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热渗耦合作用下地埋管传热的模拟与实验研究

作　者: 毛炳文
导　师: 余跃进
学　校: 南京师范大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 地埋管换热器 热渗耦合 管内流速 渗流速度 土壤温度场 模型实验
分类号: TU831
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


地源热泵作为一种节能、环保的技术近年来已经得到了广泛研究与应用。研究的重点主要集中在如何提高地源热泵地埋管的换热性能,以提高地源热泵系统的运行效率,从而使节能减排的目的更好的实现。本文考虑土壤中地下水的渗流,利用Gambit软件建立了土壤中有无地下水渗流时的几何模型,并通过ANSYS13.0对模型进行求解。针对无渗流的情况,模拟分析了不同管内流速下地埋管换热器的换热性能,得到了不同管内流速下的土壤温度场和热作用半径分布。结果表明：随着管内流速的增加,地埋管的换热增强,增幅逐渐减小,当流速增加到0.9m/s时,继续增加流速对换热的增强作用不大。针对有渗流的情况,模拟分析了不同地下水渗流速度、土壤孔隙率对地埋管换热器换热性能的影响,得到了不同地下水渗流速度下的土壤温度场。结果表明：渗流使土壤温度场发生了变形,并且增强了埋管的换热。当渗流速度为1×10-7m/s时,埋管的换热增强了0.83%,当渗流速度增强到3×10-6m/s时,埋管的换热增强了8.83%：土壤孔隙率越大,埋管与土壤之间的换热越强。为了验证本文所建立的地埋管热渗耦合模型的准确性,本文在相似性理论的基础上,搭建了一个模型实验台。分别进行了地埋管换热器夏季工况下游渗流和无渗流的实验,通过测试U型管进出口水温及测点的温度,得到了地埋管的实际换热情况。研究得到的实验结果与数值模拟结果具有良好的吻合性,从而验证了地埋管热渗耦合模型的解析解所描述的热量传递规律。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
第1章 绪论  7-15
  1.1 课题研究的背景及意义  7-8
  1.2 地源热泵技术分析  8-10
  1.3 国内外地源热泵技术的研究现状  10-13
    1.3.1 国内地源热泵的研究现状  10-11
    1.3.2 国外地源热泵的研究现状  11-13
  1.4 本课题的主要研究工作及方法  13-15
第2章 热渗耦合作用下地埋管传热的理论分析  15-26
  2.1 热渗耦合作用下地埋管传热问题概述  15-16
  2.2 竖直U型地埋管与土壤的传热模型  16-24
    2.2.1 基于线热源理论的传热模型  16-19
    2.2.2 基于圆柱热源理论的传热模型  19-20
    2.2.3 基于能量平衡方程的准三维传热模型  20-22
    2.2.4 热渗耦合作用下地埋管的传热模型  22-24
  2.3 多孔介质条件在Fluent中的特殊处理  24-26
    2.3.1 多孔介质模型的假设及其限制条件  24-25
    2.3.2 多孔介质各方程在Fluent中的处理方法  25-26
第3章 热渗耦合作用下地埋管换热器的模拟研究  26-43
  3.1 模型的简化与假设条件  26-27
  3.2 模型的建立及网格划分  27-30
    3.2.1 几何模型的建立  27-28
    3.2.2 模型的网格划分  28-30
    3.2.3 边界类型的设定  30
  3.3 数学模型的求解  30-31
    3.3.1 流体流动类型的选择  30-31
    3.3.2 材料物性及边界条件的设定  31
  3.4 模拟结果及影响因素分析  31-42
    3.4.1 管内流速对地埋管换热量的影响  31-37
    3.4.2 地下水渗流对地埋管换热的影响  37-41
    3.4.3 土壤孔隙率对地埋管换热的影响  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章 热渗耦合作用下地埋管换热器的实验研究  43-56
  4.1 模型实验台的设计原理  43-44
    4.1.1 相似理论在传热学上的应用  43
    4.1.2 模型实验的相似准则的转换  43-44
  4.2 模型实验台的设计  44-49
    4.2.1 模型实验台的尺寸及设备的确定  44-45
    4.2.2 模型实验台原理图  45-46
    4.2.3 模型实验台的系统组成  46-49
  4.3 实验结果与分析  49-55
  4.4 本章小结  55-56
第5章 结论与展望  56-58
  5.1 结论  56-57
  5.2 展望  57-58
参考文献  58-62
在读期间发表的学术论文及研究成果  62-63
致谢  63

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 房屋建筑设备 > 空气调节、采暖、通风及其设备 > 空气调节
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