一、寫(xiě)在文前

“能量樁”是一種淺層地?zé)崮艿闹匾眉夹g(shù)，目前也是近年來(lái)建筑、土木工程、綠色環(huán)保領(lǐng)域研究學(xué)者的熱門(mén)研究方向。直接在中國(guó)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(lái)隨著相變材料的興起，有許多研究學(xué)者更是將相變材料的概念融入到能量樁中，成為新的寫(xiě)作熱點(diǎn)。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(xué)報(bào)的一篇論文，結(jié)合具體的仿真和操作實(shí)際向大家展示在COMSOL中仿真一種相變能量樁段模型的詳細(xì)操作步驟。

二、相變能量樁段模型傳熱案例實(shí)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(jìn)一步簡(jiǎn)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(lán)色部分為相變混凝土，灰色部分為樁周土體，因?yàn)槟Ｐ蛶缀螢閷?duì)稱(chēng)幾何，為了減少計(jì)算量最終只保留右上角部分進(jìn)行計(jì)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(dǎo)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?jǐn)?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(jiǎn)化為線性降溫過(guò)程，經(jīng)過(guò)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?jǐn)?shù)分別為0.1時(shí)，不同時(shí)刻下模型的溫度云圖。在初始時(shí)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(guò)程，其中溫度變化的最為劇烈的位置是換熱管的周?chē)约皳Q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?jǐn)?shù)分別為0.1時(shí)，不同時(shí)刻下模型的相變?cè)茍D。與溫度云圖的變化規(guī)律對(duì)應(yīng)，最快發(fā)生相變的位置是換熱管的周?chē)约皳Q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?jǐn)?shù)分別為0.05、0.1和0.15時(shí)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(duì)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?jǐn)?shù)分為0.1時(shí)，能量樁橫向不同位置的溫度變化。

圖8

編輯：黃飛