循环单井一维简化模型研究

摘要

单井循环地下换热系统是地下水源热泵的一种形式，因其可有效地减小汇源井的深度、系统初投资和运行费用都较低、系统的性能效率较高，在节能环保方面有着良好的影响等优势而在世界范围内被广泛应用。
　　单井循环地下换热系统又有循环单井、抽灌同井和填砾同井三种形式。本研究主要关注循环单井这一形式的地源热泵系统的换热和流动过程。本研究从循环单井的发展历程着眼，探究研究循环单井数学模型的必要性，总结现有的数学模型，根据循环单井内的流体流动特点和传热特点，结合达西定律、能量方程等推导提出本文的循环单井一维简化数学模型。分别建立循环单井的流动模型和传热模型，包括建立井外径向一维传热模型，抽水管一维轴向换热模型以及井孔一维轴向传热模型；对含水层建立径向一维流动模型，对井管建立轴向一维流动模型，之后辅助以求解条件根据模型的特点选择合适的求解方法求解。对于含水层径向一维流动模型、井管轴向一维流动模型求得解析解后，对其中的流动规律进行分析。
　　此外，使用以往学者的实验和测试验证本研究建立的一维简化模型，比较模拟值与实测值的差异，分析误差产生的原因，判断模型的合理性和准确性，进而确定模型的适用性。验证结果表明循环单井简化模型能较好地模拟循环单井实际抽水温度的变化情况。
　　之后利用建立的数学模型从含水层参数、负荷以及汇源井参数三个方面研究了含水层渗透系数、含水层导热系数、含水层容积比热容、含水层厚度、地温梯度、抽水量和抽水管导热系数汇源井参数、含水层参数和负荷六个参数变化对循环单井流动换热过程的影响。参数研究表明含水层导热系数、含水层容积比热容的增加会导致抽水温度的降低，而含水层厚度、地温梯度的增加会使抽水温度升高。抽水量的增加，总体抽水温度，平均抽水温度、最低抽水温度均会升高。当抽水管导热系数增加时，抽水温度有较为明显的下降，最后在本文提出改善换热的方法。

目录

符号表

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 主要研究内容

1.4 研究思路

第2章 循环单井流动传热模型

2.1 模型相关理论基础

2.2 含水层一维地下水流动模型

2.3井管和井孔内流体的一维流动方程

2.4 井外一维传热模型

2.5 井内传热模型

2.6 本章小结

第3章 数学模型的求解

3.1 求解方法

3.2 含水层流动方程的理论解

3.3 抽水管内流体流动方程的理论解

3.4 传热模型整体求解

3.5 多物理场耦合模型求解

3.6 多物理场耦合模型结果分析

3.7 本章小结

第4章 数学模型的实验验证

4.1 实验验证概述

4.2 实验概况

4.3 含水层物性参数

4.4 实验数据

4.5 模型验证

4.6 本章小结

第5章 基于数学模型的循环单井参数研究

5.1 参数研究概述

5.2 含水层参数对循环单井流动换热的影响

5.3 负荷对循环单井流动换热的影响

5.4 汇源井参数对循环单井换热的影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢