수열역학-역학(HTM) 실험에서 고압 유체 주입 펌프는 내부 공극 압력의 정밀 제어 역할을 하며, 실험실 유압 프레스는 외부 기계적 응력을 가합니다. 주입 펌프는 하중 하의 암석 질량 내 미세 균열을 통한 유체 이동을 시뮬레이션하기 위해 프레스와 협력하여 10MPa와 같은 특정 유체 경계 조건을 유지합니다.
이 상호 작용의 핵심 가치는 변수의 분리에 있습니다. 유압 프레스는 지구의 무게(과적재 응력)를 시뮬레이션하고, 주입 펌프는 지하수 거동(공극 압력)을 시뮬레이션합니다. 이러한 분리를 통해 온도와 응력이 유체 흐름과 암석 투과성에 독립적으로 또는 공동으로 미치는 영향을 정밀하게 측정할 수 있습니다.
상호 작용의 역학
경계 조건 설정
정압 주입 펌프의 주요 기능은 유체 경계 조건을 설정하고 유지하는 것입니다.
10MPa 공극수압과 같은 특정 매개변수를 설정함으로써 펌프는 외부 변화에 관계없이 일관된 내부 환경을 보장합니다. 이러한 안정성은 유체 거동을 기계적 변형 데이터에서 분리하는 데 필수적입니다.
협력적 응력 적용
주입 펌프가 유체를 처리하는 동안 실험실 유압 프레스가 기계적 하중을 관리합니다.
종종 복동식 펌프가 장착된 프레스는 램의 빠른 전진 후 고압, 저용량 출력을 제공합니다. 이를 통해 시스템은 샘플에 기계적 압력을 장기간 유지하여 유체 주입 과정을 위한 안정적인 "컨테이너"를 생성할 수 있습니다.
미세 균열 이동 시뮬레이션
두 시스템 간의 상호 작용을 통해 유체 이동을 사실적으로 시뮬레이션할 수 있습니다.
프레스가 응력을 가하면 암석 질량 내 미세 균열의 기하학적 구조가 수정됩니다. 그런 다음 주입 펌프는 이러한 변화하는 경로를 통해 유체를 강제로 통과시켜 균열의 기계적 폐쇄 또는 개방이 유량에 어떻게 영향을 미치는지 연구자들이 관찰할 수 있도록 합니다.
다중 필드 커플링 효과 분석
유체 역학에 대한 열 영향
이 시스템을 통해 온도 의존적 변수를 정량적으로 분석할 수 있습니다.
연구자들은 온도 변화가 유체의 동적 점도에 어떻게 영향을 미치는지 추적할 수 있습니다. 주입 펌프는 유량과 압력을 정밀하게 제어하므로 이러한 점도 변화를 추정하는 대신 정확하게 측정할 수 있습니다.
압력 기울기 분포
이 설정은 열 전달 효과를 관찰하는 데 중요합니다.
가열된 유체가 암석을 통과하면서 압력 기울기 분포를 변경합니다. 펌프(유량/압력)와 프레스(응력/변형률)의 협력적 데이터는 열 에너지가 유체와 함께 암석 매트릭스를 통해 어떻게 전파되는지 보여줍니다.
운영상의 절충점 이해
이중 시스템 제어의 복잡성
두 개의 고압 시스템을 동시에 실행하면 상당한 제어 복잡성이 발생합니다.
유압 프레스(기계적 하중)의 모든 변동은 샘플의 부피를 즉시 변경하여 주입 펌프 시스템에 즉각적인 압력 스파이크 또는 하락을 유발할 수 있습니다. 운영자는 데이터 노이즈를 방지하기 위해 엄격한 동기화를 보장해야 합니다.
장기간 안정성
실험실 프레스는 장기간 압력을 유지할 수 있지만, 장기간 HTM 실험 중에는 씰 무결성이 문제가 됩니다.
고온, 고유체 압력, 고기계적 응력의 조합은 씰에 엄청난 부담을 줍니다. 주입 회로의 작은 누출은 암석으로의 유체 이동으로 잘못 해석되어 투과율 결과를 왜곡할 수 있습니다.
실험에 적합한 선택
- 투과율 변화가 주요 초점인 경우: 프레스가 균열 기하학적 구조를 변경함에 따라 미세한 점도 및 유량 변화를 감지할 수 있는 고감도 유량계를 갖춘 주입 펌프를 사용하십시오.
- 기계적 변형이 주요 초점인 경우: 내부 공극 압력 축적과 관계없이 기계적 구속이 절대적으로 정적임을 보장하기 위해 고정밀 복동식 펌프를 갖춘 프레스를 우선시하십시오.
HTM 커플링 실험의 성공은 개별 구성 요소의 품질뿐만 아니라 기계적 구속과 유체 주입 제어의 정밀한 동기화에 달려 있습니다.
요약 표:
| 시스템 구성 요소 | HTM 커플링의 주요 역할 | 주요 제어 매개변수 |
|---|---|---|
| 실험실 유압 프레스 | 과적재 응력/기계적 하중 시뮬레이션 | 기계적 응력 및 축 변형률 |
| 주입 펌프 | 공극 압력 및 지하수 거동 시뮬레이션 | 유체 경계 조건 및 유량 |
| 복동식 펌프 | 장기간 압력 안정성 보장 | 시스템 구속 및 부피 출력 |
| 암석 샘플 | 커플링을 위한 다공성 매체 역할 | 투과율 및 미세 균열 기하학 |
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참고문헌
- Dianrui Mu, Junjie Wang. A coupled hydro-thermo-mechanical model based on TLF-SPH for simulating crack propagation in fractured rock mass. DOI: 10.1007/s40948-024-00756-y
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