本發(fā)明地下工程傳熱，特別是一種地下工程襯砌內(nèi)換熱管傳熱性能數(shù)值模型的求解方法。

背景技術(shù)：

1、地下工程的熱量排放有三種方式：內(nèi)部水庫、冷卻塔和巖體。水庫容量有限，冷卻塔在口部易暴露，所以巖體成為躲避偵察的很好的熱量排放對(duì)象。工程口部通道通常用于人員或車輛的進(jìn)出，如果將熱交換器埋在通道襯砌結(jié)構(gòu)中而不重新鉆孔，也不會(huì)帶來太多的額外施工量，對(duì)于改造工程，只需在襯砌層面上進(jìn)行改變，即可大大節(jié)省工程成本和施工周期?？诓客ǖ酪r砌內(nèi)埋管的換熱形式如圖1所示。

2、在距離入口一段長度處的襯砌內(nèi)，沿軸向均勻布置蛇形換熱管，管中的循環(huán)介質(zhì)吸收來自于冷水機(jī)組冷凝器中的熱量，然后與襯砌外的空氣和圍巖進(jìn)行熱量交換，從而達(dá)到將工程熱量傳遞給環(huán)境的目的。在這個(gè)過程中，熱量在通道內(nèi)的空氣、管道內(nèi)的循環(huán)水和圍巖之間通過熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射進(jìn)行傳遞，是一個(gè)耦合傳熱的過程。想要深入研究傳熱過程中各影響因素的作用，需要建立模型進(jìn)行計(jì)算。

3、現(xiàn)有的模型主要有解析模型和數(shù)值模型兩種。解析法雖然簡便，計(jì)算快速，卻是建立在將埋管換熱器作為多個(gè)線熱源的實(shí)際情況等效為一個(gè)內(nèi)部面熱源來計(jì)算的基礎(chǔ)上，而且將口部通道實(shí)際的拱形斷面簡化為圓形斷面，這種簡化方法和實(shí)際情況必然存在偏差，并不能完全再現(xiàn)實(shí)際的傳熱過程。為了研究系統(tǒng)在不同工況下的長期運(yùn)行情況，需要根據(jù)通道實(shí)際斷面形狀，建立數(shù)值模型進(jìn)行求解，而這種多參數(shù)耦合的傳熱過程并沒有現(xiàn)成的數(shù)值模型可供參考。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供確定地下工程襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)埋管換熱器換熱性能的數(shù)值模型求解方法，建立襯砌內(nèi)埋管換熱器的數(shù)值模型，確定模型各模塊的最優(yōu)網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量級(jí)，為優(yōu)化通道傳熱特性提供數(shù)值算法。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一方面，提供了一種地下工程襯砌內(nèi)換熱管傳熱性能數(shù)值模型的求解方法，所述方法包括以下步驟：

3、步驟1，預(yù)設(shè)仿真模擬條件；

4、步驟2，建立地下工程襯砌內(nèi)換熱管傳熱性能數(shù)值模型；

5、步驟3，采用多種不同的網(wǎng)格劃分方式，對(duì)所述地下工程襯砌內(nèi)換熱管傳熱性能數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

6、步驟4，對(duì)不同網(wǎng)格劃分方式的結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，選取最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方式；

7、步驟5，針對(duì)最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方式對(duì)應(yīng)的地下工程襯砌內(nèi)換熱管傳熱性能數(shù)值模型，利用流體仿真模擬軟件進(jìn)行求解。

8、進(jìn)一步地，步驟1中所述仿真模擬條件，具體包括：

9、（1）口部通道與圍巖初始溫度場處處一致；

10、（2）所有材料的物性參數(shù)都是各向同性的、均勻的，且與溫度無關(guān)，是一個(gè)不隨時(shí)間變化的定值；

11、（3）襯砌混凝土均勻地澆于埋管換熱器周圍，圍巖和襯砌接觸緊密，不存在間隙，各部分接觸熱阻可忽略，襯砌和圍巖內(nèi)的換熱過程為導(dǎo)熱；

12、（4）埋管換熱器內(nèi)的循環(huán)水視為不可壓縮流體，忽略重力對(duì)流量的影響，循環(huán)水和管壁的換熱形式為對(duì)流換熱；

13、（5）口部通道內(nèi)的空氣和襯砌內(nèi)壁之間的換熱過程為對(duì)流換熱；

14、（6）圍巖傳熱過程中沒有考慮地下水水分遷移的影響。

15、進(jìn)一步地，步驟2所述建立地下工程襯砌內(nèi)換熱管傳熱性能數(shù)值模型，包括建立埋管換熱器管內(nèi)流體與管壁換熱的數(shù)值模型、管壁與襯砌換熱的數(shù)值模型，襯砌和空氣、圍巖換熱的數(shù)值模型，以及構(gòu)建初始條件和邊界條件。

16、進(jìn)一步地，步驟2中所述建立埋管換熱器管內(nèi)流體與管壁換熱的數(shù)值模型，具體包括：

17、埋管換熱器內(nèi)的流體和管壁的換熱過程包括兩部分：一部分是管內(nèi)流體與管壁之間通過熱傳導(dǎo)形式傳遞的熱量，另一部分是管內(nèi)流體與管壁之間通過熱對(duì)流形式傳遞的熱量；

18、流體流動(dòng)過程中的能量平衡方程寫為：

19、；

20、式中，是埋管換熱器管內(nèi)水的密度，是埋管換熱器的內(nèi)橫截面積，是水的定壓比熱容，分別是循環(huán)水進(jìn)、出水溫度，u是循環(huán)水的速度，是埋管換熱器與周圍襯砌的換熱量，表示為：

21、；

22、式中，是循環(huán)水平均溫度，是管壁外溫度，是循環(huán)水與管壁之間的傳熱系數(shù)，計(jì)算公式為：

23、；

24、式中，是循環(huán)水的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為是埋管換熱器的內(nèi)徑，單位為，是努謝爾數(shù)，是無量綱數(shù)。

25、進(jìn)一步地，湍流條件下，所述通過gnielinski關(guān)系式計(jì)算得：

26、

27、式中，，v是埋管換熱器內(nèi)平均流速；為無量綱常數(shù)；是水的運(yùn)動(dòng)粘度，單位為。

28、進(jìn)一步地，所述管壁和襯砌換熱的數(shù)值模型，具體為：

29、

30、式中，是襯砌的密度，是襯砌的比熱容，是襯砌內(nèi)的溫度，包括襯砌內(nèi)壁溫度和外壁溫度，是襯砌的導(dǎo)熱系數(shù)，表示時(shí)刻，（,,）為拱形通道襯砌內(nèi)埋管換熱模型上任意一點(diǎn)三維坐標(biāo)。

31、進(jìn)一步地，所述襯砌和空氣的數(shù)值模型為：

32、

33、所述襯砌和圍巖換熱的數(shù)值模型為：

34、

35、式中，是空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，是通道內(nèi)的空氣溫度，是圍巖密度，是圍巖比熱容，是圍巖溫度，是圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)，（,,）為拱形通道襯砌內(nèi)埋管換熱模型上任意一點(diǎn)三維坐標(biāo)。

36、進(jìn)一步地，所述初始條件為：

37、

38、式中，為圍巖遠(yuǎn)邊界溫度，單位為，為圍巖在半徑處的溫度；

39、所述邊界條件為：

40、。

41、進(jìn)一步地，所述方法還包括：

42、步驟6，對(duì)步驟5的地下工程襯砌內(nèi)換熱管傳熱性能數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。

43、另一方面，提供了一種地下工程襯砌內(nèi)換熱管傳熱性能數(shù)值模型的求解系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括以下：

44、第一模塊，用于預(yù)設(shè)仿真模擬條件；

45、第二模塊，用于建立地下工程襯砌內(nèi)換熱管傳熱性能數(shù)值模型；

46、第三模塊，用于采用多種不同的網(wǎng)格劃分方式，對(duì)所述地下工程襯砌內(nèi)換熱管傳熱性能數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

47、第四模塊，用于對(duì)不同網(wǎng)格劃分方式的結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，選取最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方式；

48、第五模塊，用于針對(duì)最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方式對(duì)應(yīng)的地下工程襯砌內(nèi)換熱管傳熱性能數(shù)值模型，利用流體仿真模擬軟件進(jìn)行求解。

49、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：

50、（1）針對(duì)大跨度拱形通道襯砌內(nèi)含有離散內(nèi)熱源的瞬態(tài)換熱問題，建立了襯砌埋管換熱器傳熱過程的數(shù)值模型。通過網(wǎng)格無關(guān)性分析，得出換熱管的網(wǎng)格單元數(shù)量級(jí)取千級(jí)，彎管所在體網(wǎng)格單元數(shù)和土壤網(wǎng)格單元數(shù)取50萬級(jí)，通道襯砌網(wǎng)格單元數(shù)取20萬級(jí)的網(wǎng)格劃分方案能夠在保證計(jì)算精度的前提下使網(wǎng)格數(shù)量最少，為同類型換熱問題找到了網(wǎng)格劃分最優(yōu)方案。

51、（2）通過對(duì)數(shù)值模型求解，得到了設(shè)計(jì)工況下沿通道徑向方向各測量點(diǎn)的溫度，單位通道長度的換熱量以及圍巖和空氣側(cè)換熱量的分配比例，為研究地下工程襯砌埋管換熱性能提供了數(shù)據(jù)參考。

52、下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。