A NOVEL FULL-STACK SIMULATION TOOL FOR RAPID MODELING OF THERMAL PROCESSES IN BOREHOLE THERMAL ENERGY STORAGE SYSTEMS

Daniar Aizhulov; Tangnur Amanzholov; Madina Tungatarova; Banu Abdullayeva

doi:10.26577/jpcsit5320269

Авторы

Даниар Айжулов Satbayev University, Department of Mechanical Engineering, Almaty, Kazakhstan https://orcid.org/0000-0001-5496-4639 (неаутентифицированный)
Таңнұр Аманжолов Satbayev University, Department of Mechanical Engineering, Almaty, Kazakhstan https://orcid.org/0000-0001-7386-9717 (неаутентифицированный)
Мадина Тунгатарова Satbayev University, Department of Mechanical Engineering, Almaty, Kazakhstan https://orcid.org/0000-0003-3138-3326 (неаутентифицированный)
Бану Абдулаева Satbayev University, Department of Mechanical Engineering, Almaty, Kazakhstan https://orcid.org/0009-0002-8535-4619 (неаутентифицированный)

DOI:

https://doi.org/10.26577/jpcsit5320269

Ключевые слова:

Скважинный теплообменник, геотермальный тепловой насос, комплексное программное обеспечение, нестационарное моделирование тепловых процессов, геометрическая оптимизация, испытание теплового отклика

Аннотация

Системы грунтового теплового аккумулятора эффективны для климатического контроля зданий, однако их моделирование осложняется резкой геометрической диспропорцией: диаметр теплообменника на несколько порядков меньше его глубины. Это делает полномасштабное 3D-моделирование практически нецелесообразным из-за огромных вычислительных затрат. Ситуация усугубляется многопараметрическим характером задачи. Из-за этого классические параметрические исследования и анализ чувствительности требуют колоссальных вычислительных мощностей, что серьезно тормозит процесс оперативного итеративного проектирования. Для решения этой проблемы в данной статье представлена новая интегрированная полнофункциональная программная архитектура, которая автоматизирует расчеты сопряженного тепло- и массопереноса, традиционно требующие сложных гидродинамических вычислений. Методология опирается на доступное приложение и локализованную базу данных в сочетании с оптимизированным явным конечно-разностным бэкэндом, используя векторизованные численные вычислители для расчета одномерной гидродинамики и термических процессов внутри скважинного теплообменика и трехмерной теплопроводности неоднородного грунта. Достоверность расчетов программного обеспечения подтверждена результатами полевых испытаний TRT (Thermal Response Test). Предложенный инструмент позволил реализовать масштабные параметрические исследования и анализ чувствительности системы к ключевым физическим факторам. Модель позволяет комплексно оценивать влияние теплофизических характеристик неоднородных слоев грунта и свойств скважинного заполняющего раствора (бентонита) на эффективность теплосъема. Включение в расчетную схему влияния подземных водных потоков расширяет функционал программы, позволяя проводить полноценное комплексное динамическое моделирование системы в изменяющихся условиях. В результате, разработанное программное обеспечение представляет собой масштабируемый и экономически эффективный настольный инструмент для быстрого комплексного динамического моделирования геотермальных систем. Обеспечивая возможность глубокой параметрической оптимизации с учетом реальных свойств грунта, характеристик бентонита и влияния подземных потоков, программа успешно сочетает в себе передовые теоретические термодинамические принципы и нужды практического проектирования.

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Биографии авторов

Даниар Айжулов, Satbayev University, Department of Mechanical Engineering, Almaty, Kazakhstan

D.Y. Aizhulov, PhD in Mechanics and MSc in Software Engineering, is a Leading Researcher at Satbayev University. A Microsoft Certified IT Professional, he specializes in information systems development and geostatistical modeling.
Таңнұр Аманжолов, Satbayev University, Department of Mechanical Engineering, Almaty, Kazakhstan

T.E. Amanzholov, PhD student, who completed specialized training at the TOTAL Energy School and industrial internships, presents practical experience in sustainable energy and drilling technologies.
Мадина Тунгатарова, Satbayev University, Department of Mechanical Engineering, Almaty, Kazakhstan

M.S. Tungatarova, PhD, is the Head of the Department of Mechanical Engineering at Satbayev University and holds a dual degree from KazNU and AGH-NTU (Poland). She has completed research internships at leading European universities.
Бану Абдулаева, Satbayev University, Department of Mechanical Engineering, Almaty, Kazakhstan

Master's student B. Abdullayeva explores computational fluid dynamics, reactive transport modeling, and the use of neural networks to optimize uranium in-situ leaching processes.