热源作用下非饱和土壤热湿迁移实验及数值模拟研究

摘要

近年来，随着能源危机的不断加剧和环境问题的日趋严重，新能源开发利用技术逐渐成为学界关注和研究的重点。与此同时，土壤源热泵技术作为一项绿色低碳、节能高效的浅层地温能开发利用技术，得到了快速发展与应用，但在地埋管换热效率优化方面仍存在许多急需解决的问题。其中，地埋管在非饱土壤中的换热过程，涉及多物理场耦合，其传热传质机制更为复杂，是目前土壤源热泵应用中需解决的关键问题之一。 为了研究非饱和土壤热湿迁移过程，本文基于已搭建的一维土柱实验装置开展了不同工况条件下非饱和土壤的热湿迁移实验，通过对实验结果的分析探讨了土样类型、热源温度、初始含水率3个因素对非饱和土壤热湿迁移的影响，并基于Hydrus-1D软件对非饱和土壤热湿迁移进行了数值模拟研究。 结果表明： （1）在6种土样类型中，细砂、粉砂和粘土热迁移效果较好，粗砂和砾砂的热迁移效果次之，中砂热迁移效果最差。有热源影响下砂土中温度沿砂柱的变化趋势呈幂函数。 （2）热源温度越高，土样热迁移和湿迁移效果越明显；初始含水率越高，土样热迁移效果越明显，但湿迁移效果变化不大。此外，湿迁移相对于热迁移存在一定滞后性，且热源温度越高，滞后性越明显。 （3）土体中水热迁移过程相互作用，互为驱动。距离热源越近，温度梯度在驱动水分运移的过程中占主导地位；距离热源越远，温度梯度在水热迁移过程中的作用逐渐减小，湿度梯度在热湿迁移过程的影响力逐步增大。 （4）模拟结果表明：在一定范围内，热源作用时间越长，热影响范围越大，湿迁移效果越明显，土样含水率的峰值点数值越大。随着热源作用的时间增长，含水率峰值点向远离热源方向迁移且水分积累区域有明显变宽的趋势。同时，模拟热源温度越高、初始含水率越大，热湿迁移的拟合效果越好。

目录

第一个书签之前