地下水滲流對(duì)雙U型地埋管換熱器的模擬研究

朱勃森　張杰

摘 要：為確定地下水滲流對(duì)雙U型地下埋管換熱器換熱性能的影響，利用FLUENT軟件建立實(shí)際尺寸的雙U型埋管鉆井換熱模型和周?chē)寥蓝嗫捉橘|(zhì)模型，分別對(duì)土壤中無(wú)地下水滲流和有地下水滲流且滲流速度為2×10-6m/s時(shí)對(duì)換熱器換熱量和地下土壤溫度場(chǎng)影響進(jìn)行模擬研究。結(jié)果表明：在其它工況不變情況下僅改變地下水滲流速度（由0m/s到2×10-6m/s），埋管流體出口溫度隨著滲流速度的增大而減小，埋管的進(jìn)出口溫差相應(yīng)的隨著滲流速度的增大而增大，導(dǎo)致雙U型埋管與土壤間的換熱量越來(lái)越大，地下水滲流增強(qiáng)了雙U型埋管的換熱能力。

關(guān)鍵詞：地下水滲流；雙U型埋管換熱器；模擬研究

中圖分類(lèi)號(hào)：P641.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）17-0047-03

Abstract： In order to determine the effect of groundwater seepage on the heat transfer performance of double U-shaped buried tube heat exchanger， the heat transfer model of double U-shaped buried pipe drilling and the porous media model of surrounding soil were established using FLUENT software. The effects of heat exchanger heat transfer and soil temperature field on the heat transfer of the heat exchanger were simulated when the seepage rate was 2×10-6m/s and there was no groundwater seepage in the soil. The results show that when the flow velocity of groundwater is changed only in other conditions（from 0m/s to 2×10-6m/s）， the outlet temperature of buried pipe decreases with the increase of seepage velocity， and the temperature difference between inlet and outlet of buried pipe increases with the increase of seepage velocity. As a result， the heat transfer between double U-type buried pipe and soil is increasing， and the heat transfer capacity of double U-shaped buried pipe is enhanced by groundwater seepage.

Keywords： groundwater seepage； double U-shaped heat exchanger； simulation study

引言

在我國(guó)的南方，夏季的供冷能耗是建筑能耗的重要組成部分，并且在建筑總能耗中占有很大的比例。與傳統(tǒng)中央空調(diào)供冷相比，地源熱泵系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，因此研究地源熱泵技術(shù)對(duì)減少建筑能耗有著十分重要的作用[1-2]。對(duì)于地源熱泵來(lái)說(shuō)，地下埋管與土壤間的換熱是影響地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-4]。豎直U型地埋管是目前應(yīng)用最廣泛的埋管方式，本文主要研究在夏熱冬冷地區(qū)地下水滲流對(duì)雙U型地埋管土壤溫度場(chǎng)和換熱量的影響，通過(guò)對(duì)比分析得出結(jié)論[5-8]。

本文建立了準(zhǔn)三維雙U型埋管與土壤耦合蓄熱的數(shù)學(xué)模型，即地埋管在垂直方向上的一維傳熱和土壤在水平面上的二維傳熱。在考慮土壤中存在地下水滲流時(shí)，建立埋管周?chē)寥罏槎嗫捉橘|(zhì)模型并認(rèn)為地下水滲流僅沿一個(gè)方向以固定速度流動(dòng)，采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，其主要內(nèi)容為：（1）利用CATIA和ICEMCFD軟件建立地埋管鉆井的三維數(shù)學(xué)模型和地下土壤的多孔介質(zhì)模型。（2）利用FLUENT軟件對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分和設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。（3）模擬系統(tǒng)運(yùn)行15天時(shí)無(wú)地下水滲流和有地下水滲流且滲流速度為2×10-6m/s下，得出地下土壤溫度場(chǎng)的分布云圖，通過(guò)各自的進(jìn)出口溫差對(duì)比表明各個(gè)工況下?lián)Q熱量的大小，以期為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 FLUENT模擬

地埋管換熱器中循環(huán)流體的流動(dòng)處于端流狀態(tài)并且它與土壤的換熱是一個(gè)多層介質(zhì)三維非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，所以分析其實(shí)際傳熱過(guò)程非常復(fù)雜。為了易于分析地埋管換熱情況，我們需要對(duì)地埋管換熱模型做相應(yīng)的簡(jiǎn)化。本文中的模擬過(guò)程做的假設(shè)條件有：

（1）忽略地埋管內(nèi)流體的橫向傳熱，其同一水平面截面方向上溫度相同，即認(rèn)為循環(huán)液流速均勻不可壓。

（2）忽略固體介質(zhì)之間的接觸熱阻，即認(rèn)為埋管周?chē)寥琅c回填材料之間、回填材料與U型管之間的接觸非常好。

（3）忽略土壤分層，認(rèn)為土壤整體物性統(tǒng)一不隨軸向變化，并假設(shè)在整個(gè)傳熱過(guò)程中，土壤熱物性保持不變。

（4）忽略質(zhì)量力的基礎(chǔ)上，視土壤為飽和多孔介質(zhì)，而飽和多孔介質(zhì)的特點(diǎn)是均勾、均值、剛性并且具有各向同性的性質(zhì)。

（5）考慮其中的水滲流影響，忽略地下水滲流過(guò)程中縱向流動(dòng)對(duì)換熱的影響，即認(rèn)為其只沿水平方向流動(dòng)。

（6）忽略非飽和區(qū)域土壤內(nèi)出現(xiàn)的濕遷移問(wèn)題，主要針對(duì)土壤飽和區(qū)域內(nèi)地下埋管的熱傳導(dǎo)特征進(jìn)行研宄分析。

（7）假定土壤中固體骨架與其周?chē)叵滤臏囟韧耆嗤?，固體與流體間需要達(dá)到的熱平衡狀態(tài)，假設(shè)其瞬間即可完成。

（8）忽略非飽和區(qū)域土壤內(nèi)出現(xiàn)的濕遷移問(wèn)題，主要針對(duì)土壤飽和區(qū)域內(nèi)地下埋管的熱傳導(dǎo)特征進(jìn)行研宄分析。

本文將模擬建筑熱工分區(qū)為夏熱冬冷地區(qū)的某地，該地區(qū)的土壤可認(rèn)為均質(zhì)的，為了確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，采用FLUENT軟件做數(shù)值模擬時(shí)所設(shè)置的參數(shù)盡可能的與該地區(qū)的參數(shù)保持一致。

在模型中需要定義的界面主要有：土壤的上下表面和側(cè)面、鉆井上下表面和與土壤相交壁面、埋管進(jìn)出口面和壁面、鉆井與埋管相交面。其主要的幾個(gè)部分為：（1）土壤：土壤體材料按照多孔介質(zhì)材料參數(shù)設(shè)置；土壤上表面與外界空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，在軟件中設(shè)置熱能選項(xiàng)（convection），室外空氣溫度為308K，對(duì)流換熱系數(shù)如上所述；土壤側(cè)面及其下表面都選定恒溫選項(xiàng)，其溫度為土壤初始溫度290K。（2）鉆井：鉆井上表面設(shè)置與上述土壤上表面設(shè)置一致；鉆井側(cè)面由于其內(nèi)與回填材料外與土壤傳熱，因此設(shè)置此面為耦合面；鉆井下表面選定恒溫選項(xiàng)，溫度為土壤初始溫度290K。（3）流體：流體入口邊界分為入口定流速度和恒定溫度，如前所述流體速度為0.4m/s，溫度為310K；流體出口邊界為軟件默認(rèn)設(shè)置；埋管管壁面也是一個(gè)耦合面，在熱能選項(xiàng)中設(shè)置為couple，并設(shè)置管壁厚度2.2mm。

2 模擬結(jié)果的分析

2.1 在土壤中無(wú)滲流和有滲流時(shí)的模擬

根據(jù)上述模擬邊界條件和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，認(rèn)為土壤各項(xiàng)參數(shù)均勻一致且選取土壤中無(wú)滲流時(shí)的土壤熱物性參數(shù)，當(dāng)埋管流體進(jìn)口溫度為310K，進(jìn)口流速為0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s時(shí)，在土壤中無(wú)地下水滲流用軟件進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行15天的模擬。這里時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1d（1天），繪制埋管出口溫度的散點(diǎn)圖如圖1所示。用軟件進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行15天的模擬，這里時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1d（1天），此時(shí)土壤滲流速度設(shè)置為2×10-6m/s，其他條件設(shè)置與上述無(wú)滲流時(shí)條件設(shè)置相同，繪制埋管出口溫度的散點(diǎn)圖如圖2所示。

2.2 對(duì)比分析

從圖1和圖2可以看出，在所選取的雙U型埋管模型參數(shù)中僅改變流體入口速度這一工況，流體出口溫度隨流體進(jìn)口速度的增大而變大，其原因?yàn)殡S著進(jìn)口流速增大，管內(nèi)流體在管中與管壁接觸的時(shí)間就會(huì)減小，流體與周?chē)h(huán)境換熱不夠充分，從而導(dǎo)致流體出口溫度變大，從另一個(gè)角度也可以看出流體的進(jìn)出口溫差隨著流體入口速度的增大而減小。對(duì)于某一固定速度而言，流體的出口溫度開(kāi)始最低且開(kāi)始溫度變化很快隨后慢慢變化很小，這主要是因?yàn)閯傞_(kāi)始土壤還未與埋管內(nèi)流體通過(guò)埋管壁面接觸換熱，開(kāi)始土壤溫度和流體入口溫度溫差最大所以流體傳熱多溫度降的多，而后隨著換熱時(shí)間的增加，埋管周?chē)寥罍囟戎饾u升高，埋管內(nèi)流體與土壤溫差逐漸減小，換熱量逐漸降低從而導(dǎo)致流體出口溫度逐漸增大。

圖1為土壤中無(wú)滲流的情況，模擬時(shí)對(duì)出口溫度的監(jiān)視器上可以看出，當(dāng)流體入口流速為0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s時(shí)，其各自對(duì)應(yīng)的后面趨于穩(wěn)定的出口溫度為305.81K、307.72K、308.68K，相應(yīng)的進(jìn)出口溫差依次為4.19K、2.28K、1.32K。圖2為土壤中有滲流的情況，當(dāng)流體入口流速為0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s時(shí)，其各自對(duì)應(yīng)的后面趨于穩(wěn)定的出口溫度為299.81K、301.72K、303.48K，相應(yīng)的進(jìn)出口溫差依次為10.19K、8.28K、6.32K。相同條件下埋管換熱器進(jìn)出口溫差越大換熱量越大，由此可以說(shuō)明地下水滲流增強(qiáng)了雙U型埋管的換熱能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）在上述所選取的參數(shù)范圍內(nèi)，雙U型地埋管的流體出口溫度隨流體進(jìn)口速度的增大而變大，流體的進(jìn)出口溫差隨著流體入口速度的增大而減小。對(duì)于某一固定入口流速而言，流體的出口溫度都隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而減小，都是在開(kāi)始變化快而后逐漸變慢。

（2）在上述所選取的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)流體入口流速為0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s時(shí)，土壤中無(wú)滲流和有滲流時(shí)雙U型埋管進(jìn)出口溫差依次為4.19K、2.28K、1.32K；10.19K、8.28K、6.32K，兩者比值依次為2.43K、3.63K、4.78K，有滲流時(shí)雙U型埋管換熱量依次是無(wú)滲流時(shí)換熱量的2.43、3.63、4.78倍，說(shuō)明地下水滲流增強(qiáng)了雙U型埋管的換熱能力。

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