基于LBM的含湿岩土吸热过程气液相变机理研究

发布时间：2020-07-17 15:54

【摘要】：地热能是一种清洁可再生能源,而地源热泵技术广泛地用于提取浅层地热能。土壤源热泵系统是利用地下埋管换热器将岩土中蓄存的能量提取出来的浅层地热能利用系统。作为吸热与排热的场所,研究岩土层内吸放热过程中热湿耦合机理对于土壤源热泵系统高效利用有着非常重要的意义。本文将格子玻尔兹曼方法(以下简称LBM)作为数值模拟方法,针对岩土层吸热过程中相变薄区和多孔介质内部气液相变与流动过程进行了详细研究。首先,在LBM方法理论基础上,对主要模型进行了对比选择,探讨了LBM中的几种常见边界条件以及适用范围。详细阐述了Shan-Chen模型和Gong-Zheng相变格子玻尔兹曼模型,为后文气液相变与流动模拟研究提供理论基础。其次,研究了吸热过程中岩土层相变薄区内气液相变热质传递及流动过程。重点研究了不同壁面温度和壁面润湿性对于相变薄区内流场及温度场的影响。结果表明,气泡生成脱离壁面时间随壁面过热度的增大而减小。汽化核心处温度越高,气相生成脱离壁面所用的时间越少,气泡直径越大;气泡脱离壁面时间随接触角的增大而减小。亲疏水性决定着形成气膜的难易程度,从而影响着固壁-液相间的热量传输。接触角越大,温度场内的热传递效果越好。最后,研究了吸热过程中岩土层土壤多孔介质内热湿耦合过程。重点研究了不同土壤孔隙率、壁面温度和壁面润湿性对于多孔介质内流场与温度场的影响。研究结果表明,多孔介质孔隙率越大,对于初期相变的发生和和后期气相的流动、气液之间的相变以及传热的阻碍作用变得越小,达到稳定状态时的平均速度与平均热流密度越大;壁面过热度越高,初始状态下气液相变过程相对剧烈,计算域内初始平均速度较大,稳定状态下的岩土土壤层内平均热流密度值越大;壁面润湿性对于气相挣脱地埋管管壁速率有较大关系。在接触角越小时,非疏水性较强,相变多产生的气泡更容易形成气膜,所以其通过微小孔隙的能力也越弱,达到稳定状态时扩散距离越近并且对于固壁面-液相起到传热恶化的作用。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK521

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本文编号：2759637