太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种太阳能跨季节地埋管换热器流动传热数值模拟的仿真方法，首先得出能量方程；计算得到流体流动传热相关的无量纲数Nu，推导得流体对流换热系数hf；给定流体域初始温度；构造Crank‑Nicolson格式作为流体温度，与流体对流换热系数hf构成地埋管换热器内壁面处的第三类边界条件；采用三维非结构化网格有限容积法对推导得到的能量方程迭代求解得到温度场；在每次迭代求解结束后，依近壁面处温度计算得到单位长度流体的热损失，采用元体热平衡法计算出下一时刻流体温度；重复上述操作，直到计算区域的温度场达到稳定状态；再对上述结果后处理，得到该区域的温度分布情况。该方法能高效、准确预测地埋管换热器流动与传热状态。

Simulation Method of Solar Energy Cross-Seasonal Buried Pipe Heat Storage

【技术实现步骤摘要】
太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法
本专利技术涉及太阳能光热利用领域，尤其涉及一种太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法。
技术介绍
近年来，我国大部分地区深受雾霾困扰，严重威胁到国民的身体健康和生活水平。经过调研，燃煤采暖是造成雾霾的主要原因之一。但现有“以气代煤”和“以电代煤”成本较高，而太阳能作为一种清洁、丰富、廉价的能源，在能源消费构成中占有越来越多的份额。太阳能土壤跨季节蓄热系统正是利用太阳能热量将系统环路中循环介质加热，通过地埋管换热器使循环介质与土壤进行热质交换，从而达到太阳能“夏储冬用”的目的。影响地埋管换热器工作性能的因素有很多并且关系复杂，因此在设计过程中很难对地埋管与土壤之间的换热过程进行准确预测。现有条件下仅进行实验研究或建立示范工程研究地埋管土壤耦合蓄热过程是不现实的，不仅试验周期很长，投资巨大，且针对单一系统难以开展优化研究。在这种情况下，以相关流动与传热知识为基础，建立合适的数理模型，使用数值计算方法对这一类问题展开研究是极具高效性和经济性的。跨季节土壤蓄热数值模拟研究的核心是地埋管内的流动换热过程，以及地埋管与周围土壤之间的热量传输过程。由于需要同时对管内流体区域和管外固体区域进行建模，整个数值求解过程的计算量很大，计算周期很长，国内外现有的计算方法很难满足实际工程的需求。
技术实现思路
基于现有技术所存在的问题，本专利技术的目的是提供一种太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法，能在高效计算效率的前提下，实现了对地埋管内流动过程与地埋管土壤之间换热过程的数值准确预测。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术实施方式提供一种太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法，用于对地埋管换热器的蓄热进行仿真计算，包括以下步骤：步骤1，获取所述地埋管换热器的相关参数；步骤2、应用能量守恒关系和导热Fourier定律得到所述地埋管换热器的固体区域的能量方程；步骤3、用流动传热经验关联式Gnielinski公式结合管内流体物性参数计算得到流体流动传热相关的无量纲数Nu，根据所述无量纲数Nu推导得出流体对流换热系数hf；步骤4、给定所述地埋管换热器流体域的初始温度作为当前时刻流体的温度和下一时刻流体温度的初始值；步骤5、采用流体当前时刻温度和下一时刻温度构造Crank-Nicolson格式作为流体温度，与流体对流换热系数hf构成所述地埋管换热器的管道内壁面处的第三类边界条件；步骤6、采用三维非结构化网格有限容积法对所述步骤1中得到的能量方程进行迭代求解，得到温度分布；步骤7、在所述步骤6每次迭代求解结束后，根据所述地埋管换热器的管道近壁面处的温度计算得到单位长度流体的热损失，采用元体热平衡法计算得到下一时刻流体温度步骤8、重复所述步骤4～7的操作，直到计算的所述地埋管换热器的固体区域的温度场达到稳定状态；步骤9、再对上述求解获得的结果进行后处理，得到该区域的温度分布情况。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供的太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法，其有益效果为：由于通过经验关联式直接计算得到流体近壁面处的对流换热系数，并采用Crank-Nicolson格式得到流体温度，无需对地埋管换热器的流体域进行网格划分，无需通过求解湍流模型得到地埋管内壁面处流体流动与传热相关参数，有效减少了该类问题的计算量，很大程度地提升了计算效率，在保证这种方法高效性的前提下，实现对太阳能跨季节土壤蓄热温度场数值的准确预测。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的太阳能跨季节地埋管流动传热的仿真方法流程示意图；图2本专利技术实施例提供的仿真方法得到的地埋管出口温度与湍流模型计算结果的比较示意图；图3为本专利技术实施例提供的仿真方法得到的沿程流体温度与湍流模型计算方法得到结果比较示意图。具体实施方式下面结合本专利技术的具体内容，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。本专利技术实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。如图1所示，本专利技术实施例提供一种太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法，用于对地埋管换热器的蓄热进行仿真计算，包括以下步骤：步骤1，获取所述地埋管换热器的相关参数；步骤2、对所述地埋管换热器的固体区域应用能量守恒关系和导热Fourier定律得到能量方程；所述固体区域是指：地埋管换热器的管壁、钻井回填材料和土壤；步骤3、基于流动传热经验关联式Gnielinski公式结合管内流体物性参数计算得到流体流动传热相关的无量纲数Nu，根据所述无量纲数Nu推导得出流体对流换热系数hf；步骤4、给定所述地埋管换热器流体域的初始温度作为当前时刻流体的温度和下一时刻流体温度的初始值；步骤5、采用流体当前时刻温度和下一时刻温度构造Crank-Nicolson格式作为流体温度，与流体对流换热系数hf构成所述地埋管换热器的管道内壁面处的第三类边界条件，所述第三类边界条件是指：计算导热过程时的定解条件。在此条件下，给出流体对流换热系数和流体温度，从而进行导热的求解；步骤6、采用三维非结构化网格有限容积法对所述步骤1中得到的能量方程进行迭代求解，得到温度分布；对能量方程进行迭代求解的步骤为：①对能量方程进行离散化；②给定迭代初试条件、迭代定解条件、迭代收敛条件、最大迭代步数和时间步长后开始进行能量方程的求解；步骤7、在所述步骤6每次迭代求解结束后，根据所述地埋管换热器的管道近壁面处的温度计算得到单位长度流体的热损失，采用元体热平衡法计算得到下一时刻流体温度步骤8、重复所述步骤4～6的操作，直到所计算的所述地埋管换热器的固体区域的温度场达到稳定状态；步骤9、再对上述求解获得的结果进行后处理，得到该区域的温度分布情况。上述方法步骤1中，获取所述地埋管换热器的相关参数包括：管径、支管间距、钻孔直径、钻孔深度、循环介质流速和入口温度。上述方法的步骤2中，能量守恒关系为：微元体内热力学能的增加率＝进入微元体的净热流量+体积力与表面力对微元体做的功，其中，所述微元体是指对所述地埋管换热器的固体区域进行网格划分后的每个网格所代表的单元体；得出的用流体比焓h及温度T表示的能量方程为：上式(1)中，λ是流体的导热系数，Sh为流体的内热源，Φ为由于粘性作用机械能转化为热能的部分，称为耗散函数(dissipationfunction)，该耗散函数的计算式如下：上式(2)中，pdivU为表面力对流体微元体所做的功，该参数忽略；同时对理想气体、液体及固体取h＝cpT，取cp为常数，将耗散函数Φ纳入到源项ST中(ST＝Sh+Φ)，得出：对于土壤侧固体区域的求解，简化能量方程为：上式(1)中，λ是流体的导热系数；T为温度；t为时间；U是矢量速度；ρ为密度；CP为土壤比热容(计算时可取常数)；ST为源项，由于是针对土壤侧固体进行求解，因此这些参数都是针对土壤而言的。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法，其特征在于，用于对地埋管换热器的蓄热进行仿真计算，包括以下步骤：步骤1，获取所述地埋管换热器的相关参数；步骤2、应用能量守恒关系和导热Fourier定律得到所述地埋管换热器的固体区域的能量方程；步骤3、用流动传热经验关联式Gnielinski公式结合管内流体物性参数计算得到流体流动传热相关的无量纲数Nu，根据所述无量纲数Nu推导得出流体对流换热系数hf；步骤4、给定所述地埋管换热器流体域的初始温度

【技术特征摘要】
1.一种太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法，其特征在于，用于对地埋管换热器的蓄热进行仿真计算，包括以下步骤：步骤1，获取所述地埋管换热器的相关参数；步骤2、应用能量守恒关系和导热Fourier定律得到所述地埋管换热器的固体区域的能量方程；步骤3、用流动传热经验关联式Gnielinski公式结合管内流体物性参数计算得到流体流动传热相关的无量纲数Nu，根据所述无量纲数Nu推导得出流体对流换热系数hf；步骤4、给定所述地埋管换热器流体域的初始温度作为当前时刻流体的温度和下一时刻流体温度的初始值；步骤5、采用流体当前时刻温度和下一时刻温度构造Crank-Nicolson格式作为流体温度，与流体对流换热系数hf构成所述地埋管换热器的管道内壁面处的第三类边界条件；步骤6、采用三维非结构化网格有限容积法对所述步骤1中得到的能量方程进行迭代求解，得到温度分布；步骤7、在所述步骤6每次迭代求解结束后，根据所述地埋管换热器的管道近壁面处的温度计算得到单位长度流体的热损失，采用元体热平衡法计算得到下一时刻流体温度步骤8、重复所述步骤4～7的操作，直到计算的所述地埋管换热器的固体区域的温度场达到稳定状态；步骤9、再对上述求解获得的结果进行后处理，得到该区域的温度分布情况。2.根据权利要求1所述的太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法，其特征在于，所述方法步骤1中，获取所述地埋管换热器的相关参数包括：管径、支管间距、钻孔直径、钻孔深度、循环介质流速和入口温度。3.根据权利要求1或2所述的太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法，其特征在于，所述方法的步骤2中，能量守恒关系为：微元体内热力学能的增加率＝进入微元体的净热流量+体积力与表面力对微元体做的功，其中，所述微元体是指对所述地埋管换热器的固体区域进行网格划分后的每个网格所代表的单元体；得出的能量方程为：上式(4)中，λ是流体的导热系数；T为温度；t为时间；U是矢量速度；ρ为密度；CP为土壤比热容；ST为源项。4.根据权利要求1或2所述的太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法，其特征在于，所述方法的步骤3中，Gnielinski公式为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙东亮，姚乐恒，李国龙，宇波，杨绪飞，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，
类型：发明
国别省市：北京,11