一种井底U型对接井的换热模拟计算方法与流程

本发明属于u型对接井换热系统，尤其涉及一种井底u型对接井的换热模拟计算方法。

背景技术：

1、u型对接井换热是指将冷凝单元、蒸发单元等部分延伸至地下，通过其与地下热能实现地源热交换，从而实现利用地能为地上单元进行供暖或制冷的一种新型节能环保的能源技术。

2、为了充分考虑u型对接井换热的取热特性，以期获得更好的热经济性以及更为合理的供热能力，技术人员通常会对全工况下的u型对接井换热数值进行传热模型模拟计算。例如：冯绍航，陈静平，陈延信等人于西安建筑科技大学学报(自然科学版，2012，44(4)：586-592.)中发表的“管道水流速对深层u型地热井采热影响的数值模拟研究”一文中，就具体对中深层u型地热井进行了数值模拟研究。并在建立采热井管道内外传热模型的基础上，对地下深层岩土的温度梯度、岩性变化与地下水的渗流作用进行了研究。

3、然而在进一步研究后发明人发现，包括上述文献在内的现有技术中依然存在有诸多技术缺陷，如：在对u型对接井换热进行模拟计算的过程中，由于模拟计算的建模尺度与真实的u型对接井差距较大，网格数量增多过密均会导致计算过程变长，存在计算不合理的现象；此外，受模拟计算所使用的模型精度影响，计算出的u型对接井地下换热数据存在有很多与实际情况不符的现象。

技术实现思路

1、本发明提供了一种井底u型对接井的换热模拟计算方法，该计算方法通过设计更贴合实际的u型对接井换热模型，调整模拟计算整体流程，实现了对计算资源的优化；并能在换热计算仿真的基础上，确定各变量对于总体换热性能的影响程度。

2、为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

3、一种井底u型对接井的换热模拟计算方法，包括有如下步骤：

4、步骤一、确定井底u型对接井换热模拟计算过程所需要的各类相关方程；

5、步骤二、构筑井底u型对接井的几何模型；

6、步骤三、对步骤二所得的井底u型对接井几何模型进行网格划分；

7、步骤四、设置边界条件与物性参数，实现几何模型的初始化；

8、步骤五、设置监测点点位，以此确定不同位置管外径向温度随时间的变化；

9、步骤六、模拟在不同恒定循环水入口速度条件下的出口水温度的变化情况，根据计算数据绘制地热井出口温度图。

10、较为优选的，所述步骤二具体可描述为：

11、将流体域在几何上简化为圆柱体；将井体在几何上简化为圆管；

12、令井体内壁与井底u型对接井内流体域耦合，井体外壁与井底u型对接井外热含水层耦合；将井内流体域的材质设定为水，井体的材质设定为pe管，井外热含水层的材质设定为多孔介质条件下的土壤。

13、较为优选的，所述步骤三具体可描述为：

14、采取对地热资源相对丰富的水平井所在的热储层和地热资源相对较少的直井所在的地层各自进行分块划分的网格绘制方式，实现对步骤二所得的井底u型对接井几何模型进行的网格划分。

15、较为优选的，所述步骤四中设置的边界条件具体可描述为：

16、选用realizable k-ε模型，假设管内循环水流动状态为湍流；

17、设置井底u型对接井中的u型管入口流速；并假设井底u型对接井中的u型管内、外壁面均采用耦合换热边界条件；钻井内设置采用原土回填，并将土壤与钻井间设为内部面；土壤的外部界面均设置为绝热界面。

18、较为优选的，所述步骤一中井底u型对接井换热模拟计算过程所需要的岩土介质中的能量方程，具体可描述为：

19、一般能量方程满足:

20、

21、其式(1)中左端两项分别代表非稳态项和对流项，右端两项分别代表扩散项和各种源项总和；

22、而对于多孔介质单元内的固体骨架部分，由于只存在导热这一种传热形式，因此其孔隙内流体能量方程，满足：

23、

24、其固体骨架能量方程，满足：

25、

26、由式(2)和式(3)可知，在多孔介质控制单元体内，对流项只是关于流体部分的对流换热；因此，满足：

27、

28、假设了固体与流体之间瞬间达到热平稳，因此在扩散项中ts＝tf＝t；使用体积平均的方法对热扩散系数作体积平均，并将体积平均值作为对流项中的有效热扩散系数，其形式如下：

29、aeff＝φaf+(1-φ)as                     (式5)；

30、则热扩散项，满足：

31、

32、对于非稳态项，将固体骨架和流体两项相加得：

33、

34、对于源项，与非稳态项作相同的方法处理；同时忽略能量方程的源项；最终得到多孔介质微元内的能量方程，满足：

35、

36、不考虑轴向的热传导且渗流方向是唯一的，假定渗流速度只在x一个方向上有分量，则式(8)进一步简化为：

37、

38、其式(8)、式(9)中，e为总能；为地下水速度矢量；s为源项；为密度，单位为(kg/m3)；a为热扩散系数，单位为(m2/s)；φ为孔隙率；u为x方向的速度分量；其中，下角标s，f分别表示固体骨架和流体，eff则代表有效系数。

39、较为优选的，所述步骤一中井底u型对接井换热模拟计算过程所需要的岩土介质中的动量方程，具体可描述为：

40、

41、其式(10)中si是增加的动量源项；

42、所述si满足：

43、

44、对于简单、均匀的多孔介质，使用下述数学模型：

45、

46、其式(12)中k是多孔介质的渗透率，c2是惯性阻力因子；

47、进一步简化得到：

48、

49、较为优选的，所述步骤一中井底u型对接井换热模拟计算过程所需要的管壁的导热方程，具体可描述为：

50、

51、其式(14)中为管壁材料的密度，单位为(kg/m3)；ctube为管壁材料的比热容，单位为(j/(kg·k))；λtube为管壁材料的导热系数，单位为(w/(m·k))。

52、较为优选的，所述步骤一中井底u型对接井换热模拟计算过程所需要的管壁与管内流体的对流换热方程，具体可描述为：

53、q＝ha(ttube-twater)                        (式15)；

54、其式(15)中q为管壁面与管内流体之间的热流率，单位为(w)；h为管壁面与管内流体的对流换热系数，单位为(w/(m2·k))；a为对流换热面积，单位为(m2)；ttube为管壁的温度，单位为(k)；twater为管内流体的温度，单位为(k)。

55、较为优选的，所述步骤一中井底u型对接井换热模拟计算过程所需要的管内流体的能量方程，具体可描述为：

56、

57、其式(16)中:为管内流体的密度，单位为(kg/m3)；λw为管内流体的导热系数，单位为(w/(m·k))；cw为管内流体的比热容，单位为(j/(kg·k))；tw为管内流体的温度，单位为(k)；u，v，w分别为管内流体速度在x，y，z三个方向上的分量。

58、较为优选的，所述步骤一中井底u型对接井换热模拟计算过程所需要的管内流体的动量方程，具体可描述为：

59、

60、

61、

62、本发明提供了一种井底u型对接井的换热模拟计算方法，该换热模拟计算方法包括有确定井底u型对接井换热模拟计算过程所需要的各类相关方程；构筑井底u型对接井的几何模型；对井底u型对接井几何模型进行网格划分；设置边界条件与物性参数，实现几何模型的初始化；设置监测点点位，以此确定不同位置管外径向温度随时间的变化；模拟在不同恒定循环水入口速度条件下的出口水温度的变化情况，根据计算数据绘制地热井出口温度图等步骤。具有上述步骤特征的井底u型对接井的换热模拟计算方法，其相比于现有技术至少具备如下优势特点：

63、(1)、提供一种优化对井下u型对接井换热器换热情况的模拟仿真思路。

64、(2)、充分考虑了地下热藏依层分布的情况，使试验数据更加真实可信。

65、(3)、节约了大量算力资源，缩短了计算时长。