FLUENT仿真案例：地下水渗流下地源热泵传热特性

#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

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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）。

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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）。

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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。

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基本结果（120天）

残差曲线中间波动较大的地方是将时间步长由60秒修改到86400秒的位置。

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。

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