土壤源热泵U型内肋埋管换热器传热特性数值模拟

论文摘要

随着人们对能耗和环境问题的日益关注,在暖通空调领域,土壤源热泵技术以其独有的优越性正日益被人们所研究和应用,而如何提高地埋管换热器的热效率问题已成为研究的重点。本文从改变传统地下埋管换热器的结构出发,提出了内肋片式U型地埋管换热器。运用FLUENT有限容积分析软件对等长度等外径的肋片式(内肋片分别为4个、6个、8个)和普通光滑式地埋管换热器,在入口流速0.6m/s～1.2m/s范围内的换热特性进行了三维数值模拟分析,得出了三种肋片式和光滑式地埋管换热器周围土壤温度场的分布情况。研究结果表明:肋片式和光滑式地埋管换热器对周围土壤温度影响规律相同,土壤温度均沿着U型地埋管成对称分布,且随着距U型地埋管距离的增大,土壤温度呈现衰减趋势,但在同一方向上,距U型地埋管相同距离处的土壤温度,肋片管高于光滑管;肋片式和光滑式地埋管换热器的进出口温差均随入口流速的增大而减小,肋片管进出口温差约为光滑管的2～2.2倍;肋片管的平均表面换热系数、换热量和流动阻力均大于光滑管,且随入口流速的增大而增大;在考虑泵功率消耗的情况下,4肋片管的热效率最高,约为光滑管的1.33倍,6肋片管在入口流速0.6m/s～1.0m/s范围内热效率大于光滑管,8肋片管热效率最低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外应用研究现状
• 1.2.1 国外土壤源热泵的研究和应用现状
• 1.2.2 国内土壤源热泵的研究和应用现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 2 土壤源热泵的理论基础
• 2.1 土壤源热泵的特点
• 2.2 土壤源热泵的分类
• 2.3 土壤源热泵的基本结构与工作原理
• 2.4 地埋管换热器的传热模型简介
• 2.4.1 基于线源理论的传热模型
• 2.4.2 基于柱源理论的传热模型
• 2.4.3 基于数值解法的传热模型
• 2.5 本文采用的方法
• 2.6 本章小结
• 3 湍流流动与换热的数值模拟
• 3.1 湍流流动及其模拟方法
• 3.1.1 湍流概述
• 3.1.2 湍流的模拟方法
• 3.2 湍流模型
• 3.2.1 零方程模型
• 3.2.2 一方程模型（one-equation model）
• 3.2.3 标准k-ε两方程模型
• 3.2.4 RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型
• 3.3 壁面函数法
• 3.4 控制方程的离散化
• 3.4.1 通用控制方程
• 3.4.2 控制方程离散化方法
• 3.4.3 空间离散格式
• 3.5 常用离散控制方程组的求解方法
• 3.6 SIMPLE 算法
• 3.7 本章小结
• 4 地下埋管换热器数值模拟
• 4.1 模拟软件的介绍
• 4.2 几何模型的建立
• 4.3 物理模型的建立和计算区域的离散化
• 4.3.1 物理模型的建立
• 4.3.2 计算区域的离散化
• 4.4 模拟工况参数的设定
• 4.4.1 土壤原始温度的计算
• 4.4.2 其他参数的确定
• 4.5 数值求解过程
• 4.5.1 选择合适的解算器
• 4.5.2 输入网格和检查网格
• 4.5.3 选择求解器
• 4.5.4 计算模型的选择
• 4.5.5 定义边界条件
• 4.5.6 设置求解控制参数
• 4.5.7 流场初始化和迭代计算
• 4.6 本章小结
• 5 模拟结果与分析
• 5.1 数值模拟结果
• 5.1.1 相同入口流速下土壤温度分布云图
• 5.1.2 相同入口流速下土壤温度分布散点图
• 5.1.3 不同入口流速下土壤温度分布云图
• 5.2 不同入口流速下肋片管和光滑管传热性能分析
• 5.2.1 数值模拟数据处理
• 5.2.2 不同入口流速下肋片管和光滑管热力特性比较
• 5.3 热力性能评价
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录