基于fluen软件对洞室围岩非稳态传热的计算

基于fluen软件对洞室围岩非稳态传热的计算

1地下建筑中的热负荷通常，埋深大于12m的地下建筑是深埋地下建筑。为了维持特定的工作环境,保证机器设备的正常运转,满足生产工艺的需要,深埋地下建筑必须施行通风和空调。目前,多数地下工程空调存在的主要问题是:在稳态条件下设计的空调不能满足实际负荷要求。这主要是因为和普通的生产厂房相比,地下土壤或岩石的蓄热能力强,热稳定性高,随着空调系统的长期运行,产生的余热会出现积累,使土壤的温度升高,从而引起设计工况下的空调负荷低于实际负荷的要求,影响了室内环境。恰当的选择洞室的壁温,准确计算壁面的热负荷至关重要。什么时候洞室的温度达到稳定,可以作为空调负荷设计的参考温度?这涉及到壁面与空气的耦合传热和空调的运行机制,因此就由通风班制和生产班制的不同造成的岩土动态周期性耦合传热过程的不同进行数值分析具有重要的意义。而准确计算壁温比较困难,因为地下建筑的岩土传热过程是第四类边界条件,即耦合边界。传统编程方法需要假定壁面温度,经反复试算,使岩体固体区和空气流体区热流通量相等。该方法需要很好的编程能力,并且计算量大,耗时长,对于普通研究者而言难度很大。本文尝试采用Fluent软件对岩壁和空气的耦合传热进行计算,以便分析岩壁的冷负荷对空调负荷的影响。2内热源的简化地下工程高H=2.2m,宽b=1.8m,长L=50m。工程周边岩体的热物性参数为:比热为506.25J/(kg·℃),密度为2400kg/m3,导热系数为1.7445W/(m·℃),热扩散系数为1.436×10-6m2/s;洞室内空气的热物性参数:密度为1.173kg/m3,比热为1006J/(kg·℃),导热系数为0.0259W/(m·℃),热扩散系数为2.14×10-5m2/s,运动粘度为1.506×10-5m2/s。经过计算,L/b=27.8。根据文献,洞室的长宽比大于2,洞室可以简化为当量圆柱体。图1所示图形左边的拱形结构简化为右边的当量圆柱体,其半径为R=p2π=2(2.2+1.8)2π=1.273mR=p2π=2(2.2+1.8)2π=1.273m。间歇通风存在一班制、两班制和三班制,根据文献,一班制和两班制产生的热量具有周期性变化的规律。本文主要考虑间歇机制下施行通风时岩壁传热的动态变化规律。为简化计算,本文将室内间歇作用的内热源简化为随时间做0～1变化的矩形波,周期为20h。间歇内热源的散热过程见图2。3通过深埋地下孔室壁岩的闭合能量计算3.1flu根控制方程影响洞室岩壁传热的因素有通风班制,岩体的热工参数,通风风速和温度,另外还有岩土的湿迁移以及洞室埋深和几何形状等。由于土壤和岩石属于多孔介质,因此传湿和传热过程十分复杂。本文仅考虑通风班制、风速和岩壁的热工参数对岩壁传热的影响,在使用Fluent软件模拟时,对控制方程进行以下假设:1)假定工程围护结构和空气为均质,其热物性参数各向同性,且与温度无关;2)室内热源为均质热源,即热生成率为常数;3)岩体壁面和室内空气的温差相差不大,辐射换热量和对流换热量相比很小,忽略辐射换热;4)忽略空气的含湿量和岩土湿迁移的影响;5)作为一般性的模型,假定入口风速参数为常数。同时为了避免洞室外壁对空气和壁面耦合传热的影响,根据文献,对于外界温度成周期性变化的半无限大平壁非稳态导热,深度大于1.6aπτ0−−−−√1.6aπτ0时温度的振幅不到外界振幅的0.01。经过计算,岩体厚度取8m完全能够满足模型的计算精度要求。3.2flunt软件的求解及模型求解洞室的初始条件:岩体和空气初始温度均为291.15K。边界条件:洞室外壁面和洞室进出口端的岩壁均为绝热,空气入口风速为常数。在Gambit软件中建立了洞室传热的三维计算模型,并将模型分为固体区与流体区2部分。在Fluent软件中,设置了连续性方程、动量方程、能量方程,使用分离求解器,对时间项采用二阶差分格式,标准K-ε紊流模型,岩壁和空气的接触面采用耦合传热模型。空气出口假定无回流。求解器中能量及动量方程为二阶向前差分格式,为了加速计算压力和速度的耦合求解,采用了Piso算法。求解时模型收敛比较困难,经过反复试算,推荐松弛因子见下,动量取0.7,K和ε取0.5,能量取0.9,耗散项取0.7,其余保持默认设置。在Fluent软件中编制了内热源的“udf源项”,实现内热源的周期变化。4岩体壁升温地下建筑温室的变化规律通过对风速不同的3种工况进行数值计算及比较分析,得出了围护结构传热、岩体壁温和地下建筑室温的变化规律。由于主要是为了显示在模拟的较长时间内壁面能够提供的冷负荷,因此没有内热源时的传热数据对研究并不重要。为了考查岩壁达到稳定传热所需的时间,仅选取了内热源存在时的所需数据。4.1通风条件下热流通量的变化规律本文计算中内热源为已知条件,对于不同的风速和相同的内热源,岩壁热流通量达到稳定的时间不同。经过计算,如果不施行通风,洞室温度会增加12K/h,由此可以看到洞室通风的必要性。图3是风速为0.2m/s、0.5m/s、1.0m/s工况下岩壁热流通量的变化规律。模拟时间为720h(1个月),可以看到,随着时间的推移,岩壁热流通量逐渐变小,1个月后,岩壁热流通量的变化率约为1W/20h,这时可以认为岩壁热流通量进入稳定传热状态,岩壁开始提供稳定的冷负荷。风速越小岩壁提供的冷负荷越大,风速为0.2m/s时,岩壁的热流通量比速度为0.5m/s和1.0m/s时分别大1.3kW和2.2kW。4.2风速和热风对平均温度的影响风速对岩壁平均温度会产生一定的影响,风速越小,岩壁的平均温度越高。这主要是因为通风会带走洞室的大部分热量,风速越大,带走的热量越多,产生的热量向岩壁传递的热量就会越少,壁温上升的速度就会越慢。从图4中看到,风速为1.0m/s时,大约400h(约为17d)后岩壁温度达到稳定,约为291.9K;风速0.5m/s时,大约600h(约为25d)后岩壁温度达到稳定,约为292.4K;风速0.2m/s时,1个月后岩壁温度尚未达到稳定。在内热源不变时,风速对洞室平均温度的影响很大,风速确定后,洞室的平均温度也就大体确定了。从图5看到,不同风速下,室温随时间的变化很小。这主要是因为通风带走了绝大部分热量,岩壁温度的变化所引起的冷负荷变化与之相比很小,产生的热流通量变化引起的室温变化几乎可以忽略。但并不是所有的洞室都会出现这种情况,例如如果洞室的壁面面积很大时,壁面的冷负荷占空调负荷的比例就会比较大。4.3内热源的影响风速对温度场影响很大,风速越小洞室温度越高,内热源对洞室岩壁的影响也越大。经过计算,1个月后从图6中可以看到,速度为1.0m/s时整个洞室温度最低,平均温度为294.1K,温度场的范围是2.8m>x>-2.8m;速度为0.5m/s时平均温度为297.0K,0.2m/s时平均温度为305.4K,温度场的范围也分别为3.2m>x>-3.2m和3.7m>x>-3.7m。总体来看内热源对洞室岩壁的影响并不大,影响范围只是在附近区域。从计算中发现,速度较小时,洞室的平均温度过大,不能满足生产和工作要求。4.4导温系数对耦合传热的影响为了更好的寻找出洞室岩壁与空气耦合传热的变化规律,需要对洞室岩体与空气的热物性参数进行探讨。由于洞室内的空气参数变化不大,在风速一定时,影响洞室传热的因素就主要为岩土的热物性参数。根据固体导热微分方程可知,导温系数是衡量非稳态导热变化快慢的重要参数。为此,本文在风速为0.5m/s时选取导温系数不同的岩体材料进行了模拟与分析。选取岩土参数见表1。经过计算分析得到,岩体为麻岩时岩壁传热较快,接近粘土传热量的2倍,同时内热源对岩体的影响深度也比粘土时大,见图7。上述分析表明,导温系数对岩壁与空气的耦合传热有重大影响,导温系数大时,耦合传热就会越显著,具体热物性参数对耦合传热的影响比重需要做更进一步的计算与分析。同时也表明了在计算岩壁产生的负荷时应该考虑岩体的热物性参数的影响。5岩封式管道洞室的传热模型1)使用Fluent软件计算了洞室通风时岩壁的非稳态耦合传热,为深埋地下洞室空调负荷的动态计算提供了新的方法。2)在文中提供的深埋地下洞室参数下,经过大约1个月时间后,从岩壁热流通量、岩