基于格子boltzmann方法的饱和土壤渗流与传热数值研究

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1、万方数据基于格子Boltzmann方法的饱和土壤渗流与传热数值研究格子Boltzmann方法(LatticeBoltzmannMethod，LBM)是近年来十分活跃且极具发展前景备受国内外关注的一种新的介观模拟手段，相比于传统的CFD方法由于其物理背景清晰、边界处理容易实现、数值精度高等优势，目前己成功应用于多孔介质多尺度复杂几何边界流体流动与传热领域的计算，发展非常迅速【4】。为了进一步探究地下水渗流对地埋管换热器换热性能的影响，本文以地热源地埋管换热为背景，通过重构土壤多孔介质模型，利用格子Boltzmann

2、模型从孑L隙尺度的角度出发，直接对饱和土壤内渗流与传热过程开展数值模拟研究，以揭示微观下土壤结构演化及流动与传热耦合的规律。该研究对于地热能的利用与地埋管换热器系统的模型建立具有重要意义。1．2课题的研究现状1．2．1宏观方面实验和数值模拟研究在宏观层面上，目前国内外关于地下水渗流对地源热泵地埋管换热器的换热性能影响开展了一定研究，研究手段主要集中在实验和数值模拟两个方面。这其中涌现出了一批具有代表性的研究成果。(1)实验研究Katsura等[5】根据热响应测得的梯度值提出了一个比较合乎实际的获取地下水渗流速度的

3、方法。在对探针进行实验数据标定校正的基础上，分别引入了热探针法、加热法、热响应法进行户外地下渗流速度测量，并将测量值分别进行对比。对比结果表明：在地下7～10m处，利用热探针法测得的地下渗流速度为0～200rrdyear，这与已有传统实验方法测得的数据吻合良好，证明了该热探针法能够有效的获取地下水渗流速度。Wang等[61对保定地区一地下埋管换热器进行了现场岩芯取样分析和竖直地埋管热力性能测试。测试结果表明，地下水渗流对地下埋管周围温度场影响作用显著。相比于无对流换热作用时，处于含水层中，在向土壤蓄热和提取热量工

4、况下，地下换热器系统性能分别提升9．8％和12．9％，地下水渗流作用将有助于削弱地下换热器长期运行可能造成的土壤温度场失衡。但在该实验中地下水流速并不能完全反映出地下水流动实际情况，流动对换热器造成的影响是借助TRNSYS软件最后综合模拟得到的。Mohamed等[7】借助综合系统试验台对浅层土壤热力特性进行了相关实验研究。着重讨论了地下埋管中防冻液流速、地表水位波动、地表雨水下渗速度对浅层土壤地温恢复特性的影响。实验结果表明，增加埋管周围土壤含水量有助于浅层土壤温度恢复；对于埋管中流体流动处于层流状态而言，改变埋

5、管中循环液质量流速对于整个系统热力效万方数据大连理工大学硕士学位论文应未见明显影响。通过向地下灌排水实验表明，砂土的导热系数在很大程度上取决于土壤中地下水饱和度和渗流流通路径；雨水下渗对于浅层地温恢复只起到暂时加强作用，更多的则依赖于降雨强度。尚妍等【8，91针对土壤源热泵运行过程中可能出现的地下传热衰减问题，对大连地区制热模式下进行了热泵间歇运行实验，测试分析了该运行模式中地温变化规律及其对整个换热系统性能的影响。此外，利用该含湿岩土间歇放热实验系统平台还分析了不同回填材料、埋管入口质量流量下土壤温度场特征规律

6、。实验结果表明，热泵采用间歇运行策略能明显改善地下传热和地温恢复特性，提高热泵系统性能。同时还指出，在实际存在地下水渗流作用时，土壤温度变化与埋管入口质量流量、土壤导热系数等因素综合呈指数关系。巨兆强等[10】采用热脉冲．时域反射技术(Thenno—timedomainreflectometry，TDR)测定了土壤中固相颗粒排列结构和含水量动态变化对土壤有效导热系数的影响。在实验中，分别选用固相颗粒团聚(<2ram)的壤土和非团聚(<0．1mm)的粘土作为研究对象，利用TDR进行了连续性测试和间歇性测试。连续性测

7、试结果表明，在地下含水量动态变化中，非团聚土壤的导热系数要明显高于团聚土壤的导热系数。分析其原因是由于非团聚土壤整个孔隙结构均质统一，孔隙水与周围骨架形成的液桥增大，使得接触热阻显著减小，热传导能力增强造成的。这两类不同质地土壤的有效导热系数在间歇测试中也得到了类似的测试结果。此外，任图生和巨兆强等【ll’12】还利用该项技术针对不同质地土壤的电导率、容积热容量和热扩散系数进行了测定，并计算得到了土壤容重、通气孔度和饱和度。(2)数值模拟研究刁乃仁等【13】建立了地下存在均匀渗流时二维饱和多孔介质中传热的能量方程

8、，采用格林函数分析法得到了无限大介质中移动线热源温度响应的解析解，计算结果引入无量纲参数来表征渗流相对于热扩散对传热的影响。数值结果表明：与无渗流情况温度场对比发现，存在渗流时随着渗流速度的增加，地下温度场变形显著，明显向渗流方向推进，整个传热过程趋于稳定时间缩短，稳定时对应的无量纲过余温度降低。该模型为实际情况下地埋管换热器的设计和性能仿真应用提供了一定的理论依据，但模