地热能是一种清洁、环保、可持续利用的可再生能源。大力发展中深层地热能采暖，是完善和优化市政供热体系、缓解能源和环境污染问题的重要途径。为了探究多因素协同作用及地质参数非线性变化对中深层地埋管套管式换热器性能的影响，促进中深层地热能的高效利用，充实地热能理论体系，本文在厘清地埋管换热器与岩土换热过程核心影响因素的基础上，探究换热器与岩石层间的耦合传热机理。主要开展的工作为： （1）通过解析微观尺度岩土孔隙结构与宏观有效导热系数的关联关系，建立了用于预测岩土有效导热系数的三维球床堆积模型，并开发了岩土有效导热系数最小单元体串并联热阻计算方法，实现对不同种类岩土在全孔隙率和不同含水量下的有效导热系数预测； （2）建立典型平流水层-隔水层-地埋管换热器耦合传热三维模型，解析地下水渗流过程对岩土温度分布的影响机制，探究了不同地下水渗流速度下，地埋管与岩土热-渗耦合及含水层、隔水层间纵向传热协同作用下换热器性能及热作用半径随时间的变化规律，为完善中深层地热能的合理利用提供了理论依据； （3）以全尺度中深层套管式地埋管换热器为研究对象，基于岩土参数随深度非线性变化及多因素共同作用时换热器耦合传热过程的研究，将工质、换热器及岩土间对流、导热过程转换为统一的热阻表征，开发了基于有限体积法的无网格快速算法，实现了地埋管换热系统运行时的耦合传热、静置时基于温差驱动的导热过程的快速求解； （4）开发砂箱实验系统探究套管式换热器在不同工况下的热作用半径，实现了土壤断面温度分布的测量及热作用半径的获取，对所开发无网格算法进行了验证； （5）利用无网格算法探究了地质参数、套管结构参数及系统运行参数三方面影响因素对中深层套管式地埋管换热器性能的定量影响，为地埋管换热器的设计和系统运行方式的选取提供了计算依据； （6）利用Fortran与VB混合编程技术，实现了相应的可视化工程计算软件的开发，为各算法模块的更新提供了开放应用程序接口，所开发软件作为科研成果面向工程的转化，已在实际项目中获得应用。 |
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