基于格子Boltzmann方法的饱和土壤渗流与传热数值研究
地热源热泵技术由于其良好的环境和经济效益，近年来发展迅速。在地埋管换热器与土壤换热过程中，地下水渗流影响不可忽视，且热渗耦合机制也较为复杂。在以往研究中，大多针对宏观方面开展相关的实验和数值模拟分析。本文尝试从微观角度出发，采用数值模拟计算的方法以揭示土壤内部结构演化及其热渗耦合规律。 本文首先引入了不可压耦合双分布函数格子Boltzmann模型，介绍了其基本原理和边界处理格式，同时借助封闭方腔自然对流验证了选取模型和边界处理的可行性和准确性。其次本文通过随机四参数生成法(QSGS)重构得到了与真实土壤形态相近的二维饱和多孔介质模型，通过调整模型参数之间的关系可以表征出多孔介质更多细节信息。在此基础上，从孔隙尺度角度出发，在无渗流纯导热情况下对有效导热系数同多孔介质结构之间的关系作了探讨。最后对饱和土壤渗流与传热开展了相关数值模拟研究。在模拟中分别针对不同渗流压差、孔隙率、土壤固相颗粒尺寸分布、温度梯度方向对热渗耦合特性影响进行了详细的讨论，同时对土壤相关的水力学参数进行了计算分析。 数值模拟结果表明:(1)无渗流影响时，土壤有效导热系数随着孔隙率增加而近似呈指数形式递减，且关于土壤固相颗粒导热系数呈幂函数关系;对于同一孔隙率，土壤固相颗粒尺寸越小，有效导热系数越大。(2)在有渗流时，土壤渗流速度与渗流压差呈线性递增关系，且随着速度增加，土壤内部传热机制逐渐由固液热传导占优转变为对流换热为主，整个土壤内部平均温度上升速率减缓。(3)随着土壤孔隙率的增加，土壤内部孔隙间连通性变好，渗流速度随之增大;由于孔隙水与周围固体骨架形成的液桥增加，接触热阻减小，加之渗流速度大幅度增加，渗流方向与导热方向一致，对流换热作用得到强化，导致土壤内部温度呈明显上升趋势。(4)在同一孔隙率和渗流压差下，土壤固相颗粒尺寸较大时，多孔介质内部会出现局部流速突增情况，形成典型的优先流效应。随着颗粒尺寸的减小，颗粒之间接触更加紧密，生成随机多孔介质有效导热系数增大，对流换热系数减小，会造成传热过程中热扩散阻力增加，土壤内温度变化逐渐趋于平缓，平均温度下降。(5)对于热源相同作用位置，流动与传热两者驱动势同向比反向时土壤内平均温度要高，且随着孔隙率增加，温度差距也随之加大。
多孔介质;土壤渗流;传热机制;数值模拟;热渗耦合特性
大连理工大学
硕士
热能工程
李素芬
2015
中文
TK124
86
2015-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）