深层埋管式能源桩换热性能影响因素分析

提出一种新型的能源桩换热管型式,即深层埋管式能源桩。利用Comsol Multiphysics建立三维方法模拟桩体-土体传热,一维方法模拟管内水动态传热传质的数值模型,考虑了土体温度随深度的变化,模拟出口水温随时间的变化规律并计算换热量,比较深层埋管式与传统的1-U型、1-W型能源桩的换热量,分析了桩径、桩体导热系数、桩体密度、桩体比热容等不同参数对新型深层埋管式能源桩换热量的影响。模拟结果表明：以运行50 h为例,深层埋管式的总体换热量比1-U型、1-W型分别高122%、54%;而对于单位管长换热量,深层埋管式比1-U型、1-W型分别高9%、50%,桩径从0.5 m增加到1 m,换热量增加14.3%;桩体导热系数从1.2 W/(m∙K) 增大至2.5 W/(m∙K),换热量增加9.6%;桩体密度从1 800 kg/m³增大到2 600 kg/m³,换热量增大0.8%;桩体比热容从637 J/(kg∙K) 增大到1 037 J/(kg∙K),换热量增大1.1%。因此深层埋管式的热性能优于传统1-U型和1-W型,在满足能源桩力学性能的前提下,为了提高深层埋管式能源桩换热性能,可以适当增大桩径。对于桩体材料的选择,应该选择导热系数较高的材料。密度和比热容对换热量的提升影响不大。     

热力弥散对地埋管换热器所在含水层传热过程的影响

针对地埋管换热器所在含水层三维非稳态传热模型进行优化,建立涵盖热力弥散效应的含水层过余温度解析模型。结合渗流砂箱热响应实验,探究热力弥散效应对于含水层传热特性与热扩散范围的影响。研究结果表明,当考虑热力弥散效应时,各观测点过余温度解析解与实验结果相似度增强,两者均方根误差RMSE(Θ)小于3%。通过计算得到,热力弥散效应对于含水层温度场演化过程的影响具有时空非一致性特征。当含水层中传热过程趋于稳定后,随着热力弥散效应的提高,地埋管井群所在区域过余温度变化幅度增大;位于下游区域的过余温度变化幅度则逐渐下降,热扩散范围缩小。     

导管架式海上风电机组参数敏感性分析

针对导管架式海上风电机组结构,构建了包含整个支撑结构的比较完整的风电机组模型,并对所建模型的动力特性进行了数值模拟。分析了导管架主桩桩径及壁厚,导管架斜撑桩径及壁厚,泥面横撑桩径及壁厚,泥桩桩径及壁厚等8个参数在较小的变化范围内对结构各阶频率的影响。研究结果表明:在上述参数较小的变化范围内,导管架主桩半径和壁厚以及泥桩壁厚的改变对结构各阶频率产生的影响非常小;模型的三阶频率随导管架斜撑半径和壁厚的增大而增大的现象会较其他频率明显很多;结构的4,5,6阶频率随泥面横撑的半径和壁厚增大而增大的现象会较1,2,3阶频率明显,但总体变化不大;在泥桩半径变化范围较小的情况下,结构的各阶频率随泥桩半径的增加而发生较其他参数都明显的增大的变化;在满足安全稳定的前提下,当桩径变化率为25%时,模型4,5,6阶频率的变化率分别为13.9%,17.4%,17.3%。该研究成果可为海上风电机组结构和平台安全保护提供重要依据。     

多晶硅还原炉中硅棒的直流电加热模型

考虑西门子还原炉内对流传热、辐射传热以及化学反应热,建立24对棒西门子还原炉内硅棒直流电焦耳加热模型。研究不同分布环上硅棒增长半径、反应器壁辐射率对硅棒内部径向温度分布的影响。结果表明:随着硅棒半径的增大,位于内环和中环的硅棒中心温度先增大又减小,而外环上的硅棒内部温度分布更不均匀;增大反应器壁辐射率,硅棒中心温度逐渐增大;辐射热损失越大,反应器壁的辐射率对硅棒内部温度的影响越强。     

分层岩土中地埋管换热器传热解析模型与分析

为准确预测地埋管换热器在分层岩土中的传热特征,采用分离变量法和格林函数法,基于单个圆环热源基本传热单元问题的解答,建立考虑岩土结构分层和横观各项同性特征的地埋管传热解析模型。该模型适用于工程中常见的垂直钻孔和桩基埋管换热器分层传热问题,具有较好的普适性。以2层岩土为例,利用模型解答对分层岩土中地埋管的传热特征以及分层参数对其影响规律进行研究。结果表明：均匀介质假设计算误差随作用时间的增加而逐渐增大,在靠近热源处误差更加明显,预测地埋管长时间温度响应时,应采用分层传热模型;在临界区域范围内,可用均质假设模型预测地埋管的传热特性,均质等效热物性参数取为对应岩土分层的热物性参数值;分层岩土导热系数对地埋管传热性能影响较大,岩土平衡温度随分层导热系数比的增大而明显降低;地埋管长度和直径的比值对地埋管传热性能有所影响,岩土平衡温度随长径比的增大而升高,且其影响程度随分层导热系数比的减小而增强。     

密实度对桩端承载力影响的离散元分析

为探究土体密实度对桩基的滑动面和破坏机理产生的影响,采用PFC3D软件模拟浅埋条件下的单桩在密实和松散砂土中的载荷试验,从微观角度揭示密实和松散两种状态对桩端承载机理的影响。结果表明,在桩端承载力与沉降位移的关系曲线中,密实地基的桩端阻力存在明显的峰值并出现沉降软化,松散地基的桩端阻力不断增大;通过颗粒速度场随桩体位移的变化,密实地基的破坏面与MEYERHOF G G提出的破坏面类似,松散地基的破坏面与VESIC A S提出的冲剪破坏面和局部剪切破坏面类似;通过颗粒位移场随桩体位移的变化,密实地基桩端附近土体发生侧向挤压和隆起而松散地基桩端土体仅发生严重的侧向挤压;通过分析地基破坏后的颗粒接触力,密实地基的力链有沿桩端向桩端以上的地基边界和桩身发展的趋势,松散地基的力链集中在桩底以下并向下传递;通过孔隙比和应力状态随加载过程的变化可知,密实地基发生土体剪胀,松散地基发生土体剪缩。     

中深层同轴换热器充填材料热性能研究

地热能作为分布广、储量大的可再生能源,在节能减排和促进碳中和方面具有重要作用。同轴换热器在开采中深层岩土体热量方面优势明显,可以进行无干扰式“取热不取水”开发。作为换热器与地层岩土体的传热媒介,充填材料对热性能的影响至关重要。采用数值模拟方法分析5种充填材料对流体温度、岩土体温度和作用范围的影响。结果表明,充填材料水的热阻是细砂-膨润土的1.5倍;采用高导热的充填材料（细砂-膨润土）后,出口流体温度升高了1.81℃,环空流体随深度增加呈非线性演化;换热器短期（4个月）和长期（20年）运行模式下井底（2 000 m）影响范围分别是深度500 m的1.5倍和7倍;细砂-膨润土作为充填材料的换热器在短期和长期运行模式下,井底影响范围可分别达到5.2 m和36.5 m。     

基于图像处理技术水分迁移对光伏桩冻拔稳定性影响的试验研究

该文以光伏螺旋短桩基础为例,对冻结过程中土体内部水分的迁移实现可视化观测,研究冻土中水分迁移对桩体抗拔稳定性的影响。试验结果表明,通过图像观测到的水分迁移过程与百分表记录的全螺旋桩冻拔量在时间和空间上具有一致性,主要分为3个阶段：第1阶段（初始阶段）,在0～1.5 h,水分迁移速率与桩体冻拔速率均较大,且在此阶段末,桩体的冻拔量达到桩径的8.4%;第2阶段,在1.5～5.0 h,二者的发展速率都有所下降但总趋势仍在上升,到5.0 h时桩体的冻拔量达到桩径的14.5%;第3阶段,在5.0 h后,水分的迁移基本完成,桩体的冻拔量达到最大并逐渐趋于稳定,最终冻拔量为桩径的15.3%。拟通过该文为寒冷地区光伏螺旋短桩在工程应用中所受到的冻拔影响提供基础试验依据。     

辐射传热时有限热源多级连续卡诺热机系统的最大输出功

对高低温热源均为有限热源、工质与高温热源间辐射传热、工质与低温热源间线性传热的多级连续卡诺热机系统最大输出功的最优温度曲线进行了研究,利用最优控制理论和"伪线性传热"模型得出了其最优温度曲线为驱动流体温度随流速和过程时间成单调递减变化,求出了其最大输出功,并与低温热源为无限热源下的结果进行了比较.     

换热孔回填材料含水率特征变化规律及其对热物性影响研究

通过设计“量筒法”代替环刀法和选用热重法,分别测量地下水渗入换热孔内回填材料的饱和含水率和残余含水率,用滤纸法测量基质吸力与含水率数据,然后基于含水率计算出不同深度下回填材料热特性参数。结果表明,高吸力值时材料的含水率更低,假设饱水带最高点为地下水位线0点,在距地下水位线100 m处仅有3.6%含水率;对比软件模拟数据与实测点,发现所选用的设计方法与拟合结果相近;与干实回填材料相比,受地下水渗入的换热孔下段靠近水位线处蓄热能力更强,温度变化相对延迟,但导热能力和热扩散能力都有所减弱,中上段蓄热和导热能力减弱,但热扩散能力增强。     

土壤高温储热热湿迁移过程的初步研究

初步建立了土壤高温储热热湿迁移过程的数学模型,并进行了数值求解.结果表明,土壤热湿迁移过程中的湿度场稳定时间明显滞后于温度场,且与土壤类型和水力传导特性等有关.对于水力传导性较差的土壤,在高温储热初期,靠近热源的地方容易产生湿份聚集,使得湿度曲线出现一个短期峰值.与低温储热相比,土壤高温储热时湿度迁移对温度场的影响较大,温度场呈整体降低趋势,降低幅度顺序为:砂土>壤土>粘土.在该文模拟条件下,粘土的热湿迁移过程对于初始湿度的变化不敏感,而砂土的热湿迁移过程则依赖于初始湿度,且影响程度随着初始湿度的增加而增大.     

Predictions of phase temperatures in a porous cathode of polymer electrolyte fuel cells using a two-equation model

In this study, both solid-phase and fluid-phase temperatures inside a porous cathode of a polymer electrolyte fuel cell in contact with an interdigitated gas distributor are predicted numerically. The porous cathode consists of a catalyst layer and a diffusion layer. The heat transfer in the catalyst layer is coupled with species transports via a macroscopic electrochemical model. On the other hand, in the diffusion layer, the energy equations based on the local thermal non-equilibrium (LTNE) are derived to resolve the temperature difference between the solid phase and the fluid phase. As for the species transports, the Bruggemann model is employed to describe the effective diffusivities of the oxygen and water vapor in the porous cathode. Results show that the wall temperature decreases with increasing the intrinsic heat transfer coefficient. As the intrinsic heat transfer coefficients increase, the porous electrode becomes local thermal equilibrium with a strong thermal interaction (heat transfer) between the solid and fluid phases. Under the conditions of high intrinsic heat transfer coefficients, the temperature difference between the solid matrices and the reactant fluids are negligible.     

壳管式相变储能换热器性能研究与场协同效应分析

建立壳管式相变储能换热器仿真模型,利用Fluent软件对蓄能、释能工况分别进行模拟。从温度场、速度场、固液交界面3个方面分析逐时换热强度的变化原因;探讨在蓄热过程中热源管壁温、热管口径规格对传热效率的影响。研究结果表明:蓄热工况下管间热扰及自然对流作用明显,10000 s时液相分数达到95%。放热工况以导热为主,60000 s时相变材料仅凝固了75%。从场协同效应分析,采用小尺寸热源管能缩短时间,但单位面积换热强度有明显下降。换热温差≤20℃时,其强化效果开始衰弱。     

蓄能互联热泵系统相变装置熔化与凝固过程特性分析

介绍了一种新型的蓄能互联热泵系统.利用数值模拟的方法对填充石蜡C17的球型蓄热单元的熔化与凝固过程进行研究,分析了球壁温度、相变单元尺寸和相变材料初始温度三种影响因素对熔化过程和球壁温度对凝固过程的影响.通过对两个过程对比发现相变单元尺寸对相变过程影响最大,在相同温差条件下完全熔化时间少于完全凝固时间,熔化过程中始终存...     

水平管壳式相变蓄热装置的强化传热研究

基于焓法模型对水平管壳式相变蓄热装置热性能的增强进行研究,首先分析蓄热过程中传统管壳式装置内材料的传热及流动机理;然后引入椭圆元素并对比椭圆内管及外壳的强化传热效果;最后对热源温度、相变材料导热系数及初始温度对装置热性能的作用规律进行探讨。结果显示,椭圆外壳的强化传热效果优于内管,同等条件下,长短轴之比为2的椭圆外壳可使蓄热时间缩短53.5%。热源温度升高,椭圆外壳的强化传热效果进一步增强,相变材料的导热系数及初始温度对装置热性能的影响较小。     

Understanding the temperature-induced mechanical behaviour of energy pile foundations

This paper discusses physical process of thermal transfer in energy pile foundations, which function as structural support for the buildings as well as heat exchangers serving energy to the buildings. Derivation of conservation of energy balance is presented, depends on its type of heat transfer within a whole system of soil and foundation. In order to understand the mechanical implication behind their application, simulation numeric with finite difference method is conducted, concerning an energy pile in homogenous soil under static thermal load. The study takes into account two different conditions of contact between soil and pile: perfectly contact and sliding contact using frictional interface elements. The results show that temperature-induced mechanical behaviour of pile and soil is strongly related to the condition of contact between them. Further work is projected to consider a more appropriate law that corresponds to cyclic thermal loading of energy piles due to its seasonal cooling and heating operation throughout the year.     

Numerical simulation of the airflow and temperature distribution in a lean-to greenhouse

In this paper, heat transfer and flow in a lean-to passive solar greenhouse has been studied. A mathematical model based on energy equilibrium and a one-dimensional mathematical model for the unsaturated porous medium have been founded and developed to predict the temperature and moisture content in soil and the enclosed air temperature in the greenhouse. On the condition that plant and massive wall is neglected, the air is mainly heated by the soil surface in the greenhouse, which absorbs the incident solar radiation. With increase in depth, the variation of the temperature and moisture content in soil decreases on account of ambient, and the appearance of the peak temperature in soil postpone. Solar radiation absorber, heat storage and insulation are the main effects of the north massive wall on greenhouse, which is influenced by the structure and the material. The specific heat capacity and thermal conductivity of wall material have a remarkable effect on the north wall temperature. The build-up north wall with thermal insulation material may be chosen for greenhouse. The temperature distribution and gas flow in greenhouse is influenced by the cover material of the inside surface of the north wall and the inclined angle of greenhouse roof. All results should be taken into account for a better design and run of a greenhouse.     

熔融盐斜温层蓄热的热特性研究

对熔融盐高温斜温层蓄热过程进行较深入的理论与实验研究,建立熔融盐单相流体斜温层蓄热的瞬态热分析模型,模型考虑熔融盐的变物性。利用Fluent软件,通过求解N-S方程与能量方程,对熔融盐单相流体斜温层蓄热罐在各工况条件下的传热蓄热过程进行数值模拟。研究时间进程、初始条件以及结构尺寸等对蓄热性能的影响。结果表明:斜温层的厚度随时间的推移而增加,达到一定厚度后增加量趋缓;流体进口流速、长径比等是影响有效蓄热容量的主要因素,当进口速度为0.001m/s级、长径比为2∶1时,将减少斜温层厚度。