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地热能作为一种稳定、丰富的环境友好型可再生能源,具有巨大的潜力,是未来能源发展的方向。特别对于深部矿井下蕴含的地热储能,具有良好的开发前景。合理的将其利用于低温发电与供热领域能够缓解当前能源匮乏与高碳排放量问题。矿山充填——地热复合开采系统是一种新型矿山——地热协同开采理念,通过在采空区胶结充填体(cemented paste backfill,简称CPB)内预置地埋管可为矿区提供清洁、廉价的热能,能够降低矿区运营成本,提高矿业可持续性,实现资源高效绿色开采。进行地埋管换热器设计的前提是准确获取CPB热物性参数,目前现场热响应测试法是应用最广泛的热物性测试方法,如何准确地进行热响应测试对矿井热能利用系统的合理设计起到至关重要的作用。基于此,本文建立了耦合渗流和CPB热物性非均匀分层的三维非稳态数值模型,通过与相关文献实验数据对比,验证了本文所建模型和用户自定义函数(user defined function,简称UDF)的合理性与可靠性,说明本模型能够预测CPB综合导热系数。在Fluent软件中嵌入该UDF,模拟分析具有分层特性的CPB热响应测试过程,并对CPB内U型地埋管换热器换性能因素进行了讨论。本文对不同孔隙率、渗流速度及渗流时间下的热响应测试进行了数值模拟,通过解析,得到CPB综合热物性参数,分析了以上因素对CPB温度场和综合导热系数的影响。最后,针对CPB内水平U型管换热器热性能进行量化分析,研究雷诺数Re与U型地埋管管径对系统取热性能的影响,并提出了一种综合评价因子对其评价。结果表明:由于CPB内部分层不均匀,其综合导热系数采用热响应测试求得更为合理,而非各层导热系数平均值;在无渗流情况下,随孔隙率的增加,CPB综合导热系数降低,CPB与地埋管之间的换热量减小;在渗流条件下,CPB温度场偏移,当渗流速度大于10-6 m/s时,得到的拟合直线斜率急剧降低,得到的综合导热系数将迅速增加;当渗流速度过高时,辨识结果不能很好地拟合于线热源模型。此外本文采用了无量纲评价准则和综合评价因子对CPB内U型地埋管换热器热性能和管内压降进行了分析,当Re=1500、Re=5000、Re=10000、Re=15000、Re=20000 时,综合评价因子分别为 0.504、0.555、0.634、0.661和0.677;不同管径DN25、DN32和DN40的综合评价因子分别为0.606、0.634和0.666,可以看出增大Re和U型管管径可获得更好的综合性能。