土壤一维渗流－郑川１，２，潘标开３

土壤一维渗流-传热耦合模型试验与数值模拟郑传1，2，潘表凯3，莫红艳11。 2. 桂林工业大学土木与建筑工程学院, 广西桂林 541004; 2. 福建省建筑科学研究院, 福州 350025; 2. 中国建筑材料工业集团广东省地质勘查中心，广州510403基于多孔介质传热和地下水流动理论，利用仿真软件COMSOL 建立了简化的三维数值模型，并对计算值和实测值进行了对比验证。研究表明，当地下水处于低渗流速度时，渗流的影响可以忽略不计。当地下水处于高渗流速度时，渗流增强了传热，其作用随着速度的增加而逐渐增强。场的影响在于传热范围。当渗流与传热方向相反时，传热范围较小，可作为埋地管道间距布置的参考。仿真结果表明，误差小，建立的物理模型更可靠。关键词：模型实验；热渗耦合；水平渗流；模拟验证；多场耦合 04-24 修订日期：2020-05-03 基金项目：国家自然科学基金（41962014；51568014）；广西自然科学基金项目（）；广西建筑新能源与节能重点实验室(桂克能17) - J - 21 - 2) 作者简介：郑川(1993- )，男，硕士研究生，研究方向为环境岩土工程。

通讯作者：莫红艳（1976-），女，讲师，研究方向为岩土工程。一、引言 石油等常用能源被大量开发利用，储存能力不断下降。寻找新能源已成为解决能源危机的重要途径[1]。浅层地能具有来源稳定、适用性好、对环境无污染等优点，是清洁能源的重要组成部分[2]。地源热泵系统是一种利用浅层地热能的新型采暖、通风和空调技术。它通过埋地管道与周围土壤进行热交换，将浅层的低品位热源转化为可利用的高品位热源[3]。地下水渗流是影响埋地管道传热的重要因素。邵俊鹏等。 [4] 研究了渗流速度对土壤耦合埋管传热特性的影响；刘东林[5]证明地下水渗流有助于埋管换热器的传热。王鹏杰[6]以粗砂为例，研究了饱和带渗流条件下的热运移规律。 Chiasson[7]研究了地下水渗流对管组传热的影响。崔[8]指出，影响埋管换热器传热性能的主要外部因素是地下水渗流和不同土层的热物理参数。朱博森和张杰[9]建立了双U型管的多孔介质模型，模拟了土壤中渗流速度为0和2×10-时换热器的温度场变化和换热能力。 6 米 s-1。目前，渗流-传热耦合研究多以数值模拟为基础，建立并通过模拟验证的物理模型较少。

水平渗流对单层土壤传热的影响更接近现实。因此，本文建立了一种简化的一维传热实验装置，测量土壤中的温度分布，分析渗流的影响，并与一维传热模型的模拟结果进行对比，以修正物理模型，为改善土壤热渗流传递理论模型提供实验数据依据。 2 土壤一维传热试验研究 2.1 实验装置分析渗流速度和方向对传热的影响。本次实验使用的是未来用8000树脂3D打印的螺旋拼接实验盒。盒子长1116mm，外界面为直径100mm的圆形，内层填土。箱体采用双层PVC绝缘材料进行严格绝缘，箱体一端通过铜板与土柱紧密接触，提供恒定热源，如图1所示。由于径向长度为小且箱体严格隔热，径向渗流和传热可以忽略不计传热综合实验3d虚拟仿真软件不能用手机吗，热渗耦合传递被认为是沿轴向的一维水平。在距热源50、75、150、175、250、275、350、375、450、550、650、750、850、950（单位：mm）处钻一个直径10mm的孔，用于掩埋14的温度传感器按顺序编号：T1~T14。图1 实验装置系统 2.2 实验过程 为保证恒温，本实验在大型步入式恒温室（室温设定为21℃）进行。

按一维水平渗流方向分为三种工况（表1），加热时间为12h。表1 热负荷为40℃时饱和土工况下渗流方向干密度试验结果 ρ d/g · cm -3 渗流温度T 0 / ℃ 热源温度T s / ℃ 渗流速度u / m · s- 1I 正向 1 .61 21 401.48×10 -71.63×10 -53.47×10 -5II 反向 1.61 21 402.02×10 -67.35×10 -62.06×10 -5III 饱和无渗流 1.61 21 400 备注：1、渗流作用时沿传热方向为正向，否则为反向； 2、根据实验结果，正向和反向渗流速度选自三组典型工况。在实验过程中，土壤被分层填充并埋在传感器中。封堵后注水达到渗流饱和，土柱温度恒定。然后，通过包裹绝缘材料开始实验。实验结束时，调整压头差，进行新的工况。 3 土壤一维传热模型 3.1 基本假设 1) 模型中饱和介质砂体均匀、各向同性，热物理性质不变； 2）饱和介质砂被认为是一种多孔介质，只有固液两种存在。 3）忽略引力势，渗流只在水平方向流动，即只有水平渗流，流动状态呈分层状。雷诺数Re在1到10之间符合达西定律。

3.2 多孔介质中的传热和流动 考虑了多孔介质中单向流动和传递的宏观方程。在这种情况下，多孔介质的孔隙被一种或多种完全混溶的单向流体完全填充。多孔介质中传热和流动的控制方程如下： 连续性方程： (φρ) τ+  ·(ρ V ) = 0(1) 运动方程：u = - kμ p(2) 能量方程: φ ( ρc p ) f T s τ + (ρc p ) f V ·  T f = φ  · (λ f  T f ) + φｑ″f (3 ) 其中： φ 是多孔体的孔隙率中等的; ρ为流体密度，kg m -3； τ 是多孔体的曲折度； V 是流体的表观速度； k 为多孔介质的渗透率； μ 是流体的动态粘度； u 为宏观流速；温度; Tf 是流体相的温度； cp 是流体的恒压比热； λ 是热导率； q″是内部热源产生的每单位体积的热量，W·m-3。 3.3 啮合模拟的几何参数和基本参数见表2。 表2 模拟基本参数 名称 值 单位描述 L 1000 mm 3D模型长度 D 44 mm 3D模型直径 d 12 mm 主排水管直径 T 0 294.15 K 渗流温度 rho 0 2012kg·m -3 砂密度 eps 0 0. 41 孔隙度 m 0 6.25e-5 m·s-1 渗透系数 K 0 2.427 W·(m·K)-1 导热系数 Cp0 952 J·(kg·K) -1 比热容T s 313。15K热源温度的网格划分结果如图2所示。进水口和出水口排列较密，其余为三角形划分形式。

图。 2 网格划分结果示意图 4 结果与分析 模型中建立了三种渗流条件，即饱和无渗流、正向渗流和反向渗流。其中，正向渗流和反向渗流分别设置了3种不同的渗流速度，分析不同渗流速度对温度场的影响。本研究步为瞬态求解，计算步与模型盒实验过程的最小时间间隔相同，从0h开始，步长为0.25h，到12h结束，共49个计算步。 933第3期郑传等：一维渗热耦合模型实验与土壤温度场分布数值模拟。实测结果表明，随着时间的增加，传热效率不断下降。这是因为热量不能在饱和砂中均匀扩散，所以曲线是凹的。对比实验数据和模拟数据，发现结果的误差均在合理范围内。最大相对误差为 7%。此外，12 h实验研究得到的温度场分布与饱和无渗流介质砂体传热数值模拟结果也非常相似，如图3所示。 图3中砂饱和12小时无渗漏(u 0 = 0m·s-1 )。图4是T1测点在饱和无渗流条件下12小时内的温度变化。实验结果分析表明，T1处的温度变化过程是先快速上升，然后缓慢上升。对比仿真结果可以看出，饱和时无渗流时的最大相对误差为5%，误差结果很小。

实测值和模拟值随时间的温度变化曲线如图4所示，两者趋势基本一致，但实测值小于模拟值，相对误差随时间增加时间。这主要是因为模型实验条件下的绝热边界不如仿真准确，并且存在热量损失，而且随着传感器记录的温度不断升高，与外界的温差越大，失去更多的热量。总之，饱和和无渗流的模拟结果被认为是有效的。图4 T1 时刻土壤温度变化(u 0 = 0m·s-1 ) 4.2 正渗砂的传热结果 图5 为不同渗流速度下正渗砂12h 的温度场分布。实测结果表明，在三个正向渗流速度的影响下，热量传递到土柱箱的末端，随着渗流速度的增加，传递的最高温度越来越低。其中，渗流速度为u1时的分布曲线与饱和无渗流时的分布曲线相似；当渗流速度为u2和u3时，分布曲线沿渗流方向逐渐增大。造成这一结果的原因是不同渗流速度对传热的影响不一致。高渗流加强了中砂中孔隙水的对流换热，使热量均匀扩散，而低渗流对流换热效果较弱。综上所述，当渗流速度u≤u1时，渗流对埋管内介质砂体传热的影响可以忽略不计；当渗流速度u≥u2时，渗流对埋管内介质砂体传热的影响可以忽略不计。热影响更大。在三种不同的正向渗流速度下，最后12h的实验数据与模拟数据对比表明，结果的误差均在合理范围内。

最大相对误差为8%、12%、8%，最小相对误差为0%。当渗流速度为u 1 时，介质砂中12 h传热实验研究得到的温度场分布与数值模拟得到的温度场分布非常相似（图5a）。接近线性，模拟研究得到的温度场分布是沿渗流方向一个个达到温度平衡，不平衡点呈线性分布（图5b）。除了试验研究中砂体的不均匀性、模型的保温性能、设备精度的误差外，造成这种误差的主要原因是模拟研究中垂直渗流速度为0，而在在模型研究中，它以一维的方式减少。由于重力势的影响，仍然存在垂直渗流，所以本应达到平衡的温度点在这个渗流速度下没有达到平衡点。场分布几乎都是线性的（图5c），但大多数测量值比模拟值低1-2°C。产生这个误差的原因同上，主要是受垂直渗流速度的影响。以温度传感器12h内的温度变化为例，T1变化最为显着。初始温度为 21 ℃，三个正向渗流速度下获得的最大相对误差分别为 6%、4% 和 5%。更小。实测值和模拟值随时间的温度变化曲线如图6所示，两者的变化趋势基本一致。当渗流速度为u1时，实测值仍小于模拟值，且相对误差随时间增大（图6a），主要原因与饱和无渗流时相同；当渗流速度为u 2 时，实测值开始大于模拟值，相对误差随时间逐渐趋于稳定（图6b）。垂直渗流速度为0m·s-1，水平渗流带走更多热量，使温度低于模型实验记录的温度；当渗流速度为 u3 时，实测值仍大于模拟值传热综合实验3d虚拟仿真软件不能用手机吗，相对误差 It 随着时间逐渐趋于 0%（图 6c），这主要是由于绝对水平渗流速度在数值模拟带走了更多的热量，使得温度低于模型实验记录的温度，但因为模型中的渗流速度更快。 ，减少了垂直渗流速度的影响，导致两者最终差值为零。

综上所述，正向渗流的模拟结果被认为是合理的。 0 4 3 岩土基础 2021Fig.图 5 正向渗流 12 h 温度场分布 图 6 T1 时实测值和模拟值温度变化曲线 4.3 砂粒反向渗流传热结果 渗流速度下 12 h 传热温度分布。实测结果表明：在三种逆向渗流速度的影响下，随着渗流速度的增加，传热范围越来越小，传热最高温度与正向渗流一致。该结果的原因是向逆流的热传递被抑制。因此，在布置埋地管组间距时，需要考虑实际地下水渗流速度下反渗条件下的传热范围，合理安排土壤的传热能力。在三种不同的反向渗流速度下，最后12h的实验数据与模拟数据对比表明，结果的误差均在合理范围内。最大相对误差为5%、4%、6%，最小相对误差为0%。三种不同试验速度下中砂传热的12小时实验研究和数值模拟得到的温度场分布也非常相似（图7）。图 7 正向渗流 12 小时内温度传感器的温度场分布。以 T1 时变化最显着为例，初始温度为 21 ℃，三个正向渗流速度下得到的最大相对误差为 3 。 %、3%、4%VR系统 ，误差结果很小。

实测值和模拟值随时间的温度变化曲线如图8所示，两者的趋势基本一致。当渗流速度为u'1时，实测值小于模拟值，相对误差随时间增大。当渗流速度为u'2时传热综合实验3d虚拟仿真软件不能用手机吗仿真系统，实测值小于模拟值，相对误差随时间逐渐减小（图8b），这主要是由于模型实验条件下存在热损失，并且随着传感器记录的温度不断升高，与外界的温差越大，热量损失越多，但数值模拟中的绝对水平渗流速度抑制了传热合成，减小了相对误差；渗流速度为u'3时，实测值仍大于模拟值，相对误差随时间增大。 ，这主要是由于数值模拟中的绝对水平渗流速度抑制了传热，使温度低于模型实验中记录的温度。综上所述，反渗流的模拟结果被认为是有效的。图 8 T1 时实测值和模拟值的温度变化曲线 4.4 误差分析 建立的数值模型和实验模型的误差分析如下： (1) 实际充砂的一维均匀度模型框与仿真设置结果有一定差异； (2)随着实验时间的增加，模型箱内有一定的热损失； (3) 模拟研究中排除了垂直渗流速度的影响，即垂直渗流速度为0，实验研究虽然通过一维模型降低了重力势的影响传热综合实验3d虚拟仿真软件不能用手机吗，但仍有垂直渗流速度导致的结果错误； (4) 根据实际模型模拟渗流速度时，一维模型框两端明显注入。出口附近渗流速度变化较大，中部渗流速度相对稳定。

5 结论 (1)正反渗透对埋管换热器传热特性的影响存在一定差异。对于中砂，当u≤1.48×10-7 m·s -1 时，渗流的影响可以忽略不计；当u≥1.63×10-5 m·s -1 时，土壤传热有增强作用。反向渗流会缩小热源的影响范围，即阻碍传热。逐渐增加。 (2) 正向渗流条件下，当渗流速度较低时（u ≤ 1.48×10-7 m s-1 ），中砂传热结果误差主要受模型试验热损失的影响。当渗流速度较高时（u≥1.63×10-5 m s -1 ），误差结果主要受模型试验中垂直渗流速度与数值模拟的差异影响。 (3) 在逆渗条件下，当渗流速度较低时（u'≤7.35×10-6 m·s-1），介质砂中传热结果误差主要受模型中热损失的影响实验。当渗流速度较大时（u '≥2.06×10-5 m s -1 ），误差结果主要受模型试验中垂直渗流速度与数值模拟的差异影响。 (4)根据数值模型验证所建立的物理实验模型的可靠性，发现所得结果吻合较好。参考文献 [1] 王胜汉．能源危机的产生及解决策略分析[J].科技经济导刊，2018，26（27）：109-110。 [2] 曾兆天.喀斯特...