地埋管防冻液泄漏扩散运移过程数值模拟

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近年来政府不断推出清洁能源改造项目,推动了地源热泵系统在各地区的使用。我国岩土环境整体较差,地源热泵系统中防冻液的微量泄漏对岩土—地下水环境的污染不可忽视。本文利用COMSOL数值模拟软件,分别建立均质岩土、分层岩土、考虑回填工艺的分层岩土的岩土模型。对垂直埋管内防冻液(乙二醇溶液)发生泄漏后在岩土中的运移进行数值模拟研究。通过地下水渗流、多孔介质稀物质传递和多孔介质传热的多物理场耦合计算,得到了地埋管防冻液在岩土中的浓度变化情况和岩土温度分布规律。主要内容如下:首先,对垂直埋管在均质岩土中的泄漏模型进行数值模拟,探讨了地埋管泄漏孔径、防冻液初始浓度、岩土孔隙率和岩土类型对饱和岩土中污染物运移规律的影响。结果表明:随着地埋管泄漏孔径和防冻液初始浓度的增大,污染物在岩土中的运移更加明显,岩土中污染物的浓度也随之增大。而岩土中污染物的浓度与岩土孔隙率呈负相关,这是由于地埋管防冻液(乙二醇溶液)溶于水。岩土孔隙率越大表示饱和岩土的含水率越大,乙二醇溶液浓度越小。污染物在不同岩土类型中的运移规律说明污染物的扩散运移主要受渗透系数的影响,渗透系数越大,污染物运移范围和速率也都越大。岩土的温度扩散与导热系数和渗透系数有关,污染物运移速率越快,岩土温升快。另外,基于雄安新区实际地质概况建立分层岩土模型,讨论地埋管泄漏孔径、防冻液初始浓度和地下水渗流对污染物运移的影响。研究表明分层岩土中污染物的纵向扩散范围比横向扩散范围更加明显。除此之外,地下水渗流速度越大使其带动污染物远离地埋管的能力越大。这会加速扩大污染物的运移范围,对岩土污染有更大影响。最后,探究回填工艺对污染物运移的影响。结果表明在回填材料的影响下,污染物泄漏后首先在回填层扩散,而后运移到周围岩土中,比以上讨论的污染物在岩土中的扩散范围更大。例如,当孔径为6 mm时,在回填工艺下污染物的纵向运移距离增加0.1 m。综上,泄漏孔径、污染物初始浓度、岩土孔隙率、地下水渗流速度对污染物纵向迁移范围的影响分别是1.1~2.1 m、1.0~2.2m、1.9~2.5 m、1.5~3.0 m。可以看出地下水渗流对污染物的运移影响最大。
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