为了解多年冻土区灌注桩浇筑后的桩体温度分布特性、变化规律和桩–土传热过程,基于青藏高原北麓河钻孔灌注桩现场实体试验观测结果和理论分析开展系统研究。结果表明:随着混凝土的灌注完成,首先在桩体与周围土体传热过程方面,桩体表现为较为明显的分层现象,多年冻土上限附近以上部分桩体放热热流相对较弱,而以下部分相对较强;其中热流矢量方向以水平为主,深度垂向方向相对很小、且也主要集中于多年冻土上限附近。其次,在温度变化方面,桩体上、下部分表现为不同的温度变化过程。上部经历了快速升温和缓慢的降温过程,而下部表现为较为稳定的降温过程,并由此导致桩体深度方向温度较大的差异性,最大温度梯度达到约11℃/m,其中热量主要聚集在桩体上部、并形成高温核。因此,桩底可能存在因温度过低引起的强度不足问题;以及大温差可能导致的沿深度方向混凝土温度裂缝和开裂的产生。工程中建议合理控制入模温度或使用低温早强混凝土,以提高混凝土的养护温度并减少温度裂缝的产生。
为研究冻结过程中土、水和冰三者之间的相互关系,建立了基于冻土骨架的导热系数计算模型.骨架模型由土骨架和冰骨架,以及土、水、冰三相之间的相互关系构成.当温度降低至起始冻结温度时,远离土颗粒的孔隙水最先冻结成冰核;随温度降低,冰核逐渐扩张形成贯通的孔隙冰骨架,冻土中的未冻水则存在于土骨架与冰骨架之间.根据球缺接触的土骨架理想化模型,提出了土骨架与冰骨架相互独立,土骨架与未冻水、冰骨架与未冻水相结合的混合传热模式,建立了饱和冻土的复合传热模型及冻土的导热系数模型,计算得到0℃以下冻土的导热系数理论值.分别将导热系数理论值与Johansen法计算值、混合流法计算值和瞬态法的测试结果进行对比,结果表明,复合传热法的计算值处于Johansen法和混合流法的计算值之间,其整体计算精度优于Johansen法,且计算值与实测值相对误差在10%以内.
本文推导出大平面传热法计算停输一日结冰百分率,较以前的双极折线法计算简单易于掌握,并算出高寒地区各种停输为日结冰百分率、管径的埋深列成表格,对两种计算法进行比较,并指出采用大平面传热法计算给水管道埋深时的要点,可供已定停输一日结冰百分率及管径时直接查出管底埋深。
在深入剖析已建立的饱和正冻土水热力耦合模型不足的基础上,结合冻土力学最新研究成果,基于连续介质力学和热力学定律对原模型进行改进以提高其实用性。首先,引入由冻融过程中的动态变量(应变速率)与温变速率构成的黏弹性耗散势,建立了考虑温度影响的冻土骨架的黏弹性本构关系;在此基础上根据多孔多相介质理论,建立了外载及温度共同作用下冻土骨架的质量守恒方程;其次,在考虑冻土骨架(冰)黏弹性耗散和热力耦合耗散以及水分迁移引起的热对流等主要因素的基础上建立了能量守恒方程;最后,综合各方程构建了准饱和正冻土水热力三场耦合控制微分方程,开发了相应的扩展有限元程序3GEXFEM,通过典型室内试验验证了改进后模型的合理性。
本文针对季节性冻土地区地下直埋给水管道运行过程中出现的工程问题,在分析环境温度季节性周期变化等因素对管道传热影响的基础上建立给水管道传热数学模型,采用数值方法计算季节性温度变换影响下管道周围的温度场,并和该地区运用探针法所得数据作对比分析,结果表明:计算与实测温度值之间的平均绝对误差为0.49℃,最大绝对误差是1.10℃,所建模型正确,符合实际情况,精确度较高;利用上述模型计算不同埋深处管道周围温度场分布,并绘制温度等值线图,对等值线图的特征分析,结果表明:实例中给水管道埋深可以减小到1.5 m。本文研究方法可以为管道传热的研究和实际工程中管道埋深计算提供参考。
我国西部白垩系地层中的煤矿立井建设中,因地层间通常缺少稳定的隔水层，且各地层间存在水力联系，多采用全深冻结的模式，导致在制冷装机容量过大，消耗电能过多。加之地层间冻结壁扩展速度的差异性，往往出现局部地层交圈困难，造成工程延期。单纯依靠提高冻结管内盐水流速、降低盐水温度、延长冻结时间的经验做法，往往难以奏效，已造成多起冻结失效事故。针对该难题，本项目从强化冻结器吸热能力和地层间冷量调控的角度入手，根据场协同理论，采用改变冻结器内盐水流态办法，研究盐水和冻结管间的对流换热强化机理，研发新型冻结器。通过实验和理论分析，探索冻结管吸热能力与周围冻土温度场变化之间的作用规律，揭示冻结管与土体间的传热机理，为制定优化冻结方案提供理论依据。通过调节不同深度冻结管的吸热能力,实现冷量在不同深度和不同地层中的优化分配，达到既节能降耗，又缩短冻时间的目的，为解决白垩系地层冻结难题提供理论及技术支持。
2014-01磷石膏是湿法磷酸生产排放的固体废渣，长期露天堆放成为行业发展的瓶颈问题。磷石膏分解制酸联产水泥是其资源化利用的有效途径，但传统过程是在回转窑中进行磷石膏分解的，因气固传质传热效率低导致过程能耗高。本项目提出采用旋流流化床分解磷石膏，通过U型压差计和PV-4A型颗粒浓度速度测定仪测定固体颗粒在床层中的分布特性，考察气体入口尺寸、磷石膏颗粒性质、反应添加剂以及操作条件对流化特性的影响，并对实验数据进行关联处理。然后进行传热系数测定，以K型热电偶测定床层温度分布，在一定假设条件下根据热量平衡原理获得传热系数方程，进而考察旋流流化床结构、固体颗粒性质和操作条件对传热特性的影响规律，获得旋流流化床气固两相传热准则方程。在此基础上进行磷石膏分解反应，与前面实验获得的流化与传热特性相关联，揭示旋流流态化强化磷石膏分解反应过程的机理，最终达到强化和调控磷石膏分解的目的，为工业过程提供基础数据和科学基础。
2014-01文章通过对大气-热管-土体耦合传热模型进行分析简化,采用ANSYS有限元分析系统建立了热管路基三维传热模型,并以青藏铁路北麓河地区气候条件和地质条件为背景,对普通路基和热管路基进行了模拟计算与对比分析,得到了两种冻土路基不同时刻的路基温度场变化规律。
为了更好地抵消气候变暖影响,保护路基下伏多年冻土不被融化,同时减小阴阳坡温度差异引起的冻土路基纵向断裂现象,文章应用热管耦合冻土路基的三维非稳态相变传热模型对斜插式热棒保温板复合结构路基的温度场进行模拟预测,并与斜插式热棒、保温板以及直插式热棒保温板复合路基温度场进行了对比分析,结果表明:斜插式热棒保温板路基底人为冻土上限呈现最良好的驼峰型对称分布,且人为冻土上限相对于多年冻土上限抬高得也最多,抬升值大于3m。
