地埋管换热器Delaunay三维非结构化网格的方法研究及程序开发

摘要

我国地域辽阔，储藏着大量的浅层地能资源，土壤源热泵技术正是利用浅层地热能进行供热、制冷的新型技术，近年来广泛应用于工程实践中。对该技术研究的关键之处在于完善地埋管换热器的传热模型，对于传热模型的建立方法主要有解析法与数值法，解析方法有局限性，数值方法适用性更强，通常采用商业软件或自主编程。土壤源热泵系统地埋管的传热过程实际上是热渗耦合理论下的复杂非稳态传热过程，尤其对于地下水渗流过程的模拟，已超出了现有商业软件的功能范畴，因此，为了更有针对性地研究该问题，自主编程是必经之路。
　　在计算流体动力学编程中，网格划分的质量决定了数值计算结果的可靠性。对于土壤源热泵U型地埋管换热器的几何模型，考虑结构化网格技术对复杂模型的局限性，应采用非结构化网格技术。基于此，本文研究并实现了三维实体Delaunay非结构化网格划分技术，旨在为土壤源热泵U型地埋管换热器热渗耦合数值计算编程提供帮助。
　　本文采用FORTRAN语言编写程序，针对三维领域设计了一套行之有效的Delaunay四面体网格生成算法，文中详细介绍了算法的具体实施步骤及程序设计流程，并通过几个典型算例展示了网格划分结果，证明了本文算法的可靠性。对于本文重点研究的土壤源热泵系统几何模型，笔者结合模型自身特点对算法进行了改进，以适应其特殊性。改进后的算法采用相对误差限的判断方法避免了计算过程中出现的误差问题，解决了插入点与空腔边界共面的问题，实现了连接着却又相互独立的多层网格，具有良好的适应性及稳定性。
　　最后，本文对土壤源热泵竖直U型地埋管换热器的几何模型进行了相应简化，分别建立了三维领域中的单管、双管、U型管几何模型，基于改进后的Delaunay四面体网格生成算法对U型管、回填土、土壤等部分进行了非结构化网格划分，获得了质量较好的四面体网格，为后期的数值计算打下了良好的基础，也为实际的工程实践提供了理论与技术支持。

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第一章 绪论

1.1 选题背景、研究目的及意义

1.2 土壤源热泵在国内外的发展与研究现状

1.3 本文研究内容及方法

1.4 本章小结

第二章 网格生成技术的分类及相关理论

2.1 结构化网格

2.2 非结构化网格

2.3 三维Delaunay三角化方法在编程计算中的应用

2.4 本章小结

第三章 三维几何体的Delaunay网格生成算法

3.1 Delaunay四面体网格生成原理

3.2 边界网格点的生成与最初网格的确定

3.3 确定 Delaunay空腔边界，形成初始风格

3.4 区域外网格的删除

3.5 向初始化网格中加入新点

3.6 网格的加密及优化

3.7 网格结果的输出

3.8 本章小结

第四章 三维Delaunay非结构化网格程序开发

4.1 程序开发环境

4.2 设计流程

4.3 程序的调试与结果

4.4 程序存在问题及解决方法

4.5 四面体网格应用实例

4.6 本章小结

第五章 地埋管换热器的几何模型与网格划分

5.1 地埋管换热器单管模型的建立

5.2 地埋管换热器双管模型的建立

5.3 地埋管换热器U型管模型的建立

5.4 网格划分的合理性

5.5 本章小结

结论与展望

结论

展望和建议

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研项目及发表的学术论文

致谢