基于Fluent的地下U型埋管换热器传热温度场模拟分析
基于FLUENT的管壳式换热器流场的数值模拟与分析
基于FLUENT的管壳式换热器流场的数值模拟与分析鲍苏洋（南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009)摘要:通过简化管壳式换热器模型，采用非结构网格划分，选用κ-ε湍流模型，应用CFD 软件FLUENT 对壳程流体流动和传热过程进行了数值模拟，得到了不同折流板间距情况下壳程流体温度场、压力场以及速度场的分布情况。
分析了折流板间距对壳程流体流场分布、换热器传热速率以及压力损失的影响，并得出了进口流速与传热量和压力损失之间的关系。
模拟结果与理论研究结果相符合，对管壳式换热器的设计和改进有一定的参考价值。
关键词:化工机械; 换热器; 数值模拟; 温度场; 速度场; 压力场Numerical Simulation and Analysis of Flow Field in Shell-and-Tube Heat Exchanger Based on FLUENTSuyang BAO( School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China)Abstract: By simplified the model of shell-and-tube heat exchangers，adopted the unstructured mesh，chose the κ-εturbulence model to gain the static temperature field，velocity field and static pressure field distribution of shell by taking numerical simulation of the shell side turbulent flow and heat transfer process with the CFD software FLUENT at different baffle spacing．Analyzed the effect of baffle spacing on the distribution of shell fluid flow，heat transfer rate and pressure drop，also acquired the relationship between inlet velocity and heat transfer rate，pressure drop．The simulation results consistent with the theoretical results of shell-and-tube heat exchangers，which can be a reference for the design and improvement of shell-and-tube heat exchangers．Key words: chemical machinery; heat exchanger; numerical simulation; temperature field; velocity field; pressure field0 引言换热器是石油化工行业广泛应用的工艺设备，换热器不仅能够合理调节工艺介质的温度以满足生产工艺的需要，同时也是余热回收利用的有效设备［1］。
地下水渗流对双U型地埋管换热器的模拟研究
地下水渗流对双U型地埋管换热器的模拟研究为确定地下水渗流对双U型地下埋管换热器换热性能的影响，利用FLUENT 软件建立实际尺寸的双U型埋管钻井换热模型和周围土壤多孔介质模型，分别对土壤中无地下水渗流和有地下水渗流且渗流速度为2×10-6m/s时对换热器换热量和地下土壤温度场影响进行模拟研究。
结果表明：在其它工况不变情况下仅改变地下水渗流速度（由0m/s到2×10-6m/s），埋管流体出口温度随着渗流速度的增大而减小，埋管的进出口温差相应的随着渗流速度的增大而增大，导致双U 型埋管与土壤间的换热量越来越大，地下水渗流增强了双U型埋管的换热能力。
标签：地下水渗流；双U型埋管换热器；模拟研究Abstract：In order to determine the effect of groundwater seepage on the heat transfer performance of double U-shaped buried tube heat exchanger，the heat transfer model of double U-shaped buried pipe drilling and the porous media model of surrounding soil were established using FLUENT software. The effects of heat exchanger heat transfer and soil temperature field on the heat transfer of the heat exchanger were simulated when the seepage rate was 2×10-6m/s and there was no groundwater seepage in the soil. The results show that when the flow velocity of groundwater is changed only in other conditions（from 0m/s to 2×10-6m/s），the outlet temperature of buried pipe decreases with the increase of seepage velocity，and the temperature difference between inlet and outlet of buried pipe increases with the increase of seepage velocity. As a result，the heat transfer between double U-type buried pipe and soil is increasing，and the heat transfer capacity of double U-shaped buried pipe is enhanced by groundwater seepage.Keywords：groundwater seepage；double U-shaped heat exchanger；simulation study引言在我国的南方，夏季的供冷能耗是建筑能耗的重要组成部分，并且在建筑总能耗中占有很大的比例。
地热换热器U型埋管的传热模型及热阻计算
! " # $ % & ’ $ " # $ % # # & #’( ) * + , " & . # " * . ’ /# ( & ’ , + # ( ’ ( &1 & ’ (( 2 ’ . # 3 & 2* , & /" .( 1 &4 * 2 & 1 * / & "! 0 3 * 25 & 2 ( " $ ’ /6 + # 1 ’ &4 % 2 " & ,7 " &* 38 & * ( 1 & 2 ’ /1 & ’ (& 9 $ 1 ’ . 8 & 2* 3( 1 &8 2 * % . ,# * % 2 $ &1 & ’ (7 % 7 7 7 # : ; < =$# # ( & ->? $ $ * 2 , " . 8( *( 1 &’ . ’ / ( " $ ’ /# * / % ( " * .* 3( & & 2 ’ ( % 2 &, " # ( 2 " 4 % ( " * ." .( 1 & 0 0 7 " * 4 ( ’ " . #’ .& 9 2 & # # " * .* 3 ( 1 &( 1 & 2 ’ / 2 & # " # ( ’ . $ &4 & ( ) & & .( 1 &$ " 2 $ % / ’ ( " . 83 / % " ,’ . ,( 1 & 4 * 2 & 1 * / & 7 4 * 2 & 1 * / &) ’ / / >? . ’ / # & #( 1 &" . 3 / % & . $ " . 83 ’ $ ( * 2 #* 3( 1 &4 * 2 & 1 * / &( 1 & 2 ’ /2 & # " # ( ’ . $ & >@ . 0 " ( 1 &. & )* , & /$ ’ .4 &’ * 2 &’ $ $ % 2 ’ ( & $ * ’ 2 " # * .) " ( 1( 1 &# " / " 3 " & ,* . & + , " & . # " * . ’ /* , & / 7 7 ’ . ,2 & / " ’ 4 / &2 & 3 & 2 & . $ &3 * 2, & # " 8 .’ . ,# " % / ’ ( " * .* 3: ; < => " " ( ) + , % # 2 * % . ,# * % 2 $ &1 & ’ (7 % 8 & * ( 1 & 2 ’ / 1 & ’ (& 9 $ 1 ’ . 8 & 2 ( 1 & 2 ’ / 2 & # " # ( ’ . $ & "8 * 7
U型真空管集热器温度场的模拟分析
U型真空管集热器温度场的模拟分析卫江红【摘要】建立和分析了U型真空管集热器的热效率的表达式,并在FLUENT中建立动态仿真模型,利用模型分析了U型管的入口流速和结构尺寸、太阳辐照度对真空管内温度场的影响.结果表明:减小人口流速和U型管内径、增加太阳辐射量和U 型管的长度都可以使真空管的出口平均温度增高.该分析结果可对U型玻璃真空管的优化设计、参数匹配等方面提供理论支撑.【期刊名称】《德州学院学报》【年(卷),期】2014(030)004【总页数】3页(P68-70)【关键词】U型真空管;热效率;出口温度;动态模拟【作者】卫江红【作者单位】德州学院机电工程学院,山东德州 253023【正文语种】中文【中图分类】TK5151 引言全玻璃真空管集热器结构简单、价格较低、制造方便、集热效率高，是我国太阳能热水器市场主流产品，但其承压能力较低，单管破裂会影响系统的整体运行．U型真空管集热器继承了全玻璃真空管热损失少的特点，同时，真空管内不走水，可以避免炸管泄漏的问题，并且能够承受较大压力．对于全玻璃真空管集热器，有关结构对性能影响以及优化的研究工作已经取得不少成果［1，2］，但 U型真空管集热器热性能的研究文献较少．本文将从理论上分析影响U型真空管集热器热性能的因素，并建立仿真模型进行模拟分析，从而对U型玻璃真空管的优化设计、参数匹配等方面提供理论支撑和技术支持．2 U型真空集热管结构及工作原理U型真空集热管大体由五部分组成，分别是：外玻璃管、内玻璃管（吸热管）、选择性吸收涂层、铝翼和U型铜管，其结构详见图1．外玻璃管和内玻璃管之间抽成真空，内玻璃管的外壁涂有选择性吸收涂层，内玻璃管与铝翼紧密接触［3］．其工作原理和换热过程：太阳辐射穿过外玻璃管，投射在有选择性吸收涂层的内玻璃管上，选择性吸收涂层将太阳辐射转换为热能，再通过内玻璃管、铝翼和U型铜管将热量传递给U型管内的流体工质，使流体不断升温．3 U型真空集热管热效率太阳能集热器的热性能用集热器的瞬时效率衡量，其物理意义是在规定时间内吸收的有用能量与入射在集热器表面上的太阳辐射能之比［3］．U型真空集热管热效率计算公式为式中：mf，cf，ρ，ν，Tf 分别是流体的质量流量（kg／s）、比热容（J／kg·K）、密度（kg／m3）、流速（m／s）、平均温度；As，Ac是真空管的采光面积和流体的横截面积（m2）；S 是太阳辐射量的瞬时值（W／m2）．图1 U型真空集热管截面示意图4 U型真空集热管数值模拟由热效率计算公式可知，U型真空管的热效率与管内工作介质的流速，太阳辐照度和真空管的内部结构有关．本文利用ANSYS FLUENT软件对单根U型真空管内部温度场进行数值模拟，分析各种影响因素对真空管换热的影响．利用Pro／E软件建立U型真空管的结构模型，如图2所示．外玻璃管和内玻璃管的外径分别为58 mm和47mm，厚度均为2mm；铝翼外径为47 mm，厚度为0．3mm；U型铜管的厚度为0．5mm．在ANSYS Meshing中对内、外玻璃管、铝翼、U型铜管及内部流体进行三维网格划分［4］，如图3所示．在FLUENT中将模拟条件设置为分离变量隐式求解，以保证收敛的稳定性；在Models中采用标准k－ε湍流模型，由于内、外玻璃管之间保持高度真空，因此将其内部设置成DO辐射模型［5－7］；压力和速度解耦采用SIMPLE算法；环境温度设为293K；各种材料的物质属性见表1．图2 U型真空管结构模型图3 U型真空管网格模型表1 材料的物性表材质密度比热容导热系数粘性系数玻璃 2550 779 0．74铝2770 871 202铜8900 387 398水998．2 4187 0．6 0．001003 4．1 入口流速的影响所建模型的入口边界条件为速度入口．保持太阳辐照度600W／m2、玻璃管长度1．2m、U型铜管内径10mm不变，改变入口流速，使其分别在0．02 m／s、0．05m／s两种条件下计算．当入口流速改变时真空管内部温度场的变化如图4所示，其出口平均温度分别为298．4K和295．3K．由此可知，沿流动方向管内的流体温度逐渐上升，温度在出口处达到最大值．随着流速的增加，真空管出口温度逐渐降低．主要是因为随着流速的增加，缩短了管内流体到达紊流状态的时间，管内流量增加，导致流体出口温度降低．V＝0．02m／s V＝0．05m／s图4 不同入口流速时的温度场4．2 太阳辐照度的影响保持玻璃管长度1．2m、U型铜管内径10mm、入口流速0．02 m／s不变，使太阳辐照度分别为800W／m2、1100W／m2．计算结果如图5所示，其出口平均温度分别为300．2K和302．8K．由此可知，随着太阳辐照度的增大，真空管出口处平均温度升高．这主要因为当入射到玻璃管上的辐射能越大，吸收的辐射能就越多，流体的温度就越高．S＝800W／m2 S＝1100W／m2图5 不同太阳辐照度时的温度场4．3 U型管内径的影响保持入口流速0．02m／s、太阳辐照度600W／m2、U型管管长1．5m不变，使U型管内径分别为8mm和12mm．计算结果如图6所示，其出口平均温度分别为301．4K和298．6K．由此可知，U 型铜管的内径越大，流体的出口平均温度越低．主要是因为在内径增加会引起流量的增大，U型管的进出口温差降低，出口处的平均温度随之下降．d＝8mm d＝12mm图6 不同U型管内径时的温度场4．4 U型管管长的影响保持U型铜管内径10mm、入口流速0．02m／s、太阳辐照度600W／m2不变，使U型管管长分别为1．5m和1．8m．计算结果如图7所示，其出口平均温度分别为299．7K和301．1K．由此可知，随着真空管长度的增加，流体的出口平均温度也增加．L＝1．5m L＝1．8m图7 不同U型管长度时的温度场5 结论通过对U型真空集热管内温度场的模拟，可得出以下结论．1）U型管内流体的入口流速、太阳辐照度、U型管的长度和内径均对出口处的平均温度和热效率有影响．适当减小流体的入口速度和U型管内径、增加太阳辐照度和U型管的长度，可以提高出口处的平均温度；适当增加U型管内流体的入口流速、太阳辐照度和U型管的内径，可以提高真空管的热效率．2）在相同的太阳辐射量的条件下，单根真空管的长度越长，流体的出口平均温度增加．当所需要的热量相同时，真空管的根数就越少．但是，真空管过长易使流动出现死角，影响换热．所以，在不影响安装和增加成本的情况下，可适当增加真空管的长度．3）U型管的内径越大，流体的出口平均温度越低．随着U型管内管内流体温度的降低，管内流体与环境温差减小，热损失变小，热效率相应提高．但是U型铜管的内径增大的同时，热容量也会增大，可能导致真空管的启动速度较慢．所以，选择U型管内径时，需要整体衡量真空管的经济性和光热转化性能．参考文献：［1］田琦．水在玻璃管真空管太阳集热器性能计算与分析［J］．能源技术，2007，28（3）：51－54．［2］钟建立，等．全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的可视化研究［J］．浙江大学学报，2005，31（3）：352－353．［3］罗运俊，何梓年，王长贵．太阳能热利用技术［M］．北京：化学工业出版社，2011：44－46，64－67．［4］凌桂龙，丁金滨，温正．ANSYS Workbench13．0从入门到精通［M］．北京：清华大学出版社，2012：58－70．［5］安玉娇，高岩，李德英．U型管集热器流场和热特性的数值模拟［J］．能源技术，2010，31（3）：169－174．［6］温正，石良辰，任毅如．Fluent流体计算应用教程［M］．北京：清华大学出版社，2009：50－62．［7］安玉娇．U型玻璃真空管太阳能集热器热性能研究与优化设计［D］．北京：北京建筑工程学院，2010．。
地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟
!" $%外的传热
钻孔 壁 温 随 运 行时 间 的 变 化是工程 及 地 源 热 泵系统模拟计算中所关心的具有代表性的温度， 因 此钻孔以外传热 分 析 的 主 要目的是 根 据 瞬 时传热 . 由 于 钻孔 以 外 的传热 空 量来确定钻孔壁温 T（ b t） 间区域及其相应介质的热容量较大， 而且涉及的时 间也很长， 故在系统模拟中必须按非稳态来处理才 能获得准确解. 目前有很多的模型可用于求解钻孔 以外部分的瞬态传热 问题， 最 为 经典、 常用的 分 析 解模型要数线热源模型与圆柱源模型. 两者的主要 区别在于 FO 较小 时， 线 热 源 的解有一 定 的时 间延 （ 对于典型 的 埋 管 特性 参 数 约 为 7 而当 FO > 10 迟， h） 后两者 的解 吻 合得较 好， 其 原 因 主 要是 线源模 型假定的热流 是 施 加 在 半 径 r = 0 处， 而 圆柱 源模 型是在 r = r b 处. 从物理意义上讲， 在 r = rb 处施加
2006 -05 -08 . 收稿日期： （ 50276013 ） . 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （ 1975 —） ， （ 联系人 ） ， 男， 施明恒 男， 教 作者简介：杨卫波 博士生； 博士生导师，mhshi@ seu. edu. cn. 授，
并已得到了实际应用. 在地 源 热 泵 系统的 设 计中， 建立较为准确的 埋 管 传热 模型 并进行可 靠 的系统 模拟计算是合理设计地下埋管的前提与基础. 垂直 U 型埋管因较其他埋管方式具有节地、 效率高及 性 能稳定等优点而成为当 前 地 源 热 泵 地 下 埋 管 的 主 流形式. 垂直 U 型埋管换热器 通常采用一个 钻孔 中 布
U型埋管地热换热器的传热模型及换热性能的提高
U型埋管地热换热器地传热模型及换热性能地提高摘要高效利用可再生清洁地地热能、提高人居环境地舒适度并实现节能环保是本课题研究地主要目地 . 传统地空调系统受环境温度影响大、能效较低。
水源热泵空调系统存在回灌难、污染地下水等问题。
土壤源热泵空调系统在供暖、制冷、供热水等方面具有运行稳定、效果良好等优点 , 在国外己广泛应用 . 但国内地研究与应用起步较晚 , 解决地埋管换热器与土壤间地强化传热、系统初投资较高等问题是推动其发展地关键 . b5E2RGbCAP本文以竖直U型埋管换热器为研究对象，采用数值模拟方法对影响地埋管换热效率地各种因素进行研究 , 结果表明 , 井深、流体速度、回填材料导热系数及支管中心距对换热地影响较为明显，当井深小于150m时，增加井深使换热器地总换热量增大，但当井深大于250m时，由于支管间热短路现象加剧，随着井深地增加总换热量趋于平缓，且钻井费用提高，因此最佳井深范围可取 150m-250m提高 u 型管内流体地流速 , 使总换热量与 u 型埋管换热器效率增加 , 当流速超过 0.8m/s 时两者地增加速率都已很低 , 而同时 u 型管进出口压降却迅速增大 , 因此, 推荐 u 型管内经济流速范围为 0.4m/s-0.8m/s. p1EanqFDPw关键词地源热泵；换热器；传热模型；换热器效率引言随着传统不可再生能源地不断消耗 , 能源紧缺地问题日益严重 , 具有节能特点地地源热泵（ground source heat pump> 系统越来越受到人们地关注 . 地源热泵系统是一种利用地下浅层地温地热资源 <常温土壤或地下水）地既可供热又可制冷地高效节能热泵系统 . 它卞要包括三个部分 :从土壤、地下水或地表水吸热 / 放热地装置；热泵机组；送风系统 . DXDiTa9E3d 根据地源热泵祸合换热系统地换热方式 , 可以把地源热泵系统分为闭式循环系统和开式循环系统 . 本文研究地是闭式循环垂直式热泵系统 . 设置地热换热器是闭环地源热泵（或称地下偶合热泵）空调系统地最大特点 . 这种地热换热器中地传热是管内流体与周围岩土之间地换热 , 与两种流体之间换热地常规换热器有很大地不同 . 通常地热换热器有水平和竖直两种布置方式 . 竖直布置地地热换热器通常都是在钻孔内布置 U 型地塑料管 ,再加上回填材料 , 与周围岩土构成一个整体 . 由于竖直埋管地热换热器具有占地少、工作性能稳定等优点 ,己成为工程应用中地主导形式 . 对其传热模型地研究也就成为开发地源热泵空调系统首要地课题 . 地源热泵空调系统地主要缺点是其地热换热器地初投资较高 ,这也是阻碍地源热泵空调系统发展地主要原因之一 . 因此对地热换热器地结构进行优化设计,并提供可靠地设计计算模型是降低地热换热器造价地重要途径, 也是推广地源热泵地关键技术之一 [1]. RTCrpUDGiT对地源热泵U型管地下换热器地研究，在工程上国内外主要使用线热源模型和柱热源模型[2-3],虽然模型考虑了 U型管地具体形状以及其他影响因素，但由于使用地都是一维模型 , 只研究某水平平面 , 不能全面反映整个换热区域地换热情况[4-5]. 刁乃仁等通过解读地方法得出了一维和准二维地模型 [6].. 但其一维和二维模型主要是建立在回填土区域 , 由于 U 型管地下换热器传热地不均匀性 , 回填土最外层地壁温显然不是均匀地 . 而且在非稳态过程中 , 回填土最外层壁温很难确定.为了研究整个换热区域地情况,本文使用CFD数值仿真软件对地下 U 型管换热器进行了模拟，进而研究了 U型管换热器主要参数对U型管换热器换热效率地影响 .5PCzVD7HxA1.数学模型1. 1 假设条件由于 U 型竖直埋管地下换热器地几何形状和土壤传热地复杂性 , 为了减少网格数量和降低计算地难度 , 所以要进行必要地简化 . 同时, 为了保持所得结果地精度符合工程要求 , 作如下假设 : jLBHrnAILg<1 ）土壤是均匀地 , 而目在整个传热过程中土壤地热物性不变 . 由于地下换热器引起地土壤温度变化比较小 , 因此可以这样假设 . xHAQX74J0X<2 ）忽略土壤中水分迁移地影响 .（ 3> 忽略 U 型管管壁与回填材料、回填材料与土壤之间地接触热阻 .(4> 忽略地表温度波动以及埋管深度对土壤温度地影响，认为土壤温度均匀一致，初始阶段为当地地年平均气温.LDAYtRyKfE(5> 认为U型管底部弯管是绝热地，而流体地速度分布和方向改变.(6>钻孔间距足够大，忽略孔与孔之间地传热影响.1.2 一维导热模型工程上对单U型埋管与地层地传热问题，通常分为两部分来处理.一是钻孔内部地传热，二是由钻孔壁面至外部地层之间地换热.与钻孔壁以外部分地传热过程相比，由于钻孔内部(包括回灌材料、管壁及传热介质>地几何尺寸和热容量都相对要小得多，而且其温度变化都较为缓慢，因此可将钻孔内部地传热过程当作稳态地传热过程来处理.除了对于讨论地时间尺度小于数小时地动态问题外，这样地简化已被证明是合理地和方便地.另一方面，由于钻孔地深度远大于其直径，因此，岩土和钻孔地回灌材料中地轴向导热，与横截面内地导热相比可以忽略不计.由于U型管地结构特点，钻孔横截面上地导热明显是二维地，求解较为困难. 因此，工程上采用地最简单地模型是把钻孔中U型管地两个支管简化为一个当量地单管[8],由此回避了 U型埋管两支管与钻孔因不同轴而带来地复杂问题，并进而把钻孔内部地导热简化为一维导热.显然,这样地模型缺乏理论依据，过于粗糙, 当然无法讨论U型管两支管地位置及其相互间地传热对整个换热过程地影响.简化地一维模型不能反映管间距和孔外地层地导热系数对孔内热阻地影响.Zzz6ZB2Ltk1.3二维导热模型在忽略轴向导热地条件下，如果U型管地两根支管单位长度地热流分别为q1 和q2,根据线性迭加原理，所讨论地稳态温度场应该是这两个热流作用产生地过余温度场地叠加.这就是钻孔横截面上地二维稳态导热模型[7]. dvzfvkwMI1二维模型地引入，对于钻孔横截面上地导热热阻，包括支管与孔壁间地热阻和两支管间地热阻，给出了定量地解读式，进而可以分析讨论U型管在钻孔中地几何配置对导热地影响.因此，二维模型明显优于一维模型.但是在此二维模型中也没有考虑两支管内流体温度沿深度方向地变化.rqyn14ZNXI1.4准三维导热模型一、二维模型都因为没考虑流体温度沿程地变化，因此不能确定各个横截面上地传热量；而且忽略了U型管由于两支管中流体温度地不同而引起地热流“短路”现象.因此,在二维模型地基础上，流体温度在深度方向地变化必须予以考虑.考虑管内流体温度沿着深度方向上地变化，为保持模型地简明，钻孔内固体部分地轴向导热仍忽略不计.这可称为准三维模型[8]. EmxvxOtOco2.各种因素对换热性能地影响2. 1管腿中心距和竖井直径地影响将U形管地管腿中心距分别设为100mm, 80mm, 60mm其他条件与上述模型一样，计算所得每 M深井地平均热流量为 28.82w/m, 27.43w/m,25.13w/m.由此可见，中心距越小时，热流量越小，这是因为，管腿中心距越小，管腿之间相互影响越大.在热阻一定地情况下，埋管周围温度越高，热流量越大，两管腿之间影响越小，相反，埋管周围温度越低，热流量就越小，两管腿之间影响就越大.U型管周围部分,温度依次降低，也正说明了热流量随管腿中心距地减小而减少.而且管腿中心距由84mm 到60mm热流量下降地程度是1 OOmrSJ 80mnd地 1.65倍，这也正说明：管腿中心距越小，热流量减少地程度越大，反过来说，中心距越大，热流量增大地程度越小.SixE2yXPq5流动压力损失分别为 29.98kpa. 3d.35kpa. 30.78kpa, 由此可见，中心距小时,水流经过 U形弯管时，局部压力损失较大，所以总体压力损失稍大.但是6ewMyirQFL管腿中心距为60mm时,压力损失仅比管腿中心距为100mm时大2.7%,因此管腿中心距对压力损失影响很小，可以忽略不计.kavU42VRUs因此，在竖并允许地范围内，为了保证较大地热流量和较小地压力损失，尽量保持较大地管腿中心距，但是由于管腿中心距越大，增加地热流量就越少，因此,没有必要为保持较大管腿中心距，而增加竖井直径，这样会得不偿失.将竖井地直径分别设为200mm. 250mm. 300mn其他条件与上述模型相似,得到地单位深井热流量分别为 28.82w/m. 29.7w/m, 30.35w/m, 这是因为回填物地热阻小于周围土壤 ,竖井直径加大相当于传热热阻减小 , 所以热流量较大 . 但是由计算结果可知,直径为300mn竖井地热流量仅比200mm竖井地热流量大 5%,可见竖井直径对热流量地影响并不很大 .综上所述 , 工程上应使用适宜打井地经济合理地竖直直径 , 而不要为增大有限地热流量而使用大地竖直直径 , 因为这样做会增大工程造价 , 而其优化传热效果并不明显 .2. 2 回填材料热导率对换热效率地影响当考虑地源热泵地性能时 , 回填材料是非常重要地 , 材料要有一个较大地导热率以增加土壤地传热量 , 但这个导热率如果太大地话 , 系统反而可能产生热短路现象（热短路现象是指 :U 型管两管脚之间存在温差 , 温差最大处位于 U 型管进出口处,越往下,温差呈递减趋势，由于U型管进出口处温差大，加之两管间距离较小, 在这里可能发生较强地热量传递 , 从而使出水温度在进口段较短距离内下降（上升＞很大, 以致影响传热 . y6v3ALoS892. 3 钻孔深度对换热效率地影响除进水管进水水温取 40C、支管间距取为150mm钻孔深度改变以外,主要参数同表2.通过CFD莫拟计算,结果见图1和图2.从图1和图2可以看出,在钻孔深度增加时，出水口出水平均温度几乎是线性下降，但当钻孔深度超过80m后, 两支管地温升比急剧增加,从80m地 2急剧增加到100m地3,支管间地漏热加剧从而降低了单位管长地换热效率 . 因此, 建议钻孔深度不要太深 , 对要求较低出水温度地工况可以使用两个 U型管并联工作来减少支管间地温升比，提高单位管长地换热效率 .M2ub6vSTnP30^0 SO1090 10钻孔深度/m图1出水温度随钻孔深度地变化曲线Fig.5 Change of the outlet water temperature with holedepth OYujCfmUCwand outlet temperatures2.4不同流速对热效率地影响 根据工程经验，管内流速一般都小于1.2m/s,拟选取1.2m/s,0.9m/s,0.6m/s,0.5m/s,0.4m/s,0.3m/s,0.2m/s,0.15m/s. 流速为 1.2m/s 时,管内流动雷诺数为20000,0.12m/s 时，雷诺数为2000,这样地选取覆盖了从过 渡流到旺盛紊流地不同流态，其单位井深平均热流量变化情况如图7. sQsAEJkW5T由图3可知,在进口水温一定时，传热量随流速增大而增加，但是变化趋势逐 渐变缓•流速在0.12-0.4m/s 地阶段，换热量随流速地增加幅度较大 ，而0.4- 31 iH图2两支管地温升比随钻孔深度地变化曲线Fig.6 Change of the specific value between inlet with hole depth euts8ZQVRd0.6m/s地阶段,换热量随流速地增长幅度较小，约为原来地一半甚至更小，流速在0.6m/s以上时，换热量随流速地增加改变地幅度已经很小，也就是说，每增加单位流速得到地热流量增量随着流速地增加在减小.GMsIasNXkA图3不同流速下热流量地变化趋势3.结论（1>地源热泵U型管地下换热器地换热效率随支管间距地增大而增加，但当支管间距增加到一定值后支管问距地增加对 U型管地下换热器换热效率地影响变弱. 在使用地回填土材料热导率变大时，支管间距地变化对U型管地下换热器换热效率影响变大，因此建议在使用高热导率材料地同时应该适当加大U型管两支管地间距.TlrRGchYzg<2 ）地源热泵U型管地下换热器地换热效率随回填土材料热导率地增加而增大•为了提高U型管地下换热器效率，应该努力提高回填土层地热导率.7EqZcWLZNX （3）在钻孔深度增加时，出水口出水温度几乎成线性下降；但是当钻孔深度超过80m时,两支管地温升比急剧增加，从80m地2急剧增加100m地3,支管间地热损失加剧，从而降低了单位管长地换热效率•因此，在实际操作中建议钻孔深度不要太深，对要求较低出水温度地工况可以使用两个U型管并联工作来减小支管间地温升比,提高单位管长地换热效率.lzq7IGf02E数减小,如果流动状态由紊流流动变为层流流动 , 则对流换热系数变化就很显著并且由于地下换热埋管是闭环系统 , 水泵扬程只需克服沿程摩擦阻力和局部阻力不考虑提升高度 , 因此, 流速可以适当取高一些 , 以保证管内流体流动处于紊流状态,从而增加对流换热系数 .但是如果流速过高 , 压力损失会很大 , 增大了循环水泵地扬程 , 得不偿失 , 因此 , 我们应综合考虑热流量和压力地损失 . zvpgeqJ1hk4.研究方向及应用前景目前地源热泵系统地应用以每年10%左右地速度递增 , 未来对于该系统地研究将更集中于高效率和低投资方面 . 未来对于地源热泵系统地研究将主要集中在以下几个领域：4.1 地源热泵系统仿真模拟研究通过仿真模拟技术对地源热泵系统能耗、设计、控制等方面进行分析地手段已经成为对于研究地重要方式之一 , 而地下埋管换热器 <ground-loop heat exchanger ) 是地源热泵系统地重要组成部分 , 它地换热情况是研究地重点 , 因此对于地源热泵系统地仿真模拟 , 主要研究方向集中于地下埋管换热器模型地建立和优化 .4.2 地源热泵系统控制策略研究对地源热泵系统而言 , 如何能够更有效地进行长期稳定地制冷或供热是评判该系统优劣地标准 . 建筑物冷热负荷和地下埋管换热器向土壤地排吸热量不均、地下埋管换热器地换热量受地下水渗流影响等问题 , 同时空调系统中多种冷热源地综合利用已越来越普遍 , 因此对于地下埋管换热器系统控制策略研究显得尤为重要 .4.3 地下埋管换热器填料优化研究对于地下埋管换热器孔洞中填料地优化研究有利于提高地下埋管换热器和土壤之间地换热量 , 提高系统地效率 . 4.4 土壤导热率测试技术研究地下埋管换热器地传热过程较为复杂 , 涉及地因素较多 , 因此建立和完善地下传热模型 , 使其具有更好地适应性和计算精度 , 为地下埋管换热器地设计和土壤热物性地测定提供理论基础必将成为研究工作地重点 . 同时, 在系统地施工中 , 如何能够快速有效地通过测试和仿真 ,从而得到土壤物性参数 , 是目前实际工程中所关心主要技术问题之一 .4.5 多种影响因素地考虑和螺旋埋管等不常见换热器地研究现有地下埋管换热器模型以垂直地下埋管换热器地仿真模型居多 , 而对于水平埋管、倾斜埋管以及螺旋埋管地建模研究相对而言有所欠缺. 随着计算机仿真技术地不断发展 , 考虑到管群地影响、土壤冻融地影响、地下水渗流等相关因素地影响, 必然需要对地下埋管换器仿真模型加大研究地投入 . NrpoJac3v1 参考文献[1]曾和义,刁乃仁, 方肇洪.竖直埋管地热换热器钻孔内地传热分析 .太阳能学报 ,2004,25(3> ： 3991nowfTG4KI[2]Gu Yian, O ' Neal Dennis L. An analytical solution to transientheat conduction in a composite region with a cylindrical heat source.Trans ASME,1995,117:242 fjnFLDa5Zo[3]柳晓雷, 王德林,方肇洪. 垂直埋管地源热泵地圆柱面传热模型及简化计算山东建筑工程学院学报 ,2001, 16( 1>: 47 tfnNhnE6e5C,Spitler ,J D. A short time step response factor[4] Y avuzturkmodel HbmVN777sLfor vertical ground loop heat exchangers. ASHREAETrans , V7l4jRB8Hs1999, 105( 2>:475[5] Muraya N K ,O ' Neal D L,Heffingt on W M. Thermal interferenceof adjacent legs in a vertical U-tube heat exchanger for a groundcoupled heat pump. ASHREAE Trans,1996,102(2>：1283lcPA59W9[6]刁乃仁,曾和义,方肇洪.竖直U型管地热换热器地准三维传热模型. 热能动力工程 .2003, 18( 4> : 387[7]. Diao N R, Cui P and Fang Z H, The thermal resistance in a borehole ofgeothermal heat exchanger, Proceeding of 1th2International Heat TransferConference,France, 2002.mZkklkzaaP[8]曾和义，方肇洪.U形管地热换热器中介质轴向温度地数学模型山东建筑工程学院学报 ,2002,17(1>:7-11.AVktR43bpw。
双U型地埋管换热器换热性能模拟分析
第52卷第6期2021年6月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.6Jun.2021双U 型地埋管换热器换热性能模拟分析杨培志1，陈嘉鹏1，陈君文2，李明3(1.中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙，410083；2.中航长沙设计研究院有限公司，湖南长沙，410014；3.湖南凌天科技有限公司，湖南湘潭，410005)摘要：针对垂直双U 型地埋管换热器，在MATLAB 平台上建立热渗耦合作用下地埋管换热器的三维数值传热模型，并通过岩土热响应试验验证该模型的正确性。
基于建立的三维数值传热模型，分析U 型管内水流速度、回填材料热物性参数、地下水渗流速度及地下水水位对地埋管换热器换热性能的影响。
研究结果表明：当U 型管内水流速度从0.1m/s 增大到0.2m/s 时，可以明显提高地埋管换热器的换热性能；与增大导热系数相比，增大容积比热对提升地埋管换热器换热性能不明显；当地下水渗流速度从0m/a 增大到35m/a 时，地埋管换热器与土壤的换热效果明显；地下水位对地埋管换热器换热性能有较大影响。
关键词：地埋管换热器；三维数值传热模型；地下水渗流；岩土热响应试验中图分类号：TK52文献标志码：A文章编号：1672-7207（2021）06-1733-06Simulation and analysis of heat transfer performance of doubleU-tube ground heat exchangersYANG Peizhi 1,CHEN Jiapeng 1,CHEN Junwen 2,LI Ming 3(1.School of Energy Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;2.China Aviation Changsha Design and Research Co.Ltd.,Changsha 410014,China;3.Hunan Linten Science and Technology Co.Ltd.,Xiangtan 410005,China)Abstract:A three-dimensional numerical model of double U-tube ground heat exchangers (GHEs)was presented with heat transfer and groundwater seepage in MATLAB platform,which was verified by rock-soil thermal response test.Based on the established three-dimensional numerical heat transfer model,the influence of flow rate of U-shaped tube,thermophysical properties of grout,seepage flow rate and groundwater level on heat exchange performance of GHEs was analyzed.The results show that when U-tube water flow rate is from 0.1m/s to 0.2m/s,DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.06.001收稿日期：2021−01−10；修回日期：2021−03−15基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金面上资助项目(51276226)(Project(51276226)supported by the National NaturalScience Foundation of China)通信作者：杨培志，博士，副教授，从事制冷与空调技术的开发及应用研究；E-mail:*******************.cn引用格式：杨培志,陈嘉鹏,陈君文,等.双U 型地埋管换热器换热性能模拟分析[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(6):1733−1738.Citation:YANG Peizhi,CHEN Jiapeng,CHEN Junwen,et al.Simulation and analysis of heat transfer performance of double U-tube ground heat exchangers[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(6):1733−1738.第52卷中南大学学报(自然科学版)the heat transfer performance of the buried tube heat exchanger can significantly be improved.Increasing the volume specific heat to enhance the heat transfer performance of buried tube heat exchanger is not obvious compared to increasing the thermal conductivity.When groundwater percolation rate is from0m/a to35m/a,the buried tube heat exchanger with soil′s heat transfer effect is obvious.The depth of the groundwater level on the buried tube heat exchanger has greater impact on the heat transfer performance.Key words:ground heat exchangers;3D numerical model;groundwater seepage;rock-soil thermal response test随着全球能源与环境问题的日益突出，能源的高效利用与环保已经越来越受到人们的重视。
基于Fluent模拟的地埋管周围不同蓄热体温度场变化分析
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泵代替传统热源形式已经得到广泛认可。热泵作为一种利用少量高品位能源,把 低 品 位 热 量 提 升 成 高 品 位
热量的特殊设备而得到广泛应用 [2]。地源热泵也称为地热热泵,它是 利 用 地 源 能(土 壤、地 下 水、地 表 水、低
温地热水等)实现供热、制冷及生活用热水供给的一种系统 [3],是节能减排的一种有效途径,也是国内地热能
热、冬夏季负荷比等进行分析,得到当土壤导热系数或体积比热较大、冬夏季负荷比较小时,地埋管换热器对
抑制地下热/冷量累积效应可起到一定作用的结论。尹航 [12]利用 Gamb
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Simulation and Analysis of Heat transfer temperature Field of Underground U-tube Heat Exchanger based on Fluent
By Ma Kunru,Yu Ruijiao Abstract:The model of single U-type buried pipe and soil in infinite area was established by using columnar heat source model and Gambit software. The physical properties of soil materials in Shijiazhuang area of Hebei Province were taken as the basis. In the Fluent numerical simulation software, the 3D mathematical model of unsteady heat transfer is set up, and the long time numerical simulation of underground heat transfer operating condition is carried out.The distribution rule of soil temperature field of the solar coupled ground-source heat pump system in this area is obtained after 6 years of intermittent operation, and the detection points are set up for the soil at
different locations from the buried pipe. In this paper, 9 monitoring points are mainly set up. And record the specific temperature of the typical point at different times. Finally, it is concluded that the closer the distance from the buried pipe, the greater the change speed and amplitude of the soil temperature, and whether the distance from the buried pipe is far or near, At the end of each year, the temperature of the system is higher than that of the previous year.
0 引言 太阳能耦合地源热泵季节性蓄热系统在近年由 于有其独特优点，在北方特别是寒冷地区被逐渐采 用 [1]。然而我国太阳能资源十分丰富但其能源应用 现状相对不乐观，河北地区太阳能资源比较丰富且 冬季采暖期较长 [2]，为充分利用太阳能这一清洁能源， 提出将太阳能与地源热泵系统结合研究，通过对太 阳能的季节性存储做基础性研究，将夏季以及过渡 季节较丰富的太阳能储存起来，实现跨季节蓄热， 最终有效地解决北方地区地源热泵系统由于冷热负 荷失衡而导致的地下温度场得不到有效恢复的问题 [3]。 根据检测可知，地下土壤和岩石的导热系数都 很小，地下土壤热惰性大，将太阳能储存在地下土 壤中后，热量不易散发，这说明利用土壤进行太阳 能蓄热是可行的。该系统有效地结合了两种清洁能
基于Fluent 的地下 U 型埋管 换热器传热温度场模拟分析
河北科技大学建筑工程学院 / 马坤茹 于瑞佼
摘要：利用 Gambit 软件建立无限大区域内单 U 型埋管与土壤间模型，以河北省石家庄地区的土 壤材料物性参数为依据，在 Fluent 数值模拟软件 中对其设置为非稳态传热的三维数学模型，对地下 传热运行工况进行长时间数值模拟计算，得出该地 区太阳能耦合地源热泵系统间歇运行 6 年的土壤温 度场分布规律，对距离埋管不同位置的土壤设置检 测点，本文主要设置 9 个监测点，并且记录不同时 刻该典型点具体温度，最终得出距离埋管距离越近 的土壤温度变化速度和幅度也越大，且无论距离埋 管距离远近，在每年系统运行结束后温度较前一年 都有所升高。
44 《供热制冷》2019 年 04 月
源，实现优势互补，解决冷热负荷不均问题的同时 也解决蓄热装置的占地问题。为更好应用该系统， 笔者研究河北省石家庄系统运行一定时间内土壤温 度场分布规律，从而得出更有实践指导意义的经验。
1 土壤中 U 型埋管间歇性连续运行原理 该系统作为建筑供暖系统热源，代替传统热源 形式为建筑提供热量 [2]。整个系统间歇性连续运行， 即春夏秋三个季度储存为建筑供暖需要的热量，冬 季使用，每年循环此过程。但是考虑到每天气候原因， 最终确定平均每天 6 小时有充足的太阳光照，即春、 夏、秋季节蓄热过程中系统每天 6 小时以 90℃入口 向土壤中储蓄热量，在冬季采暖季节，白天太阳光 照较好时，可以由太阳能集热器收集的热量直接为 建筑供暖，白天光照条件较差或者晚上无光照时， 主要利用埋管中储存的能量为用户提供热量，若取 热时回水温度为 35℃，即取每天 18 个小时系统以 35℃入口从土壤中提取热量。然后通过系统末端换 热为建筑供暖，具体系统流程图见图 1。
Keywords: Solar energy; ground source heat pump; U-tfield; research
School of Architectural Engineering, Hebei University of Science and Technology