279#FLUENT精典案例-考慮地下水滲流作用下的地源熱泵豎直雙 U 地埋管群傳熱特性仿真

王瑜,劉志成. 地下水滲流對地源熱泵豎直雙U地埋管群傳熱特性的影響[J]. 實驗室研究與探索,2019,38(9):52-57.

如下圖（截自參考文獻）所示包含九個地埋管的井群（管群）模型，其中地埋管均為雙U管（即每孔兩根U型管）。

材料參數可參考下表（實際制作時取值與表中略有區別）。

實際仿真使用的模型圖（地埋管埋入深度140m，回填土深度142m；計算域為長方體，尺寸為35mX35mX142m）。土壤初始溫度為17℃，水初始溫度16℃。進口流速0.4m/s，溫度5℃，出口回流溫度9.6℃。

計算時，考慮土壤的分層和滲流，模型中對各層土壤進行了劃分（即將模型中土壤部分切成若干層，如上圖）。各層土壤參數可參考下表（根據實際取值）。

地下水滲流以及管孔布置如下圖所示，滲流方向與X軸呈30度夾角。

相關信息（摘自文獻）：不考慮地下水滲流時，模型中1#、3#、7#、9#處于井群的頂角位置，稱為“角井”; 2#、4#、6#、8# 處于邊緣部位，稱為“邊井”; 5#處于井群的中間部位，稱為“中井”。

考慮滲流時，各層土壤簡化為均一的多孔介質，相關參數可參考下表（根據實際取值）。

1 瞬態計算

仿真中是否考慮重力的作用，實際影響很小，下圖已給重力。

2 使用ke湍流模型

3 復制出材料庫中的水

4 創建回填土及各層土壤（固體）材料

下圖為其中一層的材質。

5 管內流體設置

需要將各個管內流體均設為水，實際操作為簡便，可在前處理中將所有管子設為一個流體域，會較為方便。

6 土壤層設置

將各層土壤均設為多孔介質層，下圖中將土壤設為各向同性多孔介質。

流體為水，固體材質設為當層土壤的材料。

此處未考慮慣性阻力影響，粘性阻力系數與滲透系數互為倒數。

7 設置回填土層的材料

8 設置換熱水的入口速度和溫度

9 設置滲流速度和溫度

此處假定滲流速度方向與X軸（正向）呈30度夾角。

此處對第一層土壤給定的滲流速度較大（-5次方量級）。

可對各層土壤給定不同的滲流速度。

10 設置監測

11 從整個計算域初始化

12 使用PATCH命令給初始值

先給定整個區域初溫為17℃，再次給定水的初溫為16℃。

13 給定時間步長并計算

為快速計算，同時保證收斂，并得到較為可靠的結果。前2天（工況時間，下同）使用60s時間步長，之后使用86400s（1天）時間步長。

1 地下水滲流速度很大時的結果

如第一層的滲流速度為-5次方量級

各埋管間的相互影響很小。

地下3米水平面溫度分布

地下30米水平面溫度分布

立面溫度分布

各層土壤性質及滲流速度不同，溫度分布不同。

監測點的溫度變化曲線

2 地下水滲流速度很小時的結果

各層滲流速度分別比前一種情況小100-500倍。

從圖上可見，滲流速度小時，各埋管間的相互影響很大。

地下3米水平面溫度分布

地下30米水平面溫度分布

立面溫度分布

分層面位置很明顯。

這些圖形近似對稱（有滲流時肯定不完全對稱），其實是因為工況時間比較短。若計算的工況時間較長，比如640天結果圖如下：

使用軟件處理一下比較漂亮

3 假定土壤為各向異性多孔介質

此為假定情況，實際來說肯定不會是這樣的。

此處假定土壤中沿滲流速度方向（與X軸正向呈30度夾角方向）滲流阻力較小（與前兩種情況兩同），其余兩個方向上滲流阻力為該方向的100倍。

由如下結果圖可見，若假設沿滲流速度方向阻力較小時，云圖中的小尾巴更加明顯了。