单井循环换热地能采集井的����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������计算模型(连载二)

2015/5/5 0 33897

恒有源科技发展集团(微信����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������号:HYYESSTD)专注于浅层地能作为建筑物供热的替代能����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������源的科研、开发和推广。致力于原创技术的产业����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������化发展,实现为建筑物无燃烧供热,大力发展地能热冷����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������一体化新兴产业。

三、单井循环换热地能采集井的计算模型����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������与参数设置

3.1计算模型的假设条件

  &����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������nbsp; 单井循环地能采集井在进行����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������模拟计算之前主要做了以下合理假����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������设:

  &n����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������bsp; (1)土壤的固体骨架和流体之间瞬间完成了����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������换热过程。

  &nb����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������sp; (2)土壤的固体骨架和流体皆为均质、各向同性或各����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������向异性的连续介质。

   ����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������� (3)充满的流体介质是不可����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������压缩的水,水按紊流条件设置����� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������。当水的雷诺数达到层流条件时����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������流动模式退化为层流。

  &����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������nbsp; (4)水在无蓄能颗粒计算区域与有蓄能颗粒计����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������算区域相交界面处为层流状态。

   &����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������nbsp;(5)惯性力只有方向向下的重力加速度。

  &nbs����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������p; (6)在动量方程中把多孔介����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������质作为计算域的一个源项计算来����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������简化流体及传热的编程计算。

  &nbs����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������p; (7)模拟计算时采用的是����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������流体的表观速度,而非流体在固体����� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������骨架孔道中的实际速度,这样可方便计算。

   ����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������; (8)模拟计算时不考虑计算域上界太阳辐射、与大气����� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������热交换等热力过程可方便计算,更����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������有利于反映问题的物理本质。

   ����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������� 计算模型的假设条件在实际工程中结合具体情况需要做����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������出调整,经过科学假设反复论证后方可确定。����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������

3.2数值计算方法

   ����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������� 浅层地热能利用的研究方法主����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������要有现场试验方法、热储量估计法����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������、解析方法、数值模拟方法,上述方法的组合����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������等。其中数值模拟方法包括有限单元法����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������、有限体积法、边界元法、混合元法等,有关内容����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������可参阅相关资料,在此不再赘述。

   &nbs����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������p;在计算流体力学领域广泛采用的是有限����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������体积法,它是将计算区域划分为许����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������多控制体积,然后把偏微分方程对每个����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������控制体积进行积分得出离散方程。有限体����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������积法的关键问题是在离散过程被求函数����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������及其导数的分布做出假定,求得的离散����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������方程的系数物理意义明确且具有����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������守恒性,该方法由于计算量较小使得计算����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������效率较高。

  &����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������nbsp; 近年来随着数值传热学及计算����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������流体力学的迅猛发展,许多相关的专业软件����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������已被开发应用,可以采用CFX,FLU����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������ENT,STAR2CD,ANSYS软件。当计算����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������区域内部为均质、各项同性介质时也可以采用M����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������ATLAB软件求解上述偏����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������微分方程组,并能绘制出与结算结果对应的图形����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������。

3.3物理模型

   &n����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������bsp;以有蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井为例说明概化����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������的物理模型。设研究区直径����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������为100米,深度为50米的三维圆柱形径向对称区域����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������,单井循环地能采集井位于����� �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������几何中心的上部,井深20米,见����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������图-2。地能采集井的进口流量分别为50kg/s����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������和80kg/s,进水温度分别为30K,����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������290K。土壤温度及土壤外边界����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������按恒温为计,隔离膜和绝热内壁之间的圆环状腔����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������体中充满蓄热颗粒及水,隔离膜外是土����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������壤介质,另有进水口、潜水泵抽吸水口����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������,地能采集井内壁为绝热边界条件。

3.4几何模型

  &nbs����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������p; 以图-2的区域为例说明几何模����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������型的建立,本例采用合适的软件建立研究区空间����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������模型后,再采用网格划分软件将研究����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������区域生成一定数量的矩形单����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������元网格,外边界的每条边为一个面,每个交����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������叉点为单元的节点。其中靠近地能采集井的区����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������域划分网格时密度较大,以满足����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������计算结果的精度要求。当计算����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������区域是三维时,其几何模型����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������通常情况下则需划分为三维网格。

四、结论与建议

  &nbs����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������p; a.本文主要给出了有蓄能颗粒和无蓄能颗粒的单井循环换����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������热地能采集井的物理及水文地质模����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������型和数学模型,为定量计算奠定了坚实����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������的理论基础。

  &n����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������bsp; b.����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������由于单井循环换热地能采集井的传热传质过程复杂性,����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������进行温度计算时需采用数值模拟的方����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������法。准确模拟、预测土壤及出水介质的温����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������度值对于浅层地热能开发的理论研究及生产实����� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������践具有重要的指导意义和参考价����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������值,相比模型试验及现场试验可节约大����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������量资金且耗费时间周期短。

    ����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������;c.本文给出了理想的单井循环换热地能采集����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������井的数学方程、数值计算方法、计算模型、几何模����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������型、包括常量和变量在内的各参����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������数赋值方法等的完整过程,把水文地质过程、水动����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������力过程、传热传质过程统一在一����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������个数学模型中更便于进行研究����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������。在实际研究生产过程中结合观测资料和微分方����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������程参数反演,通过模型识别得到����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������反应实际状况的数学模型,按照上述����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������方法即可模拟计算并求解以供生产研究使用。

   ����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������; d.通过给数值模型中的各参数赋予不同数值从而得����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������到不同的结果,由此分析不同水文地质参����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������数、热力学参数、水动力参数对����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������单井循环换热地能采集井的影响,这为地能采集井设计����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������中的参数选择提供了主要依据。

   &nb����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������sp;e.通过基于单井循环浅层地热能开发的数值模����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������拟与分析,有利于深化对它����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������的科学认识。

  &n����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������bsp; f.单井循环浅层地热能开发数值模拟的科学进行也有����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������赖于对流动与换热过程中有����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������关强迫对流、自然对流、热传导、热弥散理论的����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������进一步发展。流体力学与传热学中����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������各种湍流模式发展促进热能学科的发展就是一个����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������有力的证明。

   &nbs����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������p;g.单井循环换热地能采集井技术已在包括中����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������国国家大剧院在内的国内外许多重要工程中得到应用,����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������获得了良好的经济效益和社会效益。通过对其进行数值����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������模拟分析可以更有效的利用这种绿色能源来造福人类社����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������会,为人口-资源-环境的可持续利用与发展����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������提供有力的支持。(作者:孙����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������骥  李大秋)

选自_《中国地能》

 

 

http://weibo.c����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������om/p/10016038391325216����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������16256

我的评论
猜您感兴趣的
恒有源科技发展集团有限公司
地址: 北京海淀区杏石口����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������路102号
邮编:100093
客户服务:400-655-8899
邮箱:hyy@hyy.co����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������m.cn
备案编号:京ICP证000000号
版权所有 © 恒有源科技发展����� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������集团有限公司
内容:
联系方式: