裂隙内单层填充一定数量的球形支撑剂,并通过实验研究超临界压力CO2在此种裂隙内的对流换热性能,分析了裂隙内支撑剂孔隙率和CO2物性变化对裂隙内平均对流换热性能的影响规律。研究表明裂隙内的支撑剂增强了裂隙内流体间的掺混,强化了裂隙内对流换热性能,裂隙内支撑剂孔隙率越小,平均对流换热性能越强,从而CO2流过岩石裂隙的采热率越大。采用实验和数值模拟相结合的方法,对超临界压力CO2在竖直光滑花岗岩裂隙内的流动换热进行研究,探讨了浮升力和变物性对竖直裂隙内的局部对流换热性能和平均对流换热性能的影响,提出了高温储层竖直裂隙内浮升力影响的无量纲参数判断依据。对超临界压力CO2在多孔介质中的内部对流换热规律开展实验研究,分析了CO2质量流量、入口压力、CO2温度和流动方向对内部对流换热系数的影响规律,提出了考虑物性修正的超临界压力CO2在多孔内部对流换热系数的准则关联式。研究了浮升力对内部对流换热系数的影响,研究表明向下流动时多孔结构内的浮升力强化了弥散作用,导致向下流动时的内部换热性能强于向上流动。对以水和CO2为工质的增强型地热系统热储建立局部非热平衡的热-流-力耦合数值模型。对氦气和CO2为工质的气冷堆球床内耦合传热过程建立局部非热平衡的体积平均模型,获得球床的等效导热系数,为气冷堆堆芯事故设计提供重要参数。