一、寫在文前

“能量樁”是一種淺層地熱能的重要利用技術(shù)，目前也是近年來建筑、土木工程、綠色環(huán)保領(lǐng)域研究學者的熱門研究方向。直接在中國知網(wǎng)搜索“能量樁”，顯示共有178條相關(guān)的論文和成果，其中近十年的論文有174篇，占總論文數(shù)量的99.43%，近五年的論文有148篇，占總論文數(shù)量的84.57%。近年來隨著相變材料的興起，有許多研究學者更是將相變材料的概念融入到能量樁中，成為新的寫作熱點。本文主要參考白麗麗等人[1]于2019年發(fā)表在防災(zāi)減災(zāi)工程學報的一篇論文，結(jié)合具體的仿真和操作實際向大家展示在COMSOL中仿真一種相變能量樁段模型的詳細操作步驟。

二、相變能量樁段模型傳熱案例實操

本模型在白麗麗等人[1]所提出的三維模型的基礎(chǔ)上進一步簡化幾何，建立二維模型，可視為截取能量樁在特定深度和穩(wěn)定傳熱狀態(tài)條件下的一截足夠薄的能量樁段，完整的幾何模型如圖1所示，掏空部分為換熱管，深藍色部分為相變混凝土，灰色部分為樁周土體，因為模型幾何為對稱幾何，為了減少計算量最終只保留右上角部分進行計算。

圖1

本模型所使用到的參數(shù)如圖2所示，其中模型中的相變混凝土部分為純相變材料與混凝土的混合物，其熱物理性能參數(shù)滿足如圖3所示的公式。其中，R1、R2為相變混凝土相變前后不同的熱物理性能參數(shù)，可視為密度、導熱系數(shù)和熱容。Rc為普通混凝土的熱物理性能參數(shù)；Rρ1、Rρ2為相變材料相變前后不同的熱物理性能參數(shù)；wt％為相變材料的質(zhì)量分數(shù)。其中相變材料的融化溫度為25攝氏度。

圖2

圖3

換熱管與樁體的接觸邊界為換熱管所施加的溫度邊界，溫度的變化情況滿足圖4。第1階段為高溫恒溫階段：溫度為37攝氏度，保持24 h；第2階段為自然降溫階段：簡化為線性降溫過程，經(jīng)過24 h，由37攝氏度降為20攝氏度；第三階段為溫度穩(wěn)定階段，換熱管內(nèi)的溫度保持為樁土初始溫度20攝氏度。

圖4

如圖5所示，展示了相變材料質(zhì)量分數(shù)分別為0.1時，不同時刻下模型的溫度云圖。在初始時刻模型的溫度為20攝氏度，從圖中可以看到模型經(jīng)歷了升溫和降溫的過程，其中溫度變化的最為劇烈的位置是換熱管的周圍以及換熱管的中間位置。

圖5 如圖6所示，展示了相變材料質(zhì)量分數(shù)分別為0.1時，不同時刻下模型的相變云圖。與溫度云圖的變化規(guī)律對應(yīng)，最快發(fā)生相變的位置是換熱管的周圍以及換熱管的中間位置。

圖6 如圖7所示，展示了相變材料質(zhì)量分數(shù)分別為0.05、0.1和0.15時樁心的溫度變化規(guī)律。溫度的變化規(guī)律與白麗麗等人[1]的結(jié)果基本一致，在升溫段，相變混凝圖中的相變材料的比例越大樁心的溫度上升越慢，在降溫段，相變混凝圖中的相變材料的比例越大樁心的溫度下降越慢，可以看到相變材料對樁體的溫度改變發(fā)揮了作用。

圖7

如圖8所示，展示了相變材料質(zhì)量分數(shù)分為0.1時，能量樁橫向不同位置的溫度變化。

圖8

編輯：黃飛