【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于中深层地源热泵系统，具体涉及一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型及其求解方法。
技术介绍
1、近年来，发展中深层地埋管供热系统，开发深层高品位地热能成为了行业人员关注的热点。对中深层地埋管供热系统开展相关研究尤为重要。
2、中深层套管式地埋管是系统的核心部件，其取热特性决定了系统的供热性能。为探究中深层套管式地埋管的取热性能，现有技术公开了一种分析模型，将钻孔内的流体视为稳态传热。现有技术还公开了以钻孔壁为界将整个传热过程视为岩土侧传热和钻孔内侧传热，并且将流体视为稳态传热。现有技术也提出了半解析模型。
3、然而，在建立解析模型或半解析模型时，假设钻孔内的流体传热视为稳态，而在实际过程中流体温度随时间动态变化。因此，假设会降低模型的精度及适用范围，并且解析模型或半解析模型难以处理复杂的岩土分层、地温梯度以及地下水渗流等因素。与解析模型或半解析模型相比，数值传热模型能够处理复杂的边界条件，在商用软件或开源软件中得到了应用。但采用商用或开源软件模拟中深层套管式地埋管传热时存在物理建模难度大及网格数量多等问题，严重制约了对地埋管长期取热特性变化规律的认知，亟需提出适用性强和快速响应的数值传热模型。经仔细检索公开的文献及专利，尚无文献或专利提出考虑地下水渗流的中深层套管式地埋管数值传热模型及快速求解方法。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型及其求解方法，考虑岩土分层、地温梯度及地下水渗流等复杂因素的数值传热
2、本专利技术通过以下技术方案实现：
3、一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，所述传热模型的建立具体为，
4、建立中深层套管式地埋管与岩土热渗耦合控制方程；
5、建立中深层套管式地埋管外部环腔内流体的方程；
6、建立中深层套管式地埋管内管流体的方程；
7、得到对流换热系数公式及努赛尔数公式；
8、基于上述方程与公式得到传热模型。
9、进一步的，所述建立中深层套管式地埋管与岩土热渗耦合控制方程具体为，岩土为多孔介质，由固体岩土和地下水流两部分组成，其控制方程为：
10、
11、式中，是矢量算符；t为多孔介质的温度，℃；t为时间，s；ε为多孔介质的孔隙率，％；(ρcp)t为多孔介质的体积比热容，j/(m3·k)；λ为多孔介质的导热系数，w/(m·k)；q为多孔介质的内热源的强度，w/m3。
12、进一步的，所述建立中深层套管式地埋管外部环腔内流体的方程具体为，
13、
14、式中，c1为外管单位长度热容量，j/(m·k)；tf1和tf2分别为外管和内管的流体温度，℃；tb为钻孔壁的温度，℃；r1和r2分别为外管与钻孔之间的热阻和内外管流体之间的热阻，(m·k)/w；cf为循环工质的比热容，j/(kg·k)；m为循环工质的质量流量，kg/s。
15、进一步的，所述建立中深层套管式地埋管内管流体的方程具体为，
16、
17、式中，c2为内管单位长度热容量，j/(m·k)。其中，c1、c2、r1和r2可由下式计算：
18、
19、
20、
21、
22、式中，d1和d2分别表示中深层套管式地埋管的外管直径和内管直径，m；ρfcf、ρ1c1、ρ2c2和ρgcg分别为循环工质、外管、内管和回填材料的定容比热，j/(m3·k)；λp1、λp2和λg分别为外管、内管和回填材料的导热系数，w/(m·k)；h为对流换热系数，w/(m2·k)。
23、进一步的，所述对流换热系数公式具体为，
24、
25、式中，λf为流体导热系数，w/(m·k)；d为特征长度，m；nu为努赛尔数所述努赛尔数公式具体为，
26、
27、式中，re和pr分别为雷诺数和普朗特数，f为darcy阻力数，可由下式计算：
28、f＝(1.82·lgre-1.64)-2 (10)
29、
30、式中，uf为循环工质的流速，m/s；de为当量直径，m；υ为运动粘度，m2/s。
31、一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型的求解方法，所述求解方法为，求解上述的中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，所述求解方法需要明确求解控制方程的初始及边界条件；
32、基于初始及边界条件和有限差分法离散控制方程，采用微元体热平衡法和交替时间步长法建立节点方程；
33、在建立各节点方程后，采用tdma算法和高斯消去法分别求解岩土部分的节点方程和中深层套管式地埋管内流体的节点方程；
34、采用工程实测数据验证深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型的准确性。
35、进一步的，
36、所述求解方法具体为，
37、s101，输入求解模型用的基础参数，包括中深层套管式地埋管尺寸及沿途物性参数；
38、s102，区分中深层套管式地埋管趋热阶段和停运阶段，创建全局变量热阻r1和r2，热容c1和c2；
39、s103，以钻孔为界对钻孔内部以及外部岩土进行网格划分；
40、s104，以根据地表岩土温度及地温梯度初始化计算域；
41、s105，判断岩土层是否有水，若是则进入s106，若否则进入s107；
42、s106，调用考虑底下水渗流的岩土控制方程；
43、s107，调用岩土单纯热传导控制方程；
44、s108，判断是否为供热季，若是则进入s109，若否则进入s112；
45、s109，调用供热阶段的流体控制方程；
46、s110，对s109的控制方程输入取热阶段的热阻和热容和
47、s111，创建取热阶段的岩土和流体节点方程后进入s115；
48、s112，调用停热阶段的流体控制方程；
49、s113，对s112的控制方程输入取热阶段的热阻和热容和
50、s114，创建停热阶段的岩土和流体节点方程后进入s115；
51、s115，创建变量用于区分径向和纵向节点方程求解；
52、s116，分别调用tdma算法和高斯赛德尔迭代算法求解岩土的节点方程和流体节点方程；
53、s117，纵向和径向一次交替求解岩土和流体的节点方程；
54、s118，判断岩土和流体的温度场是否收敛，若否则返回s103，若是则进行s119；
55、s119，输出岩土温度场，流体温度场和钻孔壁温度。
56、进一步的，所述控制方程的初始及边本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，其特征在于，所述传热模型的建立具体为，
2.根据权利要求1所述一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，其特征在于，所述建立中深层套管式地埋管与岩土热渗耦合控制方程具体为，岩土为多孔介质，由固体岩土和地下水流两部分组成，其控制方程为：
3.根据权利要求2所述一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，其特征在于，所述建立中深层套管式地埋管外部环腔内流体的方程具体为，
4.根据权利要求3所述一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，其特征在于，所述建立中深层套管式地埋管内管流体的方程具体为，
5.根据权利要求4所述一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，其特征在于，所述对流换热系数公式具体为，
6.一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型的求解方法，其特征在于，所述求解方法为，求解权利要求1-5中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，所述求解方法需要明确求解控制方程的初始及边界条件；
7.根据权利要求6所述一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型的求解
8.根据权利要求6所述一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型的求解方法，其特征在于，所述控制方程的初始及边界条件具体为，岩土温度场的初始温度分布可由下式计算：
9.根据权利要求6所述一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型的求解方法，其特征在于，所述采用微元体热平衡法和交替时间步长法建立节点方程具体为，将五未知数方程转化为三未知数，将多孔介质的控制方程离散后其节点方程如下式所示：
...【技术特征摘要】
1.一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，其特征在于，所述传热模型的建立具体为，
2.根据权利要求1所述一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，其特征在于，所述建立中深层套管式地埋管与岩土热渗耦合控制方程具体为，岩土为多孔介质，由固体岩土和地下水流两部分组成，其控制方程为：
3.根据权利要求2所述一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，其特征在于，所述建立中深层套管式地埋管外部环腔内流体的方程具体为，
4.根据权利要求3所述一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，其特征在于，所述建立中深层套管式地埋管内管流体的方程具体为，
5.根据权利要求4所述一种中深层套管式地埋管热渗耦合数值传热模型，其特征在于，所述对流换热系数公式具体为，
6.一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：董建锴，黄帅，姜益强，李佶芩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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