279#FLUENT精典案例-考虑地下水渗流作用下的地源热泵竖直双 U 地埋管群传热特性仿真
279#FLUENT精典案例-考虑地下水渗流作用下的地源热泵竖直双 U 地埋管群传热特性仿真下水渗流作用下的地源热泵竖直双 U 地埋管群传热特性
01
参考文献
王瑜,刘志成. 地下水渗流对地源热泵竖直双U地埋管群传热特性的影响[J]. 实验室研究与探索,2019,38(9):52-57.
02
基本情况
如下图（截自参考文献）所示包含九个地埋管的井群（管群）模型，其中地埋管均为双U管（即每孔两根U型管）。
材料参数可参考下表（实际制作时取值与表中略有区别）。
03
计算工况及网格
实际仿真使用的模型如下（地埋管埋入深度140m，回填土深度142m；计算域为长方体，尺寸为35mX35mX142m）。土壤初始温度为17℃，水初始温度16℃。进口流速0.4m/s，温度5℃，出口回流温度9.6℃。
计算时，考虑土壤的分层和渗流，模型中对各层土壤进行了划分（即将模型中土壤部分切成若干层，如上图）。各层土壤参数可参考下表（根据实际取值）。
地下水渗流以及管孔布置如下图所示，渗流方向与X轴呈30度夹角。
相关信息（摘自文献）：不考虑地下水渗流时，模型中1#、3#、7#、9#处于井群的顶角位置，称为“角井”; 2#、4#、6#、8# 处于边缘部位，称为“边井”; 5#处于井群的中间部位，称为“中井”。
考虑渗流时，各层土壤简化为均一的多孔介质，相关参数可参考下表（根据实际取值）。
04
仿真基本设置
1 瞬态计算
仿真中是否考虑重力的作用，实际影响很小，下图已给重力。
2 使用ke湍流模型
3 复制出材料库中的水
4 创建回填土及各层土壤（固体）材料
下图为其中一层的材质。
5 管内流体设置
需要将各个管内流体均设为水，实际操作为简便，可在前处理中将所有管子设为一个流体域，会较为方便。
6 土壤层设置
将各层土壤均设为多孔介质层，下图中将土壤设为各向同性多孔介质。
流体为水，固体材质设为当层土壤的材料。
此处未考虑惯性阻力影响，粘性阻力系数与渗透系数互为倒数。
7 设置回填土层的材料
8 设置换热水的入口速度和温度
9 设置渗流速度和温度
此处假定渗流速度方向与X轴（正向）呈30度夹角。
此处对第一层土壤给定的渗流速度较大（-5次方量级）。
可对各层土壤给定不同的渗流速度。
10 设置监测
11 从整个计算域初始化
12 使用PATCH命令给初始值
先给定整个区域初温为17℃，再次给定水的初温为16℃。
13 给定时间步长并计算
为快速计算，同时保证收敛，并得到较为可靠的结果。前2天（工况时间，下同）使用60s时间步长，之后使用86400s（1天）时间步长。
05
基本结果（120天）
1 地下水渗流速度很大时的结果
如第一层的渗流速度为-5次方量级
各埋管间的相互影响很小。
地下3米水平面温度分布
地下30米水平面温度分布
立面温度分布
各层土壤性质及渗流速度不同，温度分布不同。
监测点的温度变化曲线
2 地下水渗流速度很小时的结果
各层渗流速度分别比前一种情况小100-500倍。
从图上可见，渗流速度小时，各埋管间的相互影响很大。
地下3米水平面温度分布
地下30米水平面温度分布
立面温度分布
分层面位置很明显。
这些图形近似对称（有渗流时肯定不完全对称），其实是因为工况时间比较短。若计算的工况时间较长，比如640天结果图如下：
使用软件处理一下比较漂亮
3 假定土壤为各向异性多孔介质
此为假定情况，实际来说肯定不会是这样的。
此处假定土壤中沿渗流速度方向（与X轴正向呈30度夹角方向）渗流阻力较小（与前两种情况两同），其余两个方向上渗流阻力为该方向的100倍。
由如下结果图可见，若假设沿渗流速度方向阻力较小时，云图中的小尾巴更加明显了。
