基于CFD 二維模擬的海岸井滲濾取水對海水流態的影響研究

馬偉強 賈 欣 盛春惠 許 沖 賀佳樂

（大連大學建筑工程學院，遼寧 大連116600)

1 概述

隨著新興可再生能源供暖技術的推廣應用，處于沿海地區的城市可以因地制宜地利用海水作為冷、熱源，為建筑制冷供熱。在冬季海水溫度極低時，則可能出現系統供熱量不足且可靠性和穩定性不能保證的情況。而且海水水質較差，受泥沙、海藻等雜質影響較大，因此不適合直接作為熱泵的冷、熱源。劉宏昌等人闡述了滲井取水方式, 利用海洋沿岸附近地下土壤等介質的滲透性,通過打井方式得到海水,海水在向滲透井附近運移的過程中，與地下土壤多孔介質發生熱量交換（劉宏昌等2014）。吳君華搭建了一個尺寸為210m×50m×12m 的海岸井滲濾取水系統，在現場實驗臺上進行的抽水和停水實驗，用以確定土壤水文地質參數和海岸井取水的滲流換熱特點（吳君華2009）。吳君華等人發現供水過程中可以利用間歇供熱過程恢復含水層周圍土層的溫度(吳君華等2018)。端木琳等對海水源熱泵系統的經濟、效率與環境進行了評價研究（端木琳2007）。本文主要利用Fluent 軟件對建立的海岸井滲濾取水模型進行數值模擬，得到實驗工況下的速度場、壓力場和跡線圖，研究海岸井對海水流態的影響。

2 海岸井滲濾取水模型建立

2.1 物理模型

利用DesignModeler 建立海岸井滲濾取水二維平面模型（見圖1），其幾何尺寸為100m×120m，海水進口為長度100m 的海岸，出口為直徑0.8m 的海岸井，距離海岸100m，海水滲流區域設置為多孔介質區域。利用Mesh 對幾何模型進行網格劃分（見圖2）并對網格進行質量檢驗（見圖3）。

圖1 幾何模型

圖2 海岸井周圍網格劃分

圖3 網格質量

2.2 數學模型

假設海水為不可壓縮流體，在數值模擬過程中滿足連續性方程和動量方程。

連續性方程

3 Fluent 設置

3.1 求解模型設置

海岸土壤孔隙均勻分布，海水在孔隙中滲流時，水的質點作平行、不摻混、有秩序的流動，故為層流。在Fluent 中點擊Models，打開Viscous 勾選Laminar 模型，糊狀區系數采用默認值。為保證數值模擬過程能夠正常收斂，適當減小松弛因子。

3.2 多孔介質設置

海岸土壤設置為質量分數為20%的碳酸鈣，具體熱物性參數見表1。

表1 碳酸鈣熱物性參數表

各個方向的粘性阻力系數I/α 和慣性阻力系數C2根據半經驗公式ergun 方程得到，公式如下。

式中，DP（粒子平均直徑）取0.5mm，γ（孔隙率）取0.1，則1//α 為4.86×1011m-2，C2為6.3×106m-1。

3.3 邊界條件設置

進口設置為100m 水柱的壓力進口，出口設置為1.667kg/s的質量流量出口。流體域采用porous jump 邊界條件進行處理。

4 模擬結果

海岸處為海水進口，壓力約為100m 水柱，海水井處為海水出口。經模擬計算，壓力約為86.72m 水柱，隨著靠近海岸線距離海岸井距離增大，壓力水頭逐漸減小；海水出口質量流量為1.667kg/s，進口處約為0，可以看出取水口處水流速度較大，但海岸處海水滲流速度非常緩慢。通過跡線圖可以看出海岸線是源，海水井是匯，海水從井的四周流入海岸井。

圖4 壓力場

圖5 速度場

圖6 跡線圖

5 結論

海岸井滲濾取水是對海洋熱能和地熱能的綜合利用，海水經過海岸附近的地下巖土時與其換熱，夏季可得到溫度較低的冷卻水，冬季則可以提高熱源溫度，從而提升熱泵機組的效率。同時經過地下巖土的過濾、吸附作用之后，可以提高海水的水質。本文通過利用Fluent 軟件對海岸井滲濾取水模型在速度和壓力方面進行數值模擬，研究海岸井對海水流態的影響。海岸井取水技術雖然提高了熱泵機組的效率，但也會對周圍環境產生一定的影響，因此研究海岸井對環境的影響對于環境保護有重要的意義。