土壤—空气换热器土壤温湿度场耦合特性研究

发布时间：2017-10-18 13:06

  本文关键词：土壤—空气换热器土壤温湿度场耦合特性研究

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【摘要】：在日光温室中,土壤—空气换热器以浅层土壤作为蓄热体,即冷源或热源,利用土壤和空气之间的温度差,将通过浅层土壤的空气送到温室内,昼间或晴天降低温室内空气温度,夜间或阴天提高温室内空气温度,实现日光温室内能量的“日存夜用、晴存阴用”。在进行土壤—空气换热器设计时,需采用合理的计算模型设计计算,但是目前国内外学者所采用的土壤传热模型大多数将土壤传热视为纯粹的热传导,而忽略了土壤内的水分迁移对土壤传热的影响,导致土壤—空气换热器的设计与实际运行产生偏差,使得土壤—空气换热器投资增加,限制了它的推广应用。本文主要研究了土壤—空气换热器埋地换热管周围土壤内的热湿迁移规律,基于原有的埋地换热管一维线热源模型的土壤热湿迁移理论,进行了更进一步的研究,建立了土壤—空气换热器埋地换热管周围土壤的三维热湿耦合数学模型,使之更加符合工程实际。本文首先介绍了土壤这种多孔介质的基本特性参数和热物性参数,对土壤的热物性参数及含水率进行了理论分析,并对多孔介质的热湿迁移机理和热湿耦合模型进行了阐述。在能量守恒和质量守恒的基础上,建立了埋地换热管周围未饱和土壤内的三维热湿耦合物理、数学模型。对于所建数学模型,采用控制容积法进行方程离散化,并使用可视化编程软件visualbasic6.0编写了土壤热湿耦合迭代求解软件。模拟计算了土壤初始温度为14.10℃、土壤初始体积含水率为0.35m3/m3、单位管长放热量为40w/m、土壤—空气换热器运行8h排热情况下土壤的温度场和湿度场。计算结果表明,在管长方向上,随着与埋地换热管入口端距离的增大,土壤温度逐渐降低,然后趋于稳定值;土壤体积含水率沿管长方向先逐渐升高,在管长x=5.5m处达到峰值,然后逐渐降低趋于稳定值。在径向上,土壤温度随着半径的增大先逐渐降低,然后趋于稳定值;但土壤体积含水率随着半径的增大先逐渐升高,然后趋于稳定值。在时间上,随着土壤—空气换热器运行时间的推移,土壤水分不断向外层扩散,土壤温度逐渐升高,土壤体积含水率逐渐降低。其次,探究了土壤物性、土壤初始温度、土壤初始体积含水率、单位管长放热量等初始计算参数对土壤—空气换热器埋地换热管周围土壤温度场和湿度场的影响。计算结果表明,砂土的导热系数比粘土的大,热容量较粘土的小,热量传播较粘土的快,且砂土保水性比粘土的差。土壤初始温度越低,土壤温度梯度越大,热量传递地越快,在较大温度梯度的驱动下,土壤水分迁移较剧烈。土壤初始体积含水率增加,土壤温度传播地越慢,但驱动水分迁移的含水率梯度越大,土壤水分迁移越剧烈。单位管长放热量增加,土壤温度传播地越快,驱动水分迁移的温度梯度越大,土壤水分迁移越剧烈。最后,对本文的研究内容进行了总结,并对课题组接下来更进一步的试验研究工作提出了一些展望及建议。
【关键词】：土壤—空气换热器 日光温室 土壤温度场 土壤湿度场
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU83
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 符号说明13-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 课题研究背景与意义15-19
• 1.1.1 日光温室的发展15-16
• 1.1.2 土壤—空气换热器的发展16-17
• 1.1.3 土壤—空气换热器在日光温室中的应用17
• 1.1.4 土壤内热湿迁移理论的发展17-19
• 1.2 国内外研究现状19-23
• 1.2.1 土壤—空气换热器的研究现状19-22
• 1.2.2 土壤内热湿迁移的研究现状22-23
• 1.3 课题来源23-24
• 1.4 研究内容与方法24-25
• 第二章 土壤的热物性及热湿特性分析25-41
• 2.1 土壤的物性25-32
• 2.1.1 土壤的含水率26-27
• 2.1.2 土壤的密度27
• 2.1.3 土壤的孔隙度27-28
• 2.1.4 土壤的比热容28-30
• 2.1.5 土壤的导热系数30-31
• 2.1.6 土壤的热扩散系数31-32
• 2.2 浅层土壤的热湿特性32-37
• 2.2.1 浅层土壤的湿特性32-36
• 2.2.2 浅层土壤的热特性36-37
• 2.3 非饱和土壤内的热湿迁移机理37-39
• 2.3.1 非饱和土壤内的湿迁移机理37-38
• 2.3.2 非饱和土壤内的热迁移机理38-39
• 2.4 本章小结39-41
• 第三章 土壤—空气换热器土壤三维热湿耦合模型41-63
• 3.1 土壤—空气换热器土壤热湿耦合模型建立41-49
• 3.1.1 模型假定41
• 3.1.2 物理模型41-42
• 3.1.3 网格划分42-43
• 3.1.4 数学模型43-49
• 3.2 土壤—空气换热器土壤热湿耦合模型求解49-57
• 3.2.1 热湿迁移方程离散化49-53
• 3.2.2 边界条件53-54
• 3.2.3 初始条件54-55
• 3.2.4 求解算法55
• 3.2.5 计算流程图与程序编制55-57
• 3.3 模型验证57-62
• 3.3.1 供试日光温室57-59
• 3.3.2 测点布置59-60
• 3.3.3 试验仪器60
• 3.3.4 数据采集整理60-61
• 3.3.5 模型验证61-62
• 3.4 本章小结62-63
• 第四章 模拟结果分析63-73
• 4.1 沿管长方向的热湿迁移规律63-66
• 4.1.1 沿管长方向的热迁移规律63-64
• 4.1.2 沿管长方向的湿迁移规律64-66
• 4.2 沿径向的热湿迁移规律66-69
• 4.2.1 沿径向的热迁移规律66-67
• 4.2.2 沿径向的湿迁移规律67-69
• 4.3 随时间推移的热湿迁移规律69-71
• 4.3.1 温差驱动段随时间推移的热湿迁移规律69
• 4.3.2 共同驱动段随时间推移的热湿迁移规律69-70
• 4.3.3 未扰动段随时间推移的热湿迁移规律70-71
• 4.4 本章小结71-73
• 第五章 影响土壤热湿迁移的因素分析73-101
• 5.1 土壤物性对土壤温度场、湿度场的影响73-79
• 5.1.1 土壤物性对土壤温度场的影响73-76
• 5.1.2 土壤物性对土壤湿度场的影响76-79
• 5.2 土壤初始温度对土壤温度场、湿度场的影响79-85
• 5.2.1 土壤初始温度对土壤温度场的影响79-82
• 5.2.2 土壤初始温度对土壤湿度场的影响82-85
• 5.3 土壤初始体积含水率对土壤温度场、湿度场的影响85-92
• 5.3.1 土壤初始体积含水率对土壤温度场的影响85-89
• 5.3.2 土壤初始体积含水率对土壤湿度场的影响89-92
• 5.4 单位管长放热量对土壤温度场、湿度场的影响92-99
• 5.4.1 单位管长放热量对土壤温度场的影响92-96
• 5.4.2 单位管长放热量对土壤湿度场的影响96-99
• 5.5 本章小结99-101
• 第六章 结论与展望101-105
• 6.1 结论101-103
• 6.1.1 沿管长方向和径向的热湿迁移规律101-102
• 6.1.2 影响土壤热湿迁移的因素分析102-103
• 6.2 展望103-105
• 参考文献105-113
• 致谢113-115
• 攻读学位期间发表的学术论文目录115

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