基于格子Boltzmann方法的飽和土壤滲流與傳熱數值研究.pdf

1、地熱源熱泵技術由于其良好的環(huán)境和經濟效益，近年來發(fā)展迅速。在地埋管換熱器與土壤換熱過程中，地下水滲流影響不可忽視，且熱滲耦合機制也較為復雜。在以往研究中，大多針對宏觀方面開展相關的實驗和數值模擬分析。本文嘗試從微觀角度出發(fā)，采用數值模擬計算的方法以揭示土壤內部結構演化及其熱滲耦合規(guī)律。
　　本文首先引入了不可壓耦合雙分布函數格子Boltzmann模型，介紹了其基本原理和邊界處理格式，同時借助封閉方腔自然對流驗證了選取模型和邊界處理

2、的可行性和準確性。其次本文通過隨機四參數生成法(QSGS)重構得到了與真實土壤形態(tài)相近的二維飽和多孔介質模型，通過調整模型參數之間的關系可以表征出多孔介質更多細節(jié)信息。在此基礎上，從孔隙尺度角度出發(fā)，在無滲流純導熱情況下對有效導熱系數同多孔介質結構之間的關系作了探討。最后對飽和土壤滲流與傳熱開展了相關數值模擬研究。在模擬中分別針對不同滲流壓差、孔隙率、土壤固相顆粒尺寸分布、溫度梯度方向對熱滲耦合特性影響進行了詳細的討論，同時對土壤相關的

3、水力學參數進行了計算分析。
　　數值模擬結果表明:(1)無滲流影響時，土壤有效導熱系數隨著孔隙率增加而近似呈指數形式遞減，且關于土壤固相顆粒導熱系數呈冪函數關系;對于同一孔隙率，土壤固相顆粒尺寸越小，有效導熱系數越大。(2)在有滲流時，土壤滲流速度與滲流壓差呈線性遞增關系，且隨著速度增加，土壤內部傳熱機制逐漸由固液熱傳導占優(yōu)轉變?yōu)閷α鲹Q熱為主，整個土壤內部平均溫度上升速率減緩。(3)隨著土壤孔隙率的增加，土壤內部孔隙間連通性變好，

4、滲流速度隨之增大;由于孔隙水與周圍固體骨架形成的液橋增加，接觸熱阻減小，加之滲流速度大幅度增加，滲流方向與導熱方向一致，對流換熱作用得到強化，導致土壤內部溫度呈明顯上升趨勢。(4)在同一孔隙率和滲流壓差下，土壤固相顆粒尺寸較大時，多孔介質內部會出現局部流速突增情況，形成典型的優(yōu)先流效應。隨著顆粒尺寸的減小，顆粒之間接觸更加緊密，生成隨機多孔介質有效導熱系數增大，對流換熱系數減小，會造成傳熱過程中熱擴散阻力增加，土壤內溫度變化逐漸趨于平緩