基于分形理论的饱和土壤中土壤-空气换热器温度场的研究

摘要

目前，随着环境污染以及能源危机的问题越来越严峻，节能减排、开发利用太阳能、核能、浅层土壤能等可再生能源已成为可持续、科学发展的焦点。在此背景下，本文开展了利用浅层土壤能的土壤—空气换热器周围土壤热传递规律的研究。 关于土壤—空气换热器的应用和发展，揭示地埋换热管和土壤的换热机理以及发现土壤中的热迁移规律是研究的关键。本文以调节日光温室内环境的土壤—空气换热系统为背景，通过模拟计算和试验研究相结合的方法进行分析，探索土壤内部复杂结构对于热迁移的影响，以及饱和土壤中的导热规律。 以往关于土壤导热的研究，多是基于传统的欧式几何方法，将土壤看作一种大尺度上均匀、性质稳定的虚拟连续介质，对热物性参数进行宏观性的描述并以此研究其热传递过程。然而，实际上均匀单一稳定的多孔介质是不存在的，土壤等多孔介质的热物性参数以及热传递过程直接受到其内部微观结构的影响。利用土壤符合分形理论的自相似性和标度不变性，本文建立了随机的土壤分形模型，并进行了热传递规律的研究。 针对土壤内部复杂结构对热迁移的影响，本文首先建立了简化的多孔介质模型，利用土壤热物性参数主要受其内部结构影响而几乎与导热过程无关的规律，简化导热过程为稳态导热，计算出衡量土壤导热能力的有效导热系数，并分析了有效导热系数与土壤孔隙率、孔隙通道的空间分布、基质率、导热方向上的基质通道尺寸大小以及空间分布之间的影响关系；其次利用matlab软件对计算结果以及模拟过程进行可视化，直观上分析讨论了土壤内部结构与导热过程的对应关系。 针对土壤—空气换热器运行中的地下换热过程，本文建立了分层土壤分形模型，并用建立的模型进行模拟计算，将模拟计算结果和试验结果对比分析，可得出如下结论：土壤—空气换热器可以很好地调节日光温室内空气温湿度；土壤—空气换热器作用下的土壤温度变化显著，且受到湿度分布变化的影响，湿度梯度对热迁移会产生推动作用。土壤—空气换热器对土壤的影响主要表现为径向上的变化，即在竖直方向上产生了明显的温度变化以及湿度分层，且距离换热管越近，温湿度随时间和空间上的变化明显。不同管径的土壤—空气换热器，换热效果会产生明显的差异。综合分析比较，管径为110mm相比90mm的换热管作为系统管径更为科学合理，换热效率也更高。

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基于分形理论的饱和土壤中土壤-空气换热器温度场的研究

摘 要

RESEARCH ON EARTH-TO-AIR HEAT EXCHANGER TEMPERATURE FIELD IN SATURATED SOIL BASED ON FRACTAL THEORY

ABSTRACT

符号说明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.1.1 土壤—空气换热器的发展

1.1.2 多孔介质热质迁移理论模型的发展

1.1.3 分形理论的发展

1.2 土壤—空气换热器的国内外研究现状

1.3 分形理论的国内外研究现状

1.4 课题来源

1.5 本文主要研究内容与方法

第二章 分形理论与数值模拟分析

2.1 分形理论的基本内容

2.1.1 分形几何学的产生

2.1.2 分形几何的特征

2.1.3 分形几何的构成

2.2 分形传热模型的建立与求解

2.2.1 分形传热模型的构造

2.2.2 分形传热模型模拟计算求解

2.3 模拟计算结果分析

2.3.1 模型可行性验证

2.3.2 孔隙率对于有效导热系数的影响

2.3.3 孔隙分布、基质分布对于土壤模型导热能力的影响

2.3.4 孔隙分布、基质分布对于热流分布土壤温度场分布的影响

2.4 本章小结

第三章 土壤—空气换热器土壤分形导热模型

3.1 土壤—空气换热器土壤分形导热模型建立

3.1.1 模型假定

3.1.2 分层土壤分形模型的建立

3.1.3 数学模型

3.2 土壤—空气换热器土壤分形导热模型的求解

3.2.1 分形土壤二维传热模型的求解

3.2.2 模型边界条件及初始条件设定

3.2.3 网格独立性检验

3.3 模拟工具介绍

第四章 土壤—空气换热系统的试验简介

4.1 试验平台介绍

4.2 试验仪器的选取和布置

4.2.1 试验仪器的选择

4.2.2 试验仪器的测点布置

第五章 土壤热迁移规律的分析总结

5.1 土壤地下埋管传热温度分布

5.2 模型验证

5.3 土壤—空气换热器运行下的土壤中温度场分布

5.3.1 轴向的温度变化情况

5.3.2 轴向的温度日变化情况

5.3.3 径向湿度影响下的温度分布

5.3.4 径向的温度日变化规律

5.3.5 径向和轴向的湿度变化对比

5.4 不同地埋管管径的区别

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

附件

附件1：基于Sierpinski carpet的构造的分形模型的部分程序

附件2：土壤分形模型模拟计算的编程程序（部分）