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《华南理工大学》 2011年
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地下水渗流下地埋管换热器的数值模拟分析

王中华  
【摘要】:地源热泵是一种节能、环保,符合可持续发展理念的空调方式。在我国,资源耗费巨大,环境污染严重是现阶段发展面临的首要问题。地源热泵作为一种可再生能源技术在我国有广阔的发展前景。地源热泵的应用研究,涉及浅层大地的水文地质条件。岩土物性是影响地源热泵运行特性的重要因素;而地下水渗流,从理论研究和工程实际来看都对地源热泵的运行有重大影响,是决定地源热泵设计成败的关键因素。 本文首先阐述了地源热泵的工作特点、原理及研究现状和进展,接着论述了热泵研究中将要涉及的一些参数概念和数学物理模型。然后将土体视为饱和多孔介质,并考虑地下水渗流后,建立起垂直U型埋管热渗耦合模型,模拟埋管与土体的换热过程及周围温度场分布情况。论文采用前处理建模软件GAMBIT建立物理模型,然后用数值分析软件FLUENT进行数值模拟计算和后处理。 本文分析了不同孔隙率和渗流下U型换热器周围温度场分布情况,并分析这些因素对换热热阻的影响。当无渗流时,埋管周围温度场呈轴对称分布,周围热阻较大;沿埋管边界向外温度逐渐升高(冬季)或降低(夏季),在距离埋管中心6.5m处温度接近初始地温。当考虑渗流时,水平方向上距离埋管很近的地方温度已经接近初始地温,说明热阻大大减小,有利于埋管和岩土的换热;由于渗流存在,热量向下游迁移,导致上游热阻较小,下游热阻较大,在进行井群布置的时候尤其要考虑此因素。另外,无渗流条件下不同孔隙率地埋管周围温度场分布变化较小;但是通过日换热量的变化可以看出孔隙率的影响还是较大的,对于地下水资源较少的地区,孔隙率对设计影响较大。但是当需要考虑地下水渗流时,随着渗流速度的增大,渗流本身对岩土温度场的影响远远大过孔隙率的影响,甚至可以忽略孔隙率对温度场的影响。最后通过对比不同渗流速度下温度场的分布,得出随着渗流速度的增大,地埋管换热热阻逐渐减小,当速度达到5m/d时热阻趋于恒定。本文最后一章介绍了地源热泵在武汉地区的应用,并结合工程实例说明当孔隙率取值不同时(本文假设减小11%)给工程造价和运行带来的影响;进一步说明岩土参数取值对系统设计的重要性。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TU831

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