[发明专利]太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法

说明书

本发明公开了一种太阳能跨季节地埋管换热器流动传热数值模拟的仿真方法，首先得出能量方程；计算得到流体流动传热相关的无量纲数Nu，推导得流体对流换热系数h_f；给定流体域初始温度；构造Crank‑Nicolson格式作为流体温度，与流体对流换热系数h_f构成地埋管换热器内壁面处的第三类边界条件；采用三维非结构化网格有限容积法对推导得到的能量方程迭代求解得到温度场；在每次迭代求解结束后，依近壁面处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出下一时刻流体温度；重复上述操作，直到计算区域的温度场达到稳定状态；再对上述结果后处理，得到该区域的温度分布情况。该方法能高效、准确预测地埋管换热器流动与传热状态。

技术领域

本发明涉及太阳能光热利用领域，尤其涉及一种太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法。

背景技术

近年来，我国大部分地区深受雾霾困扰，严重威胁到国民的身体健康和生活水平。经过调研，燃煤采暖是造成雾霾的主要原因之一。但现有“以气代煤”和“以电代煤”成本较高，而太阳能作为一种清洁、丰富、廉价的能源，在能源消费构成中占有越来越多的份额。太阳能土壤跨季节蓄热系统正是利用太阳能热量将系统环路中循环介质加热，通过地埋管换热器使循环介质与土壤进行热质交换，从而达到太阳能“夏储冬用”的目的。

影响地埋管换热器工作性能的因素有很多并且关系复杂，因此在设计过程中很难对地埋管与土壤之间的换热过程进行准确预测。现有条件下仅进行实验研究或建立示范工程研究地埋管土壤耦合蓄热过程是不现实的，不仅试验周期很长，投资巨大，且针对单一系统难以开展优化研究。在这种情况下，以相关流动与传热知识为基础，建立合适的数理模型，使用数值计算方法对这一类问题展开研究是极具高效性和经济性的。

跨季节土壤蓄热数值模拟研究的核心是地埋管内的流动换热过程，以及地埋管与周围土壤之间的热量传输过程。由于需要同时对管内流体区域和管外固体区域进行建模，整个数值求解过程的计算量很大，计算周期很长，国内外现有的计算方法很难满足实际工程的需求。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法，能在高效计算效率的前提下，实现了对地埋管内流动过程与地埋管土壤之间换热过程的数值准确预测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法，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；

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；

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；

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；

步骤6、采用三维非结构化网格有限容积法对所述步骤1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

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；