单井U型地埋管换热器传热特性与热渗耦合特性分析

在“双碳”目标下,浅层地热能供暖(冷)作为一种新型的清洁能源利用形式得到广泛使用。为提高浅层地热能的利用效率,以我国北方某综合能源供暖(冷)项目土壤源热泵系统为研究对象,构建单井U型地埋管换热器的三维非稳态传热模型,并利用Fluent软件分析其传热特性与热渗耦合特性。选取4.0,4.5,5.0 m等3个不同埋管间距和106.0,113.0,120.0 m等3种不同埋管深度,对地埋管换热器的换热总量及单位井深换热量分别进行对比分析。分析结果表明,埋管间距为4.0 m、埋管深度为106.0 m时,单井地埋管换热器的换热效果最佳。对无渗流和有渗流及不同渗流速度下地埋管换热器温度场进行对比分析,结果表明,地下水渗流会对地埋管换热器换热效率带来正向影响,并且随着渗流速度的增加,换热效果更好。上述分析为实际工程的地埋管方案设计提供参考依据。

基于热平衡的土壤源热泵系统特性分析

针对不同负荷不平衡率时地下埋管换热器的传热特性展开研究,提出采用辅助冷热源、盘管排数调节等策略建议,以期土壤源热泵系统的高效运行.此外,还建议将地下埋管换热器安装在地下水丰富地区,亦可以减轻土壤全年热不平衡所带来的问题.

地下水渗流对竖埋管换热器传热影响的数值模拟

地下水渗流对竖埋管换热器与岩土体的热量交换具有显著影响。该文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,对竖埋管换热合理的布置方式进行分析;3)南宁河流阶地地区,仅考虑砂砾层存在地下水渗流对换热的影响,更符合工程实际。

地下水渗流对地埋管换热器周围温度场的影响

为确定地下水渗流对土壤源热泵地埋管换热器周围温度场的影响,以U型地埋管换热器传热系统为例,构建了等效当量直径的单管圆柱换热器传热物理和数学模型,并用多物理场耦合分析软件COMSOLMultiphysics 4.2a对夏季工况下地埋管换热器周围温度场进行数值模拟计算,通过有无渗流条件下不同导热系数、孔隙率土壤温度场变化的对比分析,确定引起温度场变化的主导因素,为下一步试验提供了重要依据。

地下含湿岩土热渗耦合模型及换热埋管周围土壤温度场数值模拟

考虑了地下水的渗流作用和U型换热埋管的实际形状,建立了U型管地下换热器管内流体以及周围土壤热渗耦合物理数学模型。模型将土壤视为均匀的、各向同性的饱和多孔介质,土壤中水的渗流视为二维。管内湍流流动采用Realizable k-ε模型,数值计算采用Fluent软件。给出了管内流体以及周围土壤的温度分布数值模拟结果,分析了土壤中水的渗流对传热过程的影响、U型管两支管的热短路作用及回填材料对土壤温度场的影响。所得结论对地下换热器的设计具有理论意义。

热渗耦合作用下U型埋管换热器的数值模拟

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R ea lizab le k-ε模型。采用F luen t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。

三维地铁隧道土壤温度预测模型

为了合理预测土壤温度变化,确定地铁环控系统冷热负荷,在考虑气固耦合传热、地下水渗流以及双洞温度场叠加等因素的基础上,提出了三维地铁隧道土壤温度预测模型.利用有限差分法对该模型进行数值离散,并采用Fortran语言编写求解程序.为了使网格划分方便,计算域采用适体坐标系、地下水运动方程以及传热方程在两套网格上进行离散差分,从而避开了适体坐标中插值的困难.利用建立的数值模型对假定条件下地铁土壤温度进行求解,分析了各种因素对土壤温度分布以及土壤吸热量变化的影响.实验结果表明,地下水热迁移以及双洞叠加效应对土壤温度均有较大影响,在地铁环控设计中应该考虑土壤蓄热作用.

地下水渗流对地埋管换热影响研究

为研究地下水渗流对地埋管换热的影响,搭建地埋管换热研究试验台,模拟不同地下水流速(0 m/a、100 m/a、200 m/a)条件下的地埋管换热器,通过试验数据分析得出:随着地下水流速的加大,将更多的热量带到下游,地埋管换热器的换热量和综合导热系数逐渐增加,对上、下游温度变化作用更明显,水流方向的热影响半径依次变大。地埋管换热器工程建设中应注重前期水文地质条件的勘察,对整个地源热泵系统工程能长期稳定运行起到关键作用。

土壤热渗耦合作用下U型埋管换热器换热特性数值模拟

建立了管内流体流动及周围土壤热渗耦合传热的垂直U型地埋管换热数理模型,采用数值方法对有渗流和无渗流工况下的土壤温度场分布、埋管出口温度、不同渗流速度下的单位井深换热量进行了模拟计算分析。结果表明,地下水渗流作用能减小埋管出口升温幅度,在埋管入口平均温度为33℃时,有渗流工况下的埋管出口平均温度为29.91℃,无渗流工况下的埋管出口平均温度为30.85℃。单位井深换热量随渗流速度的增大而增加,当地下水渗流速度为10 m/a和400 m/a时,与无渗流工况相比,单位井深换热量分别增大了约6.33%和71.33%。

热渗耦合作用下地下埋管换热器的传热分析

为确定地下水渗流对U型地下埋管换热器的影响,基于热渗耦合作用下的数学模型,采用整体求解方法求得管内流体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场数值解。分析了地下水渗流对传热过程的影响,结果表明地下水流动对原温度场的影响明显,而且地下水流速越高影响越大。进一步分析了有渗流时不同土壤类型对地下埋管换热器的影响情况,在饱和状态下导热系数是主要的影响因素。

地下水源热泵运行模式对地温场效能影响研究

基于上海市某地下水源热泵工程项目,采用COMSOL Multiphysics有限元分析工具建立二维简化的热渗耦合数值模型,模拟采能区含水层多孔介质热量运移过程,并利用热泵运行3年的现场监测数据进行模型的识别与验证。探讨热泵系统冷、热负荷设计和抽、灌模式两个方面对采能区地温场效能的影响,分析和预测不同工况下热泵运行期间地温场的演变特征,最后对系统的运行效果进行评价。结果表明:该热泵系统按原设计方案运行时,抽灌井短期运行效果良好,但在第7个供暖期末将出现热贯通现象,长期运行将不利于热井的取热;如果减小20%热负荷、增加20%冷负荷,会使冷影响区扩散速度降低46.3%,系统运行效果得到显著改善,在模拟的9个运行周期内并未出现热贯通现象,说明合理调节冷、热负荷有利于热泵系统的长期稳定运行;当冷、热负荷恒定时,分别减小10%和20%的循环水量将会使冷影响区扩散速度分别降低9.3%和15.7%,有效地缓解了热贯通的发生,且仍能满足项目对于制冷供暖的需求,进一步阐明了地下水源热泵系统宜采用“大温差、小流量”的抽灌模式。

三维地下水流中常规观测孔水位的形成机理及确定方法

对地下水三维流中常规观测孔中水位的传统计算方法提出质疑,认为计算观测孔中水位的Hantush Бочевер方程是缺乏物理基础的纯数学方法.分析了形成观测孔中水位的机理,提出三维地下水流中常规观测孔中只是孔口的流量为零,而孔内却存在"抽水"和"注水"的井孔;多层井(multilayerwell)不一定要求"多层"的条件,在均质单一含水层中的井孔可以具有多层井的基本特征;混合井孔的水位并不"混合",混合观测孔中存在符合机理的水头分布和流量分布规律等观点.普遍而言,三维流中的观测孔不能用通常所说的线汇/线源刻画,也不能用近几年提出的孔内为层流(线性流)的假定来研究该问题,然而可用笔者于1993年提出的"渗流-管流耦合模型"和"等效渗透系数"方便、有效地模拟.就说明性算例而言,Hantush Бочевер方程只能近似用于孔径大于0.2m且径距大于10～20m的条件.

基于多种土体导热系数模型的潜流带温度场模拟

河流潜流带地下水和地表水相互交换对于净化水质以及保护河流生态系统具有非常重要的作用。基于土体导热系数模型的饱和-非饱和流-热耦合模型来模拟潜流带温度场分布是当前研究的热点之一。基于此,本文选取美国内华达州沃克河段,分别基于Chung&Horton(1987)、Lu(2007)、Lu(2014)和Ren(2019)模型构建了潜流带饱和-非饱和流-热耦合模型,并进行了各因素之间的相关性分析。结果表明:(1)Ren(2019)模型较其他模型拟合效果最好,精度最高;(2)水温及地表以下各监测井的温度相比于环境温度具有明显的“衰减”和“滞后”现象;(3)流速随水位波动发生规律性变化,水位波动幅度较大时流速波动也较大;(4)河岸带区域各监测点温度与水位呈极显著中度程度负相关,河床区域各测点温度与水温呈极显著强相关。

地下水渗流对岩土热响应试验结果的影响

通过原位试验验证建立考虑地下水渗流及岩土分层的岩土热响应试验数值计算模型;针对不同渗流速度进行热响应试验的仿真,得到岩土综合导热系数等热物性参数随渗流速度的变化规律,为土壤源热泵系统的科学设计和运行提供参考依据。

桩埋管参数对渗流下能量桩热-力耦合特性的影响

为获得地下水渗流作用下桩埋管参数对能量桩热-力耦合特性的影响,建立了不同埋管参数的能量桩数值模型,分析了桩埋管数量、埋管布置形式、埋管管径对单位桩深换热量、日换热量、桩截面平均温升、桩身位移增量及桩身附加温度荷载的影响。结果表明:增加埋管数量可以增大能量桩换热量,但也会加剧桩内不同埋管间的热干扰,导致换热性能下降及桩身位移和附加温度荷载的增加;渗流下桩埋管的布置形式对其换热性能有显著影响,而对桩的力学特性影响较小,且渗流速度越大,2种布置形式对应的能量桩换热量差异逐渐增加,桩顶位移增量与桩身附加温度荷载逐渐减少;增加埋管管径可以提高能量桩的换热量,但也会加大桩身和桩周土壤温升,导致桩身位移和附加温度荷载增大。研究结论对于渗流作用下能量桩的优化设计与高效运行具有一定的指导意义。

渗流作用下管幕冻结法加固止水温度场时空变化规律

为探究管幕-冻结管结构对地层的冻结规律及其发展趋势,基于有限元软件中的温度场与渗流场耦合模块,以三亚河口通道海底隧道工程为背景,建立不同流速作用下的管幕冻结加固数值模型,模拟不同冻结情况下土体温度场以及渗流场演变规律;再考虑土体导热系数空间变异性影响,构建渗流作用下海底隧道管幕-冻结法随机有限元模型,分析导热系数不确定性对冻结加固止水效果影响规律。研究表明:地下水作用对上游点温度影响较大,下游反之;导热系数不确定性会减缓、阻碍冻结帷幕的形成;管幕冻结法形成的管幕-冻土帷幕支撑体系能有效加固土体,甚至可避免大渗流工况下工程事故的发生。