浅谈FLUENT在地源热泵工程领域中的应用
摘要：FLUENT作为计算流体动力学软件中的一种，被广泛应用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象，文中介绍了FLUENT软件的特点及其在地源热泵工程的地埋管换热器传热特性及土壤温度场变化研究中的应用。
关键词：FLUENT；传热；地源热泵；地埋管换热器；土壤温度场
引言
据有关资料统计，21世纪全球每年有30%左右的能源消耗在建筑物上，在我国，暖通空调能耗在建筑能耗中占55%左右，因此，如何降低暖通空调能耗已成为当今暖通空调领域研究的一个重要课题之一。近些年来，地源热泵系统因为其节能、环保、运行费用低等优势，逐步被推广开来，因此，对地源热泵地源侧地埋管换热器进行研究，从而寻找进一步节能的措施就很有必要。
1 FLUENT软件的特点
FLUENT软件包含前处理器、求解器以及后处理器三个功能部分。在FLUENT中，常用的前处理器为GAMBIT，GAMBIT用于对模拟对象进行几何建模，同时对建立的模型划分网格；FLUENT自身为一个基于非结构化网格的通用求解器。在求解过程中，FLUENT常用的求解方法有非耦合求解法和耦合求解法。在整个模拟过程中，FLUENT采用有限差分法、有限元法或有限体积法对质量、动量、能量守恒方程，传热方程等进行离散化。
2 地源热泵技术简介
地源热泵以大地为热源对建筑物进行空气调节。夏季，地源热泵将建筑物中的热量转移至土壤中并储存起来，以备冬用；冬季，地源热泵将建筑物内的冷量转移至土壤中并储存起来，以备夏用。与传统空调系统相比，地源热泵机组在运行过程中节能、环保。
3 FLUENT软件在地埋管管群换热器的传热性能研究中的应用
本文在使用内热源模型进行模拟时，认为热量以纯导热方式在土壤中传递，并做了以下假设：（1）初始时刻土壤中各点温度均相同；（2）假设地下土壤为一个半无限大的传热介质；（3）把土壤看作均匀的、各向同性的饱和介质，且其热物性参数为常数；（4）将回填料视为土壤处理，它的热物性参数与土壤的热物性参数取值相同。
3.1 数学模型。地埋管管群传热特性模拟中，所涉及到的控制方程为：
连续性方程：
能量守恒方程
动量方程：
标准 双方程模型：
方程：
方程：
土壤中的传热方程：
钻孔中的传热方程：
内热源项方程：
式中， —传热介质的密度， ； —时间， ； —速度矢量； —有效粘性系数， ； —传热介质的压力， ； —源项； —传热介质的焓， ； —比内能（不包括化学反应能）； —湍流动能的耗散速率。 —与传热介质相互作用而产生的湍流源项； —体积膨胀产生的源项； 、 、 、 —湍流模型中的常数； ， ， ， ； 、 —湍流模型中 、 的普朗特数； ， ； —土壤的密度， ； —土壤的导热系数， ； —土壤的比热容， ； —土壤温度， ； —内热源项，地埋管换热器放热时为正，吸热时为负， 。
3.2 物理模型
地埋管管群换热器模型中钻孔间距为6m，U型管外径为32mm，壁厚为3.5mm，钻孔直径为150mm，单个管群的占地面积为18m×18m的正方形。在GAMBIT中建立对应的二维模型，并采用三角形非结构化网格划分模型，并对钻孔壁周围进行网格加密，模型共划分为150000个网格，具体模型图如图1所示。
图1 地埋管管群模型及网格划分示意图
3.3 初边界条件
（1）初始条件，在模拟开始时，认为整个土壤温度场均匀，温度为土壤的初始温度，其值为17.8℃。
（2）边界条件，根据模型的假设，选取图2 中的二维区域模型为研究对象，管群与管群之间互不影响，管群温度场模拟区域的边界为绝热边界条件。
（3）其他设置，设置土壤的参数为：密度为1.285 ，定压比热容为1370 ，导热系数为1.9 。
3.4 数值模拟
在FLUENT中，对地埋管管群模型进行相应设置。其中，内热源项通过编写UDF来实现，在UDF中，将建筑负荷与地埋管模型耦合，根据内热源项的表达式计算出每个时间步长所对应的内热源值。模拟过程为非稳态过程，模拟夏季热泵系统连续运行60d后的土壤温度场变化，模拟结果如图2所示。
图2 连续运行60d后不同位置处管群周围土壤温度变化图
由图3可知，热泵系统连续运行60d后，钻孔周围区域温度上升剧烈，在钻孔中心处，温度达到最大值，而在距离钻孔越远，土壤温度上升越缓慢，边界处的土壤温度上升0.2℃；两个钻孔之间区域的土壤温度上升幅度大于钻孔靠近边界侧土壤温度的上升幅度，这是因为热干扰的作用。
4 结论
本文介绍了FLUENT软件的特点，并举例介绍了FLUENT在地埋管管群传热性能研究中的应用，通过模拟可知，使用FLUENT软件模拟地埋管管群周围土壤温度场的变化，可以不受实际条件的限制，既方便又快捷，同时，也可以使用该软件模拟不同井间距、不同运行工况以及运行时间不同时，土壤温度场随时间的变化特性，这些将在后续研究中进行。
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