[发明专利]太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法

权利要求书

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，即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；

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，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；c_P为土壤比热容；S_T为源项；

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_f，根据所述无量纲数Nu_f推导得出流体对流换热系数h_f，流动传热经验关联式Gnielinski公式为：

上式(5)中，d为管道公称直径，l为管道长度，f为管内流动的阻力系数，f计算公式为：f＝(1.82lgRe-1.64)^-2；(6)

对于管内循环介质为：

根据无量纲数Nu_f数定义式：

得到地埋管换热器的管道内壁面的对流换热系数h_f；

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，地埋管换热器的管道内壁面的第三类边界条件为：

上式(9)中，为壁面处的温度梯度，T_w为壁面温度，T_f为管内流体温度，T_f为：

步骤6、采用三维非结构化网格有限容积法对所述步骤2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由导热Fourier定律计算得出所述地埋管换热器的管道近壁面处热量损失为：

上式(10)中A_{pipe_wall}为单位管长壁面面积，T_iⁿ为管壁处相邻两节点的温度，δ为近壁面处的网格尺度；

元体热平衡法为：

上式(11)中，为元体当前时刻的内能，为这一时刻元体上表面导入的热量，为这一时刻下表面导出的热量，为壁面处导出的热量，为下一时刻元体的内能，为流体的质量流量，t_iteration为内迭代时长；由推导出下一时刻元体内的流体温度T_iⁿ⁺¹；其中，所述元体是指将地埋管换热器的流体区域轴向划分成若干份，每份所代表的单元体；

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，所述方法的步骤6中，采用的三维非结构化网格有限容积法的三维非结构化网格为六面体网格。

3.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，所述方法的步骤5中，所述第三类边界条件为计算导热过程时的定解条件。

4.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，所述方法的步骤6中，对能量方程的迭代求解步骤包括：

(1)对能量方程进行离散化；

(2)给定迭代初始条件、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。

5.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，所述方法中，所述步骤1到步骤9，求解土壤侧导热过程的迭代求解为外迭代，求解流体温度的迭代求解为内迭代。