渗流影响下的地埋管换热器全尺度传热研究

发布时间：2020-09-29 11:34

　　地埋管换热器的传热研究是地埋管地源热泵技术进一步发展的关键,也是实现系统优化运行的基础。传统地埋管传热分析采用二区域分析法,对不同空间尺度进行简化而导致在短时间尺度上的预测产生偏差,虽有学者提出一些可适用于全时间尺度的解析模型,但均未考虑地下水流动的影响。因此,提出一种可考虑地下水流动影响的全尺度传热模型极为必要。本文根据复合介质线热源和移动线热源理论,使用匹配渐进展开法和叠加原理,得到一种可同时考虑地下水流动和钻孔轴向导热影响的全时间尺度流体温升预测模型(CMLS-MFLS),模型准确度通过沙箱实验和数值结果的验证。在该全尺度模型基础上,讨论了不同时间尺度下地下水流动速率及钻孔轴向导热对管内流体温升的影响。由于地埋管换热器通常由钻孔群组成,地上负荷也具有波动特性,因此本文进一步结合叠加原理和阶跃负荷假设,得到钻孔群在某建筑全年波动负荷下的流体温度响应并进行比较分析。考虑到土壤热物性是影响地下传热的关键参数,本文最后通过瞬态测量法实验探究了土壤微细结构对其等效导热系数的影响。研究结果发现:提出的全尺度CMLS-MFLS模型能够预测流体从数分钟到数十年的热响应过程,改进了短时间尺度内传统线热源模型中由于忽略钻孔内传热而导致的较为保守的流体温升预测,在有地下水流动的影响下,短、中时间尺度内轴向导热对流体温升的影响均可忽略,长时间尺度内轴向导热的影响程度随流动速率变化;对处于波动负荷下的钻孔群而言,地下水流动的影响可减轻钻孔间的换热性能差异,弱化最不利钻孔的性能衰减,在中长时间尺度内,地表边界的热交换不可忽略;传热过程中的关键土壤热物性参数受孔隙率、含水量、分形维度数和颗粒尺寸分布影响,较高的分形维度数和较大的颗粒尺寸范围提供了更多种可能的颗粒接触方式而导致等效导热系数具有较大的波动性。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU83
【部分图文】：

尺寸表示,钻孔结构,有限元网格划分,无量纲

中科技大学硕士学位的准确性。如图 2-5 所示是有限元模型的网格划分 = 35℃、 = 30℃。这里取较大直径圆（10m= 15℃， = 2.5可以得到钻孔热阻如公式(2-1

温升曲线,钻孔直径,尺寸,网格划分

-100 100 -1 1图 3-4 有限元模型的网格划分情况，下方尺寸为基于钻孔直径图 3-5 中比较了传统线热源模型、全时间尺度新模型与实验次预测得到的流体温升曲线，可以看出，传统的线热源模型在< 5小时）预测结果偏大，初始时刻相比新模型偏差约为 25%

换热能力,埋管,温度场,数值解

当有地下水流动的影响时，不同的钻孔换热能力受到水流方向和其相对位置周孔的密集程度影响。如图 4-2 所示为土壤多孔介质中有地下水影响时，有限元模拟得到的钻孔群的温度场特点。在无地下水流动影响时换热能力相同的钻孔中，钻孔的换热能力要高于下游钻孔与土壤多孔介质的换热能力，垂直于来流方向

【参考文献】