风能、太阳能和潮汐能等可再生能源近年来得到快速发展,减少了温室气体排放和减轻对化石燃料的依赖。这些可再生能源的利用有利于环境保护,并具有良好的经济前景,但它们具有间歇性发电、供应不稳定和能量密度低等致命缺陷,可能会损害常规电网的正常运行。压缩空气储能技术被视为是最有潜力的大规模储能技术之一,能有效解决新能源利用中的这些问题。将废弃煤矿巷道改造再利用作为压缩空气储能的地下洞室,是压缩空气储能未来发展的趋势之一。压缩空气储能频繁和快速地充放气过程,会引起地下洞室内空气压力和温度发生显著变化,从而会对围岩结构稳定性和压缩空气储能的稳定运行产生影响。因此,开展压缩空气储能地下洞室多物理场耦合问题研究,具有十分重要的科学和工程意义。本文综合运用理论分析和数值模拟等研究方法,针对地下洞室压缩空气储能中的多物理场耦合问题,详细研究了空气泄漏、地下洞室温度和压力变化的热力学等规律。主要取得如下成果:(1)建立了压缩空气储能洞室空气泄漏的热-流-固耦合模型,揭示了压缩空气储能运行过程中空气泄漏的内在机理。分别建立了洞室内温度和压力的热力学方程以及围岩中气体渗流的热-流-固耦合方程;基于孔隙率和渗透率之间的立方关系,建立了渗透率的动态表达式,考虑了岩体变形和温度对气体渗流的影响,也考虑空气与围岩之间的对流换热效应。通过与现场试验、解析解和数值模拟结果相对比,验证了模型的可靠性。结果表明,洞室内空气温度和压力会呈现出“升-降-降-升”的周期性变化规律,而洞室中的气体压力和围岩中的孔隙压力相互影响,它们之间处于动态平衡过程,决定着气体的流动方向。空气渗透范围和孔隙压力也会受到周期性空气注入和释放的影响。岩石的渗透率是影响空气泄漏的关键因素,而洞室半径和注入空气质量流动速率也对空气泄漏有很大影响。(2)建立了压缩空气储能洞室温度和压力的热力学耦合模型,将计算流体力学与空气传热学耦合,研究了洞室温度和压力的变化规律。建立了流体力学三大基本方程-质量守恒方程、纳维-斯托克斯方程和能量守恒方程。基于热力学基本原理,推导了一个用温度表示的能量守恒方程;在模拟中引入对流项,考虑了自然对流和强制对流现象的影响;基于傅里叶传热定律,建立了围岩中的热传导方程;应用了k-?湍流模型来描述压缩空气储能充放气过程中空气湍流流动的状态。结果表明,周期性注入和释放空气会引起温度和压力发生周期性变化。在运行期间,气体速度、温度和压力在洞室空间内非均匀分布;空气与围岩之间通过对流换热而交换热量,这种热量损失对压缩空气储能系统运行有一定影响。