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基于FLUENT的地埋管换热模拟软件的二次开发点击：1935 日期：[ 2014-04-26 21:58:06 ] |
| 基于FLUENT的地埋管换热模拟软件的二次开发 连小鑫1刘金祥1陈晓春2丁高2 1.南京工业大学城市建设与安全工程学院 2.中国建筑设计研究院 摘要：在商用CFD软件Fluent的基础上，采用Visual Basic语言对U型地埋管流动换热数值模拟软件进行了二 次开发。考虑U型地埋管换热器的几何参数、网格生成、单值性条件以及材料物性等因素的影响，利用Gambit 2.3.16和Fluent 6.3.26，实现了地埋管换热器数值模拟软件的前处理和计算的全过程。利用开发的软件对中关村国 际商城地源热泵项目进行了计算，计算结果表明该软件能够较好地应用于实际工程。 关键词：U型地埋管换热器Visual Basic数值模拟软件开发 0 引言 土壤源热泵系统由于利用可再生的浅层地热作 为热源（汇），并且可以减少对环境的污染，所以被称为 节能和环保为特征的21世纪技术[1]。由于土壤源热泵 地埋管换热计算困难，近年来采用CFD方法对其进行 数值模拟研究的文献越来越多。在CFD软件中，通常 一个完整的数值模拟过程一般包括前处理、数值计算和后处理。而前处理过程依次可以分成几何建模、网 格生成、单值性条件设定、物性参数设定和迭代设置。 其中任意一些数据的修改，都需要重新建模并重复上 述步骤，可以说建模过程既繁琐又费时。 因此，为了弥补数值模拟前处理及处理过程的不 足，本文利用Visual Basic[2]语言在Fluent软件（Gambit 2.3.16和Fluent 6.3.26[3、4）]基础上进行软件的二次开 发，实现了地埋管换热器数值模拟软件的前处理和计算的全过程。最后将此二次开发软件应用于中关村国 际商城地源热泵项目的计算中。 1.二次开发软件的实现与特点 1.1开发工具 Visual Basic（以下简称VB）是一种面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，继承了Basic语言简单易懂的特点。在VB环境下，利用事件 驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用 Windows内部的广泛应用程序接口（API）函数、动态链接库（DLL）、对象链接与嵌入（OLE）等技术，可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。 1.2软件的接口技术 在Gambit和Fluent中，均有三种主要的数据信 息输入方式： 1）通过数据接口Import将其他格式文件的数据 导入。与Gambit共享的数据格式有：ACIS、IGES、 STEP等等；与Fluent共享的数据格式有：ANSYS、 CFX、PLOT3D等等； 2）GU（IGraphical User Interface）； 3）命令流的方式[5]。 第一种方法只能用于几何建模，对于前处理的其他过程无法实现。第二种方法GUI是指用户直接与软件沟通的方式。因此，本文采用第三种方法，即命令流的方式实现软件间的链接。命令流方式是可以利用任 何文本编辑软件，将分析问题的命令编辑完成后，直接在交互模式下或者非交互模式下执行该文件。采用命令流的方法可以编制一个简单易用的数值模拟二次开发软件，综合用户输入的各种模拟信息，利用VB 语言编写可以自动生成Gambit和Fluent命令流文本 文件（JOU文件）的程序软件。VB、Gambit和Fluent三个软件间的结构如图1所示。这样即使用户对模拟软 件的输入命令或者操作不熟悉，也可以很方便地完成模拟计算。 1.3二次开发软件的主要特点 换热器换热模拟二次开发软件的主要特点有： 1）适用于所有单钻孔换热器，可以实现换热模拟 的前处理至计算的整个过程。二次开发软件不仅仅对 换热器进行几何建模，还可以完成前处理的其他过程 直至换热计算的完成。 2）充分利用各个软件的特点，开发软件输入界面 直观，操作简单。由于前处理软件Gambit具有很好的 图视功能，但Gambit软件操作繁琐，参数输入界面不 直观。所以，二次开发软件就不需要重新开发图视功能，而只需要开发直观的参数输入界面和自动生成命令流文本文件功能。 3）采用换热器的模板命令流文本文件，避免VB编程代码过于冗长。考虑到换热器的几何模型的特点，其基本框架都是一定的，分成钻孔外区和钻孔内 区，只不过是具体的模型参数略有变化，所以可以利用模板命令流文本文件的方法，针对不同的换热器参数，只需替换相应的参数，提高编程效率。 2.换热模拟过程 换热器的换热模拟过程如图2所示。其中前处理可分成几何建模、网格生成、单值条件设置、物性参数 设置和迭代设置五部分。几何建模和网格划分是在前处理软件Gambit上实现的，而单值性条件、物性参数和迭代设置在Fluent软件上完成。换热器前处理结束后，利用Fluent强大的数值计算功能进行换热计算。 2.1前处理 前处理主要分成两大步骤，流程如图2所示。首 先，在二次开发软件的界面上，输入换热器几何模型 参数，网格划分精度等级，获得Gambit软件的命令流 文本文件。接着调用Gambit软件自动生成Fluent所需 要的msh文件。然后，在二次开发软件的界面上输入 单值性条件、物性参数以及迭代设置，生成Fluent软件 的命令流文本文件，输入到Fluent完成前处理工作。 图3是二次开发软件的模型几何参数的输入界面。 2.1.1 Gambit中的前处理 1）几何建模 换热器的几何建模的主要参数有管道公称直径、管壁厚度、管腿间距、钻孔直径、土壤的深度及计算区域长宽。 2）网格划分 换热器的网格划分主要方法是循环体管道和回填材料钻孔外区采用边界层网格，而在其他区域则采用非结构化六面体网格。考虑到管道内循环体的换热 过程较剧烈，而离回填材料钻孔径向越远的区域其换 热越缓慢。因此，在钻孔内网格尺寸划分的较小，并且随着钻孔半径的逐渐增大，网格的尺寸也逐渐放大，网格尺寸的比例因子采用文献[6]的推荐。 2.1.2 Fluent中的前处理 1）单值性条件 单值性条件包括土壤的初始温度，循环体的入口边界条件以及土壤地表面边界条件三个方面。由于计算区域的四周及底端为绝热边界条件，所以在软件中 没有体现。 2）物性参数 由于Fluent软件材料数据库里面没有土壤、U型 管及回填材料的物性参数数据。因此，本程序通过编 程生成材料数据库文件，然后在Fluent中调用该数据 文件。 3）迭代设置 迭代设置时考虑到管道内的循环体的流速一般不变，因此分成稳态的流动计算迭代设置和非稳态的换热计算迭代设置。稳态计算只需设置迭代次数。而非稳态计算则要设置迭代时间步长和迭代次数。 2.2换热计算 由于换热器的换热计算过程中，管道内的循环体 的流速一般不变，因此循环体的流动是稳定的。为了 节省计算机资源，所以首先采用稳态的标准k-ε模型 对管道内部流动进行求解，对流项差分格式采用 QUICK格式，压力速度耦合采用SIMPLE算法，壁面 采用壁面函数法进行处理。待流动计算完成后，再对 管道流体与壁面以及土壤非稳态换热进行求解。第二 步求解时，不再求解流动方程，仅求解换热问题[7]。由 于U换热计算采用全隐格式，在选择时间步长上可以任意选取，这是由于全隐格式是无条件稳定的。 3 算例 3.1工程概况 某商城总建筑面积为15.6万m2。建筑总热负荷为 11700 kW，总冷负荷为15188 kW。本工程的冷热源系 统采用土壤源热泵机组加常规电制冷机组的复合冷热 源形式。冬夏季的基本负荷由土壤源热泵系统承担， 冬季峰值热负荷由辅助热源补充，夏季峰值冷负荷由 常规电制冷机组承担。地下换热器为垂直双U形式， 总共为1060个。 3.2 前处理 本程序模拟单钻孔地埋管换热器的冬夏季时换热情况。夏季工况时，地埋管换热器的进水管水温为308K，冬季工况时的进水管水温为277 K。其他的几何参 数以及单值性条件如表1所示，材料的物性参数如表 2所示。 地表土壤温度设定为第一类边界条件，土壤温度 数据来源于参考文献[8]，经拟合后得温度随时间变化 的余弦函数： 式中：T是地表土壤温度；t是时间。 首先，将上述几何参数输入到二次开发软件中， 可以得到换热器的Gambit命令流文本文件。运行前处 理软件Gambit，读入Gambit命令流文本文件，生成网 格。计算区域和钻孔区域网格划分分别如图4、5所示。 然后，将物性参数、单值性条件以及迭代设置输入到 二次开发软件，生成换热器的Fluent命令流文本文 件。调用Fluent，读入Gambit中生成的msh文件和 Fluent命令流文本文件，即完成模拟前处理过程。 3.3换热计算及结果 计算了单钻孔的冬夏季各连续运行一个月的换 热情况，非稳态的时间步长设置为8670s，计算时间为 30天。 图6和图8是夏冬季回水管出水口水温随运行 天数的变化，图7和图9是夏冬季运行一个月后管中 心点的温度随埋深变化，图9是埋管的单位长度的换 热量随运行天数的变化。 由图6~10可得以下几点结论： 1）由于钻孔中进水管1、2在几何模型上左右对称 （如图5），在相同的进水温度时，进水管1、2沿埋深方 向管中心的温度有相同的变化趋势，温度大小也基本 相等，图7和图9可以看出2根进水管的温度线重叠 在一起。同理可知，2根回水管的温度线也重叠在一起 （如图6~9）。 2）换热计算的前期，换热器的单位长度换热量比 较大。这是由于循环流体与土壤的温差较大，换热充 分，夏（冬）季回水管的出口水温比较低（高）。随运行天数的增加，单位长度换热量逐渐下降。这是因为钻孔 周围土壤聚集的热（冷）量越来越多，土壤温度也逐渐 升高（低），循环流体与土壤的温差逐渐变小导致的。 3）如图10，随着换热时间的延长，两者单位长度 换热量斜率的绝对值逐渐变小。这是因为在换热的前 期，由于换热温差较大，土壤的换热较剧烈。随着运行 时间的增加，换热温差逐渐变小，单位长度换热量下 降，土壤的换热逐渐趋于平缓。 4 结语 本文用VB编程语言开发的单钻孔换热器二次开发软件，界面直观，操作简单，能实现模拟的前处理和计算全过程。对换热器换热模拟的研究具有很好的辅助作用。最后，通过一个实际工程项目进行验算，模拟的结果表明该二次开发软件能很好地应用到工程中。但这仅是软件的初步阶段，软件的一些东西仍不成熟，需要进一步的开发。 参考文献 [1]马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业 出版社,2006 [2]Microsoft Inc.MSDN Library Visual Studio6.0[Z] [3]Fluent Inc.Fluent 6.3User's Guide[Z] [4]Fluent Inc.GAMBIT 2.3 Documentation[Z] [5]黄炎生,肖微,蔡健等.基于ANSYS的转换层结构前处理软件 及其应用[J].建筑科技,2004,20(3):72-74 [6]陶文铨.数值传热学(第2版)[M].西安:西安交通大学出版社, 2001 [7]陈晓春,许海松,徐稳龙,等.U型地埋管三维非稳态流固耦合 换热数值模拟研究[J].建设科技,2008,123(10):71-76 [8]中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑科技科 学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建 筑工业出版社,2005 |
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