基于fluen軟件對(duì)洞室圍巖非穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算

基于fluen軟件對(duì)洞室圍巖非穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算

1地下建筑中的熱負(fù)荷通常，埋深大于12m的地下建筑是深埋地下建筑。為了維持特定的工作環(huán)境,保證機(jī)器設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),滿足生產(chǎn)工藝的需要,深埋地下建筑必須施行通風(fēng)和空調(diào)。目前,多數(shù)地下工程空調(diào)存在的主要問(wèn)題是:在穩(wěn)態(tài)條件下設(shè)計(jì)的空調(diào)不能滿足實(shí)際負(fù)荷要求。這主要是因?yàn)楹推胀ǖ纳a(chǎn)廠房相比,地下土壤或巖石的蓄熱能力強(qiáng),熱穩(wěn)定性高,隨著空調(diào)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行,產(chǎn)生的余熱會(huì)出現(xiàn)積累,使土壤的溫度升高,從而引起設(shè)計(jì)工況下的空調(diào)負(fù)荷低于實(shí)際負(fù)荷的要求,影響了室內(nèi)環(huán)境。恰當(dāng)?shù)倪x擇洞室的壁溫,準(zhǔn)確計(jì)算壁面的熱負(fù)荷至關(guān)重要。什么時(shí)候洞室的溫度達(dá)到穩(wěn)定,可以作為空調(diào)負(fù)荷設(shè)計(jì)的參考溫度?這涉及到壁面與空氣的耦合傳熱和空調(diào)的運(yùn)行機(jī)制,因此就由通風(fēng)班制和生產(chǎn)班制的不同造成的巖土動(dòng)態(tài)周期性耦合傳熱過(guò)程的不同進(jìn)行數(shù)值分析具有重要的意義。而準(zhǔn)確計(jì)算壁溫比較困難,因?yàn)榈叵陆ㄖ膸r土傳熱過(guò)程是第四類邊界條件,即耦合邊界。傳統(tǒng)編程方法需要假定壁面溫度,經(jīng)反復(fù)試算,使巖體固體區(qū)和空氣流體區(qū)熱流通量相等。該方法需要很好的編程能力,并且計(jì)算量大,耗時(shí)長(zhǎng),對(duì)于普通研究者而言難度很大。本文嘗試采用Fluent軟件對(duì)巖壁和空氣的耦合傳熱進(jìn)行計(jì)算,以便分析巖壁的冷負(fù)荷對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響。2內(nèi)熱源的簡(jiǎn)化地下工程高H=2.2m,寬b=1.8m,長(zhǎng)L=50m。工程周邊巖體的熱物性參數(shù)為:比熱為506.25J/(kg·℃),密度為2400kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為1.7445W/(m·℃),熱擴(kuò)散系數(shù)為1.436×10-6m2/s;洞室內(nèi)空氣的熱物性參數(shù):密度為1.173kg/m3,比熱為1006J/(kg·℃),導(dǎo)熱系數(shù)為0.0259W/(m·℃),熱擴(kuò)散系數(shù)為2.14×10-5m2/s,運(yùn)動(dòng)粘度為1.506×10-5m2/s。經(jīng)過(guò)計(jì)算,L/b=27.8。根據(jù)文獻(xiàn),洞室的長(zhǎng)寬比大于2,洞室可以簡(jiǎn)化為當(dāng)量圓柱體。圖1所示圖形左邊的拱形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為右邊的當(dāng)量圓柱體,其半徑為R=p2π=2(2.2+1.8)2π=1.273mR=p2π=2(2.2+1.8)2π=1.273m。間歇通風(fēng)存在一班制、兩班制和三班制,根據(jù)文獻(xiàn),一班制和兩班制產(chǎn)生的熱量具有周期性變化的規(guī)律。本文主要考慮間歇機(jī)制下施行通風(fēng)時(shí)巖壁傳熱的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。為簡(jiǎn)化計(jì)算,本文將室內(nèi)間歇作用的內(nèi)熱源簡(jiǎn)化為隨時(shí)間做0～1變化的矩形波,周期為20h。間歇內(nèi)熱源的散熱過(guò)程見(jiàn)圖2。3通過(guò)深埋地下孔室壁巖的閉合能量計(jì)算3.1flu根控制方程影響洞室?guī)r壁傳熱的因素有通風(fēng)班制,巖體的熱工參數(shù),通風(fēng)風(fēng)速和溫度,另外還有巖土的濕遷移以及洞室埋深和幾何形狀等。由于土壤和巖石屬于多孔介質(zhì),因此傳濕和傳熱過(guò)程十分復(fù)雜。本文僅考慮通風(fēng)班制、風(fēng)速和巖壁的熱工參數(shù)對(duì)巖壁傳熱的影響,在使用Fluent軟件模擬時(shí),對(duì)控制方程進(jìn)行以下假設(shè):1)假定工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)和空氣為均質(zhì),其熱物性參數(shù)各向同性,且與溫度無(wú)關(guān);2)室內(nèi)熱源為均質(zhì)熱源,即熱生成率為常數(shù);3)巖體壁面和室內(nèi)空氣的溫差相差不大,輻射換熱量和對(duì)流換熱量相比很小,忽略輻射換熱;4)忽略空氣的含濕量和巖土濕遷移的影響;5)作為一般性的模型,假定入口風(fēng)速參數(shù)為常數(shù)。同時(shí)為了避免洞室外壁對(duì)空氣和壁面耦合傳熱的影響,根據(jù)文獻(xiàn),對(duì)于外界溫度成周期性變化的半無(wú)限大平壁非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,深度大于1.6aπτ0????√1.6aπτ0時(shí)溫度的振幅不到外界振幅的0.01。經(jīng)過(guò)計(jì)算,巖體厚度取8m完全能夠滿足模型的計(jì)算精度要求。3.2flunt軟件的求解及模型求解洞室的初始條件:巖體和空氣初始溫度均為291.15K。邊界條件:洞室外壁面和洞室進(jìn)出口端的巖壁均為絕熱,空氣入口風(fēng)速為常數(shù)。在Gambit軟件中建立了洞室傳熱的三維計(jì)算模型,并將模型分為固體區(qū)與流體區(qū)2部分。在Fluent軟件中,設(shè)置了連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程,使用分離求解器,對(duì)時(shí)間項(xiàng)采用二階差分格式,標(biāo)準(zhǔn)K-ε紊流模型,巖壁和空氣的接觸面采用耦合傳熱模型?？諝獬隹诩俣o(wú)回流。求解器中能量及動(dòng)量方程為二階向前差分格式,為了加速計(jì)算壓力和速度的耦合求解,采用了Piso算法。求解時(shí)模型收斂比較困難,經(jīng)過(guò)反復(fù)試算,推薦松弛因子見(jiàn)下,動(dòng)量取0.7,K和ε取0.5,能量取0.9,耗散項(xiàng)取0.7,其余保持默認(rèn)設(shè)置。在Fluent軟件中編制了內(nèi)熱源的“udf源項(xiàng)”,實(shí)現(xiàn)內(nèi)熱源的周期變化。4巖體壁升溫地下建筑溫室的變化規(guī)律通過(guò)對(duì)風(fēng)速不同的3種工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及比較分析,得出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、巖體壁溫和地下建筑室溫的變化規(guī)律。由于主要是為了顯示在模擬的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)壁面能夠提供的冷負(fù)荷,因此沒(méi)有內(nèi)熱源時(shí)的傳熱數(shù)據(jù)對(duì)研究并不重要。為了考查巖壁達(dá)到穩(wěn)定傳熱所需的時(shí)間,僅選取了內(nèi)熱源存在時(shí)的所需數(shù)據(jù)。4.1通風(fēng)條件下熱流通量的變化規(guī)律本文計(jì)算中內(nèi)熱源為已知條件,對(duì)于不同的風(fēng)速和相同的內(nèi)熱源,巖壁熱流通量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間不同。經(jīng)過(guò)計(jì)算,如果不施行通風(fēng),洞室溫度會(huì)增加12K/h,由此可以看到洞室通風(fēng)的必要性。圖3是風(fēng)速為0.2m/s、0.5m/s、1.0m/s工況下巖壁熱流通量的變化規(guī)律。模擬時(shí)間為720h(1個(gè)月),可以看到,隨著時(shí)間的推移,巖壁熱流通量逐漸變小,1個(gè)月后,巖壁熱流通量的變化率約為1W/20h,這時(shí)可以認(rèn)為巖壁熱流通量進(jìn)入穩(wěn)定傳熱狀態(tài),巖壁開始提供穩(wěn)定的冷負(fù)荷。風(fēng)速越小巖壁提供的冷負(fù)荷越大,風(fēng)速為0.2m/s時(shí),巖壁的熱流通量比速度為0.5m/s和1.0m/s時(shí)分別大1.3kW和2.2kW。4.2風(fēng)速和熱風(fēng)對(duì)平均溫度的影響風(fēng)速對(duì)巖壁平均溫度會(huì)產(chǎn)生一定的影響,風(fēng)速越小,巖壁的平均溫度越高。這主要是因?yàn)橥L(fēng)會(huì)帶走洞室的大部分熱量,風(fēng)速越大,帶走的熱量越多,產(chǎn)生的熱量向巖壁傳遞的熱量就會(huì)越少,壁溫上升的速度就會(huì)越慢。從圖4中看到,風(fēng)速為1.0m/s時(shí),大約400h(約為17d)后巖壁溫度達(dá)到穩(wěn)定,約為291.9K;風(fēng)速0.5m/s時(shí),大約600h(約為25d)后巖壁溫度達(dá)到穩(wěn)定,約為292.4K;風(fēng)速0.2m/s時(shí),1個(gè)月后巖壁溫度尚未達(dá)到穩(wěn)定。在內(nèi)熱源不變時(shí),風(fēng)速對(duì)洞室平均溫度的影響很大,風(fēng)速確定后,洞室的平均溫度也就大體確定了。從圖5看到,不同風(fēng)速下,室溫隨時(shí)間的變化很小。這主要是因?yàn)橥L(fēng)帶走了絕大部分熱量,巖壁溫度的變化所引起的冷負(fù)荷變化與之相比很小,產(chǎn)生的熱流通量變化引起的室溫變化幾乎可以忽略。但并不是所有的洞室都會(huì)出現(xiàn)這種情況,例如如果洞室的壁面面積很大時(shí),壁面的冷負(fù)荷占空調(diào)負(fù)荷的比例就會(huì)比較大。4.3內(nèi)熱源的影響風(fēng)速對(duì)溫度場(chǎng)影響很大,風(fēng)速越小洞室溫度越高,內(nèi)熱源對(duì)洞室?guī)r壁的影響也越大。經(jīng)過(guò)計(jì)算,1個(gè)月后從圖6中可以看到,速度為1.0m/s時(shí)整個(gè)洞室溫度最低,平均溫度為294.1K,溫度場(chǎng)的范圍是2.8m>x>-2.8m;速度為0.5m/s時(shí)平均溫度為297.0K,0.2m/s時(shí)平均溫度為305.4K,溫度場(chǎng)的范圍也分別為3.2m>x>-3.2m和3.7m>x>-3.7m?？傮w來(lái)看內(nèi)熱源對(duì)洞室?guī)r壁的影響并不大,影響范圍只是在附近區(qū)域。從計(jì)算中發(fā)現(xiàn),速度較小時(shí),洞室的平均溫度過(guò)大,不能滿足生產(chǎn)和工作要求。4.4導(dǎo)溫系數(shù)對(duì)耦合傳熱的影響為了更好的尋找出洞室?guī)r壁與空氣耦合傳熱的變化規(guī)律,需要對(duì)洞室?guī)r體與空氣的熱物性參數(shù)進(jìn)行探討。由于洞室內(nèi)的空氣參數(shù)變化不大,在風(fēng)速一定時(shí),影響洞室傳熱的因素就主要為巖土的熱物性參數(shù)。根據(jù)固體導(dǎo)熱微分方程可知,導(dǎo)溫系數(shù)是衡量非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱變化快慢的重要參數(shù)。為此,本文在風(fēng)速為0.5m/s時(shí)選取導(dǎo)溫系數(shù)不同的巖體材料進(jìn)行了模擬與分析。選取巖土參數(shù)見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得到,巖體為麻巖時(shí)巖壁傳熱較快,接近粘土傳熱量的2倍,同時(shí)內(nèi)熱源對(duì)巖體的影響深度也比粘土?xí)r大,見(jiàn)圖7。上述分析表明,導(dǎo)溫系數(shù)對(duì)巖壁與空氣的耦合傳熱有重大影響,導(dǎo)溫系數(shù)大時(shí),耦合傳熱就會(huì)越顯著,具體熱物性參數(shù)對(duì)耦合傳熱的影響比重需要做更進(jìn)一步的計(jì)算與分析。同時(shí)也表明了在計(jì)算巖壁產(chǎn)生的負(fù)荷時(shí)應(yīng)該考慮巖體的熱物性參數(shù)的影響。5巖封式管道洞室的傳熱模型1)使用Fluent軟件計(jì)算了洞室通風(fēng)時(shí)巖壁的非穩(wěn)態(tài)耦合傳熱,為深埋地下洞室空調(diào)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)計(jì)算提供了新的方法。2)在文中提供的深埋地下洞室參數(shù)下,經(jīng)過(guò)大約1個(gè)月時(shí)間后,從巖壁熱流通量、巖