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基于LBM视角的含湿岩土吸热过程气液相变机理研究
时间:2020-08-27 09:28 | 栏目:岩土工程 | 浏览:次
硕士论文网第2020-08-27期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇岩土工程文章《基于LBM视角的含湿岩土吸热过程气液相变机理研究》，供大家在写论文时进行参考。
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在地埋管向外排热时，岩土层土壤作为受热场所，其内部气液两相在饱和蒸汽压力下会发生相变。由于土壤层内部多孔介质结构复杂，对于内部两相流动与相变模型的构建提出了挑战。本章使用 Gong-Zheng 相变模型作为理论模型，通过 c++将数学公式转化为编程语言，从而建立起地源热泵管道与土壤接触微孔道内的气液相变模型。随后对此模型进行了一系列模型验证以保证其准确性。并通过 Tecplot 后处理软件对模拟结果进行分析，针对相变薄区内气液相变规律进行了研究，并分析了不同壁面温度与壁面润湿性下其流场与温度场的变化情况。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
随着化石能源的枯竭及其对地球环境造成日益严峻的污染等问题，对地热资源的合理开发利用已愈来愈受到人们的青睐。地热能是一种可再生能源，是由地壳抽取的天然热能，直接抽取的热能利用率可以达到 50%－70%，并且开发周期短。其具有分布广，成本低，对环境污染小，可直接利用等优点。我国地处四大环球性地热带的其中两条之中。这两条地热带分别为环太平洋地热带和地中海-喜马拉雅地热带。所以我国地热能资源丰富，并且收集采用地热能资源的能力已经位于世界首位。目前我国在各个领域已经有了一定程度的应用，包括在工业、发电、建筑供热方面已经有了系统高效的使用[1]。而储量丰富的浅层地热能一般指地表以下至深度为 200 米之内范围内，并且温度低于 25°的地热资源。浅层地热能广泛存在于岩石、土壤、水源等多种介质中[2]。太阳辐射到地球表面的能量有近 60%被地表吸收，这些能量相当于当今人类每年能耗的近 2 万倍，所以浅层地热能具有相当大的利用价值。并且这部分地热能易于开发，在当前技术条件下有较大经济价值。地源热泵技术用于提取浅层地热能，土壤源热泵系统是利用地下埋管换热器将岩土中蓄存的能量提取出来的浅层地热能利用系统。地下 5米之内为常温土壤，温度常年相对稳定并且略低于当地年平均气温。土壤源热泵系统指通过深埋于建筑物地表之下的管路系统与建筑物内部完成热量交换的设备。从热力学角度上讲，土壤作为热泵系统的冷热源的效果要优于环境中的空气。冬季土壤作为热源，热泵从温度较高的土壤中取热，抽取的热量向建筑物供暖；夏季土壤作为冷源接收土壤源热泵排出的热量，为建筑物制冷。与传统相比，装备土壤源热泵的系统能耗全年可节约 40%左右。与空气源热泵对比，土壤源热泵系统的性能系数（COP）值一般在 3~6 之间，要高出空气源热泵约 40%。此外土壤源热泵系统技术具有资源可再生利用，运行费用低，占地小并且可以设在地下，环保节能等优点。 岩土作为土壤源热泵吸热与排热场所，其热传递特性是能量高效利用的关键。地下岩土根据湿份含量的不同可以分为干岩土，湿岩土和过饱和湿岩土（存在水的渗流状态）。其中湿岩土又可分为饱和湿岩土和非饱和湿岩土。岩土的物性参数包括密度、孔隙率、渗透率、导热系数等，而岩土本身的物性参数在吸放热的过程中对于土壤传热有重要影响。Gao[3]通过搭建土壤源热泵系统实验并进行间歇运行实验指出土壤热物性对于土壤温度变化有重大影响。当土壤孔隙率减小时，单位热量下的土壤温度变化会增加；当土壤导热系数增加时，土壤热扩散系数随之增加，单位热量下的土壤温度变化增加。所以，对于土壤热物性参数的准确描述与预测对于土壤源热泵系统的稳定运行具有重要作用。由此可见，对于岩土热物性的研究对于地热系统的性能和热经济性具有重要的实际意义。
1.2 研究现状
地源热泵系统中岩土土壤层吸热过程的相关实验与模拟仿真开展了诸多方面的研究。本节主要综述近年来含湿岩土间歇吸放热动态机理研究现状，然后对近期两相流动与相变相关方面的模拟研究进行总结，并针对其研究不足提出本文的研究内容。 土壤源热泵系统中有关含湿岩土吸放热方面的研究主要集中在土壤渗流传热机制以及岩土热物性方面，学者们通过大量的实验以及模型理论分析，对地埋管换热器以及周围地下水渗流情况做了详细广泛的研究。 其中有效导热系数作为岩土热物性中的重要参数，有关学者进行了多方面的研究。早期 Kersten[4]通过对岩土有效导热系数方程的拟合，给出有效导热系数是对温度呈线性变化的函数。 Brandl[5]指出，当土壤温度高于 2℃时，地埋管换热器周围的土壤温度变化对其热物性影响很小，可以忽略不计；当土壤温度降低到 2℃时发生的冻融现象能够显著提升土壤的导热系数。 IvanV[6]通过实验指出对于饱和土壤，研究得出岩土温度在一定范围内（2℃–92℃）可以改变其内部含水量进而导致岩土有效导热系数发生变化。 Hu[7]和 Li [8]等通过研究发现，相比于干燥土壤，在相同条件下，含湿土壤中的饱和度比干容重对于土壤导热系数影响更大。 由于浅层地表地下水渗流不可忽略，所以对于地埋管换热器内地下水渗流方面的研究具有重要意义。在地下水势头的作用下，水在土壤颗粒间渗流流动，其流动过程对土壤的导热率产生一定的影响[9,10]。 刘春雷[11]和张长兴[12]均采用热响应测试的方法研究热流条件下岩土热物性的热响应过程，研究了热响应测试方法的各种适用工况以及相同条件下岩土热物性参数的变化趋势及范围。 晋华等学者[13]指出，在土壤饱和度一定的情况下，土壤中的潜热与土壤孔隙率呈正相关趋势。 范蕊[14]通过理论分析，建立了热渗耦合理论下的地下埋管换热器的数学模型， 通过数值模拟，从理论上分析了有、无地下水渗流土壤中地下埋管换热器的换热性能， 陆观立[15]采用数值模拟的方法研究了地下水渗流对土壤源热泵地埋管换热特性影响，并提出地埋管管长测量方法。 尚研[16]通过建立基于渗流的三维非稳态传热模型，数值分析了热物性参数对地温恢复过程的影响。通过实验与数值计算，揭示热泵可控间歇运行策略对于改善地下传热性能具有重要作用。 于明志[17]构建传热模型，引入了一种可以应用于现场测量深层岩土导热系数及容积比热容的传热分析模型，此模型可以有效地减少了需要确定的参数。 高青[18]在总结土壤热物性参数的各种测试方法和计算模型的基础上，提出简化柱热源模型，对 G 函数进行简化。 余伟之[19]通过在 Matlab 平台上建立考虑地下水渗流的三维数值模型，分析了在纯导热和有地下水渗流情况下，地埋管换热器的岩土在时间和空间上的温度分布。 上述学者通过实验手段和理论相结合的方法，对地下水渗流的传热机理以及相关热物性变化进行了研究，对于揭示间歇吸放热岩土层内流场和温度场变化情况做出了重要贡献。但是对于其介观尺度内的动态机理的模拟仿真研究尤其是岩土层内间歇吸热过程中的气液两相流动以及相变动态过程并未展开充分研究。
2 岩土层吸热过程模型构建
本章通过对 LBM 方法基本理论、边界处理方法、相变模型以及格子单位制间的转化的研究来构建岩土层内部多孔介质与气液两相流动相变模型。并引入 LBM 方法的演化进程和其在复杂边界系统（多孔介质）内模拟的优势和方法特点。
2.1 LBM 方法基本原理
在任何宏观系统里，力学规律存在于任何分子的运动中，因此，求解系统宏观量即是对系统中流体微团运动的求和。这是格子玻尔兹曼方法（LBM）的核心思想，即通过对微观分子运动概率的求解，进而通过统计学方法求解宏观物理量。从宏观上看流体一般被认为是连续介质，并且满足三大守恒方程，及连续性方法，动量方程和能量方程。而数值模拟中，一般通过对连续性方程进行离散进而获得代数方程进行计算。而 LBM就是将 LB 方程进行离散从而获得格子-玻尔兹曼方程（LBE）。 在格子玻尔兹曼方法中存在三大假设，首先粒子之间的碰撞只考虑两个粒子，假定多粒子不会在同一时间发生碰撞。第二点是粒子的速度不受其他粒子影响保持独立性。最后是局部碰撞只发生在系统内部，不受外力影响。 从历史上看，格子-玻尔兹曼方程（LBE）是由气动理论为基础的格子气自动机（LGA）演化而来[42]。格子气自动机是一种用于研究气体的微观模型，LBE 可以看做是 LGA 模型的继承和推广。从此角度看，LBE 可以看作为流体模型。而 LBE 又可以通过连续玻尔兹曼方程通过标准离散推导出，这又表明 LBE 是玻尔兹曼方程的一种特殊的数值计算形式。从这两方面看，LBE 与传统的计算流体动力学（CFD）存在着很大的不同。LGA模型方法简单，计算过程稳定，只需要遵循碰撞迁移模式。但 LGA 也存在着诸多不足，比如在进行布尔运算时会产生一些统计学错误，压力与速度变量之间相互独立。正是这些不足才催生了格子玻尔兹曼方法的产生。
2.2 LBM 方法在多孔介质中的应用
流体在多孔介质中的流动是一种特殊的多相流动，其中固相质点位置固定。这种流动在油气工程、化学工程和环境科学中广泛存在。通常在多孔介质中流体处于渗流状态。多孔介质中的流体是一种典型的多尺度流动，包含孔隙尺度，表征体元（REV）尺度和宏观尺度[54]。本文主要针对于孔隙尺度内的多孔介质内两相流动与传热进行模拟研究。 多孔介质是一种多种介质共存的组合体，其中多孔介质内部分为孔隙和骨架两部分。在孔隙中，一般由气液或气液两相共同占有，并且两相混合在一起。流体以固体骨架为依托弥散在其中，其中构成孔隙部分连通或者相互隔绝，这些孔隙尺寸极其微小，一般为介观尺度。例如砂岩地层的孔隙直径大多在不足 1 微米到 500 微米之间。并且拥有较大的比表面积，并与孔隙汇总的流体形成复杂的气液固三相混合的状态。在孔隙中，流体一般以渗流的方式进行运动。而在多孔介质内的渗透力学理论中，有以下几个重要概念：
（1）孔隙度：岩土中孔隙空间体积总和与岩样体积的比值定义为总孔隙度，一般用百分数来表示。而其中有效孔隙度是指相互连通，在一定压力内允许气液在其内部流动的孔隙体积之和与岩样的体积之比。而相互连通的孔隙对于土壤内的气液流动才有意义。所以本文所研究内容涉及的孔隙度均指有效孔隙度。
（2）润湿性：在固体和两类流体（两种不互溶液体或液体与气体）的三相相界面上出现的流体浸润固体表面的一种物理性质。根据固液相之间的极性差分类，可以分为亲水性和疏水性。润湿性还与多孔介质内的热物性有关，如压力、温度等，并且润湿性对于流体在多孔介质内的流动状态有重要的影响。因此，对于岩土层内土壤三相润湿性的研究具有重要的意义。 孔隙尺度内的流动模拟是格子-玻尔兹曼方程（LBE）的一个直接应用。在 LBM 方法中，在孔隙尺度内通过对离散化的 Boltzmann 方程求解，并且对固相区域添加合适的边界条件可以追踪孔隙尺度中流体运动情况。因此，此种孔隙尺度内的仿真方法可以获得准确的流体流动信息，这对于理解岩土层换热过程中气液流动与换热机理是非常重要的。而在介观尺度内具有复杂边界的流场和温度场方面的研究，LBM 相比于传统计算流体力学方法具有以下几个优点：
(1)算法相对于传统流体力学计算方法简单。
(2)针对固相或者流体相分别添加对应的边界处理方法就可以处理如多孔介质这种具有复杂边界的计算域；
(3)编程容易，程序框架清晰，结构简单，对于模拟结果的后处理也相对简单，并且容易并行运算;
(4)相比于传统计算流体力学网格化处理方法，LBM 能够直接模拟所计算流场。
在流体动力学里，初始条件和边界条件的处理是计算过程的重要部分。同样在岩土层土壤内复杂的多孔介质内的流场模拟研究，对于边界条件的处理显得尤为重要。通常来讲，对于所模拟的流场内变量一般为温度，压力和速度。在 LBE 中这些物理量是由离散化分布函数来求解，流场内部的分布函数可以通过离散化演化方程计算出，但是流场边界的分布函数则需要通过每次的迭代处理过程所更新信息。因此，如何将宏观流体变量的初始和边界条件转换为分布函数形式是 LBE 应用的一个关键问题，而且相关研究也表明了此问题对于 LBE 计算的准确性，稳定性和收敛性都有着重要影响[57]。所以对于岩土内土壤吸热过程中初始条件和边界条件的模型选用和构建对于本人研究内容有着关键的影响。下面对适用于多孔介质特点的一些常见的边界条件格式加以阐述，并说明其在本文研究中的适用条件与范围。
3 岩土层吸热过程相变薄区热湿传递研究
3.1 初始条件与边界条件
3.2 Laplace 定律验证
3.3 传热模型验证
3.4 岩土层气液相变模型动态验证
3.5 吸热过程岩土相变薄层区流场研究
3.6 吸热过程岩土相变薄层区温度场研究
3.7 本章小结
4 岩土层吸热过程多孔介质热湿耦合研究
4.1 多孔介质模型的构建
4.2 初始条件与边界条件
4.3 吸热过程岩土层内流场分析
4.4 吸热过程岩土层内温度场分析
4.5 本章小节
5 总结与展望
5.1 总结
本文以地源热泵系统运行中土壤受热工况为研究背景，通过数值模拟的方法研究受热过程中土壤层内相变薄区和多孔介质内气液相以及流动过程。通过数值模拟方法可以获得以下结论：
（1）岩土层相变薄区内壁面温度对于气液相变过程的影响主要有：气泡生成脱离壁面时间随壁面过热度的增加而减少，并且过热度越大，气相生成脱离壁面所用的时间越少； 壁面温度越高，汽化核心处温度越高，计算域整体温度也更高，并且气泡直径越大；
（2）岩土层相变薄区内壁面润湿性对于气液相变过程的影响主要有：气泡脱离壁面时间随接触角的增加而减少。即亲水性越强，气泡脱离壁面时间越长。疏水性越强，气泡越容易脱离壁面。并且亲疏水性决定着形成气膜的难易程度，接触角越大，温度场内的热传递效果更好，并且随着接触角的增加，温度场内热量传递增加的幅度越大。
（3）岩土层内多孔介质的孔隙率对于岩土吸热过程中流场和温度场都有重要的影响。多孔介质孔隙率越大，气液流动区域增大，固相区域减小，对于初期相变的发生和和后期气相的流动、气液之间的相变以及传热的阻碍作用变得越小，达到稳定状态时的平均速度、平均热流密度越大。
（4）地埋管管壁面对于内部土壤吸热过程中的影响主要有：首先，壁面温度与气液相变发生程度直接相关。壁面温度越高，初始状态下气液相变过程相对剧烈，计算域内初始平均速度较大，稳定状态下的岩土土壤层内平局热流密度值越大。
（5）壁面润湿性对于岩土层内部土壤吸热过程中的影响主要有：亲疏水性界面对于气相挣脱地埋管管壁速率有较大关系。在疏水性界面气相可以较快的脱离热源壁面，并且在岩土层孔隙中扩散至较远的距离，达到稳定状态时的平均热流密度值越大，说明计算域的传热效果更好。而接触角越小，亲水性越强，从而更容易形成气膜，不仅对于固壁面-液相起到传热恶化的作用，并且通过微小孔隙的能力也越弱，达到稳定状态时扩散距离越近。
5.2 展望
本文通过 QSGS 方法模拟岩土层土壤样貌，并运用 LBM 建立气液相变与流动模型模拟，通过改变不同物性参数（孔隙率、壁面温度、润湿性等）研究岩土层吸热过程中相变薄区和土壤多孔介质内热湿耦合现象。针对本文研究内容，存在以下几点内容有待完善：
（1）本文通过 QSGS 所建立的多孔介质模型虽然符合土壤的微观样貌，但是并没有与实验数据作为依托进行对照分析，在一定程度上减弱了模拟真实土壤源热泵吸热运行时的准确性。
（2）在地缘热泵运行系统中，土壤源吸放热构成一个完整的地源热泵运行周期，此文并未研究岩土放热过程。并且土壤内部具有复杂的气固液三相活动，其中模型中气相里的不凝气体对于土壤内汽、水的传热与流动状态并无研究，后续研究可将此部分考虑在内。
（3）本文使用 LBM 建立仿真模型，虽然讨论了其两相流、传热和相变模型与解析解对照后的准确性，但是其仿真模拟结果并没有与之对照的实验数据作为支撑。后续可以依托实验台实验数据做更加全面的数据对比。
（4）土壤源吸热过程中气固液三相之间流动与传热过程非常复杂，还有很多值得考虑的影响因素，如相变过程对于土壤内部饱和度的变化以及非饱和状态下渗透压的变化，这些都是值得考虑的问题。
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