地埋管换热仿真从入门到进阶：单管/管群/U型管和螺旋管工程案例
地埋管管群换热仿真专题
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图（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）。
03
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。
单孔U形地埋管（地源热泵）换热仿真专题
01模型图
02仿真工况
入口条件：流体速度0.6m/s，velocity inlet，水温36℃，直径26mm。
土壤原始温度为：即初始温度16℃（FLUENT中可使用Patch）。
计算域外围和底部设为初温16℃，计算域顶部设为绝热边界。
03网格图
使用ANSYS MESH制作混合网格（六面体、三棱柱和四面体）。其实为有效降低网格纵横比，可以考虑整体均使用棱柱网格。
04
基本结果
螺旋地埋管换热仿真专题
01案例介绍
水平螺旋埋管埋深在地下10米，流体水进口温度38度，流速0.6m/s。运行140h，其周围土壤温度分布。
土壤长方体长7.5m，宽7.5m，高12m。回填体长7.5m，宽2m，高2m。
管内流体为水，进口温度为38度，流速为0.6m/s。初始土壤和回填土温度为289(16℃)。
02网格情况
非结构网格，管壁附近加密。
03仿真基本结果
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课程分为若干专题：单管、管群；U型管、螺旋管四大专题。
一、课程特色
基本知识:地埋管仿真的实现原理、相关参数和变量的仿真实现方式和意义、操作流程及相关注意事项等
认识仿真流程：主要包括仿真基本的流程、网格划分的要点、仿真参数的设置及其含义。
ANSYS SCDM地埋管的仿真模型的快速建模、更改计算域的快速处理方式； CREO螺旋管生成方法。
地埋管换热模型的网格划分：ANSYS MESH网格划分流程讲解，相关参数的含义，划分技巧、网格质量评价和优化方式，网格调整方式及意义； GAMBIT网格划分的流程、网格调整方式。
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二、课程安排
