冷媒循环条件下单管水平冻结温度场数值模拟

1、冷媒循环条件下单管水平冻结温度场数值模拟杨志江,车平(中国矿业大学建筑工程学院,江苏徐州221008摘要在考虑冷媒循环影响的条件下,对单管冻结温度场进行了数值模拟。对考虑冷媒循环与冻结管外壁恒温两种条件下的温度场进行了比较,得出“在水平冻结距离不是很长的情况下,直接将冷媒入口温度作为冻结管外壁恒温条件计算不会导致很大的误差,是可行的”的结论。关键词冻结;温度场;数值模拟;ANSY S 中图分类号T D265.3文献标识码B 文章编号1003-6083(200402-0070-020引言采用大型有限元分析软件包ANSY S ,对冷媒循环影响条件下的单管冻结温度场进行研究,同时对直接将冷媒入口温度

2、作为冻结管外壁恒温边界条件的冻结温度场也进行计算, 并对两者进行比较以考察后者的可行性。1冻结温度场的有限元计算模型111基本假设图1计算模型示意图本文仅对冷媒正循环条件下的单管冻结温度场进行研究。冷媒循环时与冻结管壁之间存在着共轭传热,因此冻结管内流体温度是不均匀的,温度的变化又会引起流体导热系数、比热等物理参数的变化。另外,土层性质的不同也会影响到温度场的分布。理论上,各种影响冻结温度场的因素都应该考虑,但是,因素的复杂化往往会导致问题规模的急剧膨胀和结果可分析性的降低。因此,需要通过合理假设以简化问题:将土层视为均质、热各向同性体;假定土层具有均匀的初始温度场;不考虑冷媒物理参数随温度的

3、变化,假定各参数为常值;不考虑冻结管外形结构上的差异;不考虑冻结管底部与地层之间的换热;这样,原问题就可以简化为空间轴对称问题,其计算简图如图1所示。112模型几何参数冻结管外管外直径D w 为01108m ,壁厚为5mm ;内管外直径D n 为01050m ,壁厚为5mm ;内外管长之差L d 为1m 。土层的计算长度取L s 为60m (目前国内水平冻结单管最长为62m ,次之45m 1,计算深度(即冻结管埋深为H s 为25m ,与冻结管外管长度相等。113模型物理参数模型各物理参数如表1所示。表1模型物理参数内管外管冷媒冻土未冻土导热系数(W m 0114430143118115比热(

4、J kg 170047027509801400密度(kg m 316007790128020002000动力粘度Pa s-01022-含水量-20%114模型初始条件与边界条件按假定,土层具有均匀初始温度,取为20。土层外边界均设为绝热边界。流体入口边界包括速度边界3m s (相当于21m 3h 的冷媒流量,恒温边界-25;出口边界为压力边界,设定相对压力为0;流体底端为壁面条件。模型对称轴处设定轴对称边界条件。流固界面不需人为设定,由ANSY S 软件自动辨识。115相变的处理土层的冻结过程是一个含相变导热过程。相变导热问题又称为Stefan 问题2,此类问题目前主要还是以数值方法求解,常用

5、处理方法有焓法和等效比热法。本文采用后者,将相变问题转化07江苏煤炭2004年第2期成单相非线性导热问题。116冷媒的流体模型冷媒流体入口速度为u =3m s ,其雷诺数为:Re 8700,管内流体处于紊流状态。ANSY S 对紊流的模拟提供6种模型,包括零方程模型,标准k -模型,重整化群模型等。其中标准k -模型是工程计算中通常采用的模型,本文即采用这种模型,壁面边界层的处理采用壁面函数法3。2计算结果与分析211土层温度场的分布土层各点温度(T 与冻结时间-3t 呈近似线性变化关系,由此可知土层内冰锋面和冻土区平均温度随时间-3t 的变化趋势亦近似线性 。土层温度在深度方向(图1中y 方

6、向呈对数分布,这与圆管稳定导热理论相符;在管长方向(图1中x 方向,总体呈线性变化关系,接近管口处温度高,接近管末端温度低;但是,在内管(供液管末端附近,由于冷媒流体紊流高度发展,使得冻结管壁与土层换热大大加强,因此此区域温度比较低,且温度分布比较复杂。如果忽略这一区域,那么温度在管长方向的变化是比较小的,最大温差在015左右,且温差对时间保持稳定。212冻结管外壁与冷媒出口温度分布冻结管外壁温度在按平面问题计算冻结温度场时是一个重要的边界条件。由图2可以看出,冻结管外壁和冷媒出口处的平均温度随冻结时间-3t 都呈近似线性变化关系。冷媒出口与进口的最大温差在019左右。管壁平均温度与冷媒进口温

7、度之差最大在115左右。图2冻结管外壁温度与流体出口温度的时间分布213冷媒循环与外壁恒温所得温度场比较同一冻结时间内,两者在近壁区(靠近冻结管外壁的区域温差比远壁区要大,在近壁区温差在115左右,而在远壁区温差仅为015左右。在考虑冷媒循环的条件下,土层温度沿管长方向呈线性分布;而在外壁恒温条件下,土层温度在管长方向是不变的,两者在冻结管管口温度差异最大,在近壁区为117左右。3结论通过以上分析,可以得出如下结论:(1在考虑冷媒循环的条件下,土层温度场在管长方向总体呈线性分布,管末端处发展速度较管口处快,在供液管末端处由于冷媒流场紊流的高度发展而发展最快;在深度方向呈对数分布;土层温度与冻结

8、时间-3t 成近似线性关系。(2冻结管外壁与冷媒出口处的平均温度与冻结时间-3t 都成近似线性关系。冷媒出口平均温度与入口温度之差最大在019左右;冻结管外壁平均温度与冷媒入口温度之差最大在115左右。如果将冷媒出口平均温度作为内壁平均温度,那么冻结管内外壁平均温度之差最大在016左右。(3直接将冷媒入口温度作为冻结管外壁恒定温度,忽略冷媒循环计算所得温度场与考虑冷媒循环计算所得温度场在近壁区差异明显,在冻结10d 的情况下最大达到117,但随着冻结时间的推移,温差逐步降低,在远壁区差异不明显,仅为015左右。因此,从长期来看,将冷媒入口温度作为冻结壁外壁恒温条件进行计算不会导致过大的误差,是可行的。这样,将使得冻结温度场的计算大大简化。参考文献1罗俊成,史海鸥,等.长距离水平冻结法在广州地铁中的应用与实践J .现代隧道技术,2002,(8.2苑中显,叶芳,等.人工土壤冻结过程的计算机模拟J .工程热物理学报,