多孔介质热渗耦合实验及模拟研究

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1、多孔介质热渗耦合实验及模拟研究第一章绪论1.1研究背景及意义传统能源在带给人类文明空前发展的同时，由于过渡开采与不合理利用也不可避免地产生了环境污染、资源枯竭、气候变化等问题，人类也受到了大自然的惩罚。能源作为人类社会存在与发展的基础，其需求量必然只增不减，根据国际能源署权威出版刊物《世界能源展望》对2004年至2030年的能源供应与需求预测表明，发展中国家所需的能源比例将不断上升，有超过70%的能源需求增长来自于发展中国家，仅中国就占30%。同时，伴随着中国经济的高速发展，我国的资源消耗量迅速

2、增加，一次能源生产量与消费量均超过20亿吨标准煤，居于世界第二位[1]。因此，中国要想实现可持续健康发展，亟待寻找新的能源出路，提高资源的开发利用效率，破解经济社会与能源短缺的矛盾，实现清洁、高效、低碳、多元的发展[2]。可再生能源的广泛利用为能源开发提供了节流手段以外的另一种途径开源[3]。当下，风能、海洋能、太阳能、生物质能、小水电、地热能等可再生能源的消费在总能源消费中的比例不断上升，具有良好的发展前景，世界各地正在兴起对可再生能源的开发热潮。美国发布的能源战略计划中明确提出到2025年可

3、再生能源生产将达1200亿Btu（英热单位），是其2000年的2倍。与此同时，欧盟国家也推出一系列计划与政策来支持和推进可再生能源的发展，到2020年对可再生能源的消费将达到一次性能源消费的10%，2050年达到50%。在中国，对可再生能源的开发利用也在悄然兴起，具有良好的发展势头，并提出中国可再生能源发展的目标是降低生产成本，提高转换效率，增大其在能源消耗中的比例[4]。1.2国内外研究概况热泵最早可追溯到18世纪，是在卡诺循环的基础上提出的，1852年汤姆逊利用制冷机的原理，第一个提出了热量

4、倍增器的概念，即后来的热泵系统。1912年，瑞士科学家佐伊利提出了其关于地源热泵的专利设想，该设想在最初热泵系统的基础上引入了大地（或土壤）作为热量交换的冷热源，以改变建筑物内的温度。20世纪30年代，欧美国家开始了解地源热泵并逐渐在美国盛行，在安装数量上，地源热泵约占总热泵的60%[6]。但是由于当时国际能源价格普遍低廉，加之前期投资所需费用较高，到20世纪50年代，地源热泵的早期研究热潮基本停止。1973年爆发的第一次能源危机使人们认识到能源的紧缺，而已经历技术改进的地源热泵以其节能、经济等

5、特点迎来了第二个春天。到80年代，欧洲、美国及日本的热泵技术也方兴未艾，达到了先进的工业化生产，被广泛推广应用于区域供热，并逐步实现了商业化。进入20世纪90年代，人们致力于低碳、环保、可持续的发展，地源热泵技术作为一种新型的可再生能源，开始在世界各地进入一个快速发展期。土壤作为地源热泵冷热源的一种，是一种典型的多孔介质，其物理特性及所处环境对地源热泵埋管换热效果影响较大，为了保证并提高地源热泵的换热效果，促进资源利用最优化，各国在理论基础研究、实验测试、数值模拟等诸多方面也取得了喜人的成果。针

6、对多孔介质中渗流的影响研究，Domenico＆Schura针对地下水渗流对竖直埋管的换热量大小利用数学积分进行了估计[9]。Fujii根据二维有限元方法模拟了地下水流动对换热器效果的影响[10]。Carslaet[13]的研究发现区域土壤含水率及地下水的水位波动是影响近地表土壤层热量传递的重要因素。.第二章多孔介质传热理论2.1多孔介质相关知识多孔介质是一种由多孔固体骨架及介质所组成的物质体，骨架空间被单相介质（气体流体或液体流体）或多相介质（气、液两相流体的混合体）所占据，骨架空间所构成的孔隙

7、比表面积极大，孔隙密集极小且互相贯通。常见的多孔介质有海绵、陶瓷、砂土、金属泡沫、木材及植物的根茎叶等。多孔介质的类型按孔隙的结构与形态可划分为裂隙性多孔介质、孔隙性多孔介质及多重性多孔介质等，按形成原因可划分为人造多孔介质、天然多孔介质等，按介质中湿分的状态与多少可划分为干饱和多孔介质、非饱和多孔介质及湿饱和多孔介质等。通常对多孔介质的研究多以按湿分的状态与多少划分为主，其示意图如图2-1所示。.2.2多孔介质理论基础平均容积法是在单元控制体内，通过微观控制方程或变量对流体容积积分，求得相对应

8、的控制方程及其平均变量值。在多孔介质传热分析过程中，利用能量守恒定律（即热力学第一定律），得到其相应的能量方程。在平均容积法的基础上，假定多孔介质为各项同性，且满足局部热平衡假设，忽略耗散传热、压力做功及热辐射的影响，本章对多孔介质的基本概念、分类情况进行了简要概述，并对其常用基本参数的定义及求解方法进行了介绍，同时，分析、推导了多孔介质流动与传热过程中所涉及到的基础理论与基本方程，在此基础上选定了本文多孔介质中水热耦合的数学模型，为后续的实验研究与模型模拟奠定了理论基础。土壤的导热系数、比热容