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地埋管非稳态流固耦合换热的数值模拟的文献综述 |
【内容摘要】：地源热泵系统的一系列优点使其成为传统采暖和空调系统的有利竞争方式，在世界许多地区得到了开发和应用。地源热泵系统的核心技术之一就是地埋管换热器。目前，对土壤源热泵进行研究主要遵循两大类方法，如刁乃仁等对地下换热器的传热问题及其工程应用进行了研究；曾召田，吕海波等对地下水渗流对竖埋管换热器传热影响进行了数值模拟，本文主要工作是查阅相关文献过后对以上研究进行内容综述。
【关键词】 土壤源热泵 地理管 流固耦合换热 非稳态数值模拟
0、引言
土壤源热泵是一项以节能和环保为特征的具有发展前景的空调新技术,是国际空调和制冷行业的前沿课题之一。这一技术在国外已走向成熟,但在国内尚处于研究阶段,各项工作正逐步展开,为大力推广土壤源热泵的工程应用打下良好的基础。地下埋管换热器一直是土壤源热泵技术的研究关键,而土壤内部物理现象复杂,地下水渗流是普遍存在的一种。换热器传热性能受地下水渗流的影响,形成热渗耦合传热过程。在最近几十年，国际上许多研究人员已为地理管的应用的研究倾注了大量的心血。对竖直U 型埋管地热换热器的传热问题进行了理论研究,在分析地热换热器各个传热环节热阻的基础上,求得了传热过程解析解；给出了U型管内流体温度分布情况以及钻孔深度对U型管两支管之间的热短路的影响；比较了多层土壤结构与土壤物性参数加权平均后单层土壤结构的换热差异，不同流速下，U型管的出口水温变化、不同截面处的换热量以及平均换热量，探讨了热短路现象发生的可能性，最后讨论了不同井深情况下的U型管的换热特性；分析U形地埋管不同倾斜角及不同圆环直径时周围土壤的温度分布情况，得出地埋管周围土壤温度随时间的变化规律及随深度的变化曲线。该文通过分析大量文献，综述了地理管在环境工程中的应用研究进展，重点分析了U型管在地源热泵系统中的应用，并且分析了其在工程应用中的问题和不足，指出了今后的应用研究方向。
1、在地源热泵系统中的应用
明确地提出了地表热能作为一种可再生能源的概念。本文首先采用的研究方法是室内外的模拟实验；在此基础上，为突出理论研究的重点，提出了按照富含水与贫含水两类岩土层分别进行传热特性理论研究的新思路；并明确提出了以临界含水率作为两类岩土层分界的依据。对于富含水地下土壤层，本文利用建立的室内模拟实验台与理论模型相结合的研究方法，建立了稳态的饱和型多孔介质层理论模型，总结归纳出无因次多孔介质参数的传热规律。
对竖直U 型埋管地热换热器的传热问题进行了理论研究,在分析地热换热器各个传热环节热阻的基础上,求得了传热过程解析解。主要成果有:(1) 求得了有限长线热源在半无限大介质中的瞬态温度响应解析解。并指出了Eckert 的传热学教科书及一些传热手册中相关稳态解中的错误。(2) 提出了分析竖直埋管地热换热器钻孔内的传热过程的准三维模型,通过对U 型埋管两支管内循环流体的能量平衡方程式的分析与推导,求得了该传热问题的解析解,得到了计算U 型管换热器中流体温度沿深度变化的解析表达式,给出了钻孔内热阻的解析表达式。(3) 利用求解导热问题的格林函数法和移动热源等分析方法,导得了有均匀渗流的无限大介质中线热源引起的温度响应。 这些解析解清晰地揭示了地下传热过程中各影响因素的定量关系,可以直接应用于地热换热器设计和模拟计算,有效地促进了基于系列解析解和叠加原理的传热研究方法的发展。 论文第二部分工作是地热换热器理论研究成果的工程应用。主要成果是:(1) 在单个钻孔传热分析的基础上利用叠加原理,解决了实际工程中地热换热器由多个钻孔组成、换热负荷变化、系统间歇运行等实际问题,建立了U 型埋管地热换热器计算方法,并将该方法与国外同类设计方法进行了比较。(2) 利用提出的新方法,进行了多个地源热泵系统的地热换热器设计与安装。(3) 对实际工程的地热换热器运行工况进行了较长时间的测试。 实际工程测试结果以及与国外同类地热换热器设计方法的对比结果均证明:基于理论研究成果建立的U 型埋管地热换热器的计算方法,计算模型更接近工程实际,计算结果更趋合理,便于设计优化及动态模拟,可计算的时间跨度长,空间区域大。 论文第三部分工作是建立了单U 型埋管换热实验台,对理论研究成果进行了实验验证。分别进行了无渗流和有渗流的U 型埋管换热实验。研究中得到的U 型埋管传热模型解析解所揭示的传热规律在实验中得到了较好的验证。
针对U型管埋地换热器的传热特点,考虑了两管脚之间的相互影响,建立起非稳态传热模型。采用数值解法对该理论模型进行了求解,并将结果与实验值进行了对比分析,发现两者变化趋势一致,但理论计算结果比实验测试值低,其中的一个重要原因是因为换热器与土壤间的热交换不是纯导热过程,还应该进一步考虑土壤中热湿迁移等因素的影响。
通过改进现有二维传热模型建立准三维传热模型,模拟U型竖直埋管地下换热器的运行工况.模型引入换热功率函数作为边界条件,对单个线热源到区域中心距离提出新的计算方法,运用有限体积法求解.通过与实验结果比较，模型结果可以满足工程精度的要求，并且给出U型管内流体温度分布情况以及钻孔深度对U管两支管之间的热短路的影响。
针对土壤耦合热泵地下 U 型换热埋管 , 建立了管内流体以及换热器周围土壤热渗耦合物理数学模型。所建模型考虑了 U 型管的实际形状 , 土壤考虑为饱和多孔介质 , 管内湍流流动采用 Realizable k 2Epsilon;模型。采用Fluent 软件对模型进行模拟计算 , 得到了管内流体以及周围土壤温度分布。分析了土壤中水的渗流对传热过程的影响,并对考虑渗流作用时不同土壤物性对单根 U 型垂直埋管换热器周围土壤温度场进行了模拟计算与分析。
分析了现有传热模型局限性的基础上，通过钻孔壁将地热换热器的传热模型分为两部分：钻孔外的传热模型和钻孔内的传热模型。钻孔外的模型是在目前比较先进的有限长线源模型的基础上考虑了钻孔直径、远端半径和地面这一边界条件，建立了有限长柱源模型，弥补了线源模型和有限长线源模型的先天不足，使传热模型与实际更相符。钻孔内的模型采用目前比较先进的哈工大的准三维传热模型。应用分离变量法、格林函数法以及拉普拉斯变换法分别对钻孔外、内模型进行了解析求解。
利用商用CFD软件Fluent6.3对U型地埋管三维非稳态流固耦合换热问题进行研究。为减少计算资源，首先对流场计算采用稳态计算方法，待流场计算收敛后，再单独对流固耦合换热非稳态温度场进行计算。比较了多层土壤结构与土壤物性参数加权平均后单层土壤结构的换热差异，结果表明换热差别在6％左右；研究了不同流速下，U型管的出口水温变化、不同截面处的换热量以及平均换热量，探讨了热短路现象发生的可能性，最后讨论了不同井深情况下的U型管的换热特性。
建立了垂直U型地埋管三维数值传热模型，采用FLUENT软件对其非稳态的流固耦合换热进行研究。在夏季工况下，模拟结果与实验相吻合。分析了回填材料导热系数、管内流速以及埋深对垂直U型地埋管换热的影响。计算结果表明，地埋管的单位埋深换热量与埋深成反比，而与流速和回填材料的导热系数成正比。
根据土壤源地热换热器的传热性能分析，在满足工程实践的基础上，选择了IGSHPA模型简化下的传热分析方法计算传热热阻；然后利用一维导热和线热源模型，得到流体至管道内壁的对流换热热阻，塑料管壁的导热热阻，钻孔内部的导热热阻，地层热阻的计算公式；最后利用对地热换热器的传热热阻的分析，得出工程设计中用于确定在制冷工况下垂直埋管地热换热器长度和在供热工况下垂直埋管地热换热器长度。
分析U形地埋管不同倾斜角及不同圆环直径时周围土壤的温度分布情况，得出地埋管周围土壤温度随时间的变化规律及随深度的变化曲线。建立U形地埋管的二维和三维的数值传热模型，采用Fluent软件对其非稳态的流固耦合换热进行研究。模拟结果表明，放射状地埋管在冬季储热工况下，与水平面呈75。角、圆环直径为4 m的放射状地埋管换热量最大，热积聚效应最小。
应用地下水渗流理论和传热学理论，建立考虑热传导和地下水渗流共同作用的热渗耦合传热模型；针对南宁河流阶地土层，模拟分析地下水渗流对竖埋管换热器传热的影响。研究结果表明：1）地下水渗流可以强化地埋管的换热，且随着渗流速度的增大，强化换热作用越明显；2）地下水渗流对换热器热交换的影响具有方向性，在此基础上，对竖埋管换热。
2、传热强化研究最新进展及有待解决的关键问题
土壤源热泵由于具有能源利用可再生、节能效果显著、运行费用低 、有利于环境保护、适用范围广、形式多样化等技术优点而得到广泛应用 。土壤源热泵利用浅层地下土壤作为冷热源，通过加入少量高品位能源 ，实现夏季制冷及冬季供热。由于浅层地下土壤的恒温特性 ，与传统空调技术相比，土壤源热泵具有更高 的运行效率。地埋管作为土壤源热泵系统与土壤间的唯一换热设备，其换热性能直接决定了土壤源热泵系统的运行效率。因此，地埋管换热器 的传热强化对于提高土壤源热泵系统 的节能性与经济性至关重要 。随着土壤源热泵在国内外的不断研究和发展，土壤源热泵地 埋管强化传热方面 的研究也不断受到重视 ，并在以下几方面取得 了众多创新进展 ：高性能地埋管换热器 的研发；地源热泵不同地区与不同气候适宜性研究；回填材料的多样性研 发及地区适用性研究。而在目前的研究成果和进程来看，仍有很多方面值得进一步研究，这些方面包括：如何在提高回填材料 导热性能、降低地埋管与钻孔壁的热阻、增强埋管与周 围土壤换热的同时，尽量减小两支管间的热干扰是有待解决的关键技术 问题 ；如何通过地埋管优化布置及运行优化调控 ，快速恢复土壤温度 ，以提高地下埋管的可利用传热温差，保证地源热泵长期高效稳定运行也是有待解决的重要技术问题。垂直地埋管换热器穿过不同的地质层 ，包括非饱和区和饱和区，非饱和区的土壤属于含湿多孔介质，其结构体系内存在气 、液两相介质 。既存在能量的传导，也存在物质 的扩散，是一个热质耦合迁移的过程；且多孔介质热量迁移受外界环境影响 (温度 、射 、空气流速) 较大，非饱和区土壤是一个复杂的、非稳态的传热过程，作为含湿多孔介质 的非饱和土壤 的分层传热 问题也是有待进。
3、结束语
热泵是靠高位热能拖动，迫使热量从低位热源流向高位热源的装置，也就是说热泵可以把不能直接利用的低品位热能如空气、土壤、水、太阳能、工业废热等转换为可以利用的高品位热能，从而达到节约部分高位能，如煤炭、石油、天然气等的目的。目前，热泵在暖通空调工程中得到了广泛的应用，这是一项很有潜力的节能技术，也是减少CO 2 、SO 2 、NO X 排放量的一种有效方法。土壤源热泵（G C H P）系统是利用土壤作为热源或热汇，它是由一组埋于地下的高强度塑料管（地热换热器）与热泵机组构成。在夏季，水或防冻溶剂通过管路进行循环，将室内热量释放给地下岩土层冬季循环介质将岩土层的热量提取出来释放给室内空气。由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵技术障碍，效率大大提高，且又不受地下水资源的限制，它在欧、美等国得到了广泛的应用。在国内，由于研究时间不长, 还正处于起步阶段，尚有许多方面急需进一步进行深入研究,因此，我们的任务是跟踪国际最新动态，在充分利用国内外已取得研究成果的基础上，探索新的理论和方法，更好的为国家和人民做贡献。
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资料编号：[556326]
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