单井循环换热地能采集井的计算模型(连载二)

2015/5/5 0 3945

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三、单井循环换热地能采集井的计算模型与参数设置

3.1计算模型的假设条件

    单井循环地能采集井在进行模拟计算之前主要做了以下合理假设:

    (1)土壤的固体骨架和流体之间瞬间完成了换热过程。

    (2)土壤的固体骨架和流体皆为均质、各向同性或各向异性的连续介质。

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

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

    (5)惯性力只有方向向下的重力加速度。

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

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

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

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

3.2数值计算方法

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

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

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

3.3物理模型

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

3.4几何模型

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

四、结论与建议

    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热地能采集井的物理及水文地质模型和数学模型,为定量计算奠定了坚实的理论基础。

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

    c.本文给出了理想的单井循环换热地能采集井的数学方程、数值计算方法、计算模型、几何模型、包括常量和变量在内的各参数赋值方法等的完整过程,把水文地质过程、水动力过程、传热传质过程统一在一个数学模型中更便于进行研究。在实际研究生产过程中结合观测资料和微分方程参数反演,通过模型识别得到反应实际状况的数学模型,按照上述方法即可模拟计算并求解以供生产研究使用。

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

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

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

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

选自_《中国地能》

 

 

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