在多年冻土热–力耦合数值模拟中,冻胀系数是二场耦合的关键热物性参数。现阶段大多学者均以负的热膨胀系数作为冻胀系数,仅考虑温度的变化,但冻胀系数实则受多种因素影响。以弹性力学为理论依据,在不考虑水分迁移引起土体冻胀的情况下,研究原位水分冻结引起冻胀过程中土体冻胀率η与冻胀系数α(T)之间的关系。综合考虑温度、土体泊松比以及不同土质在冻结状态下冰水相变速率等影响因素,推导出二者之间的关系公式。结合青藏高原清水河地区土质的实测基本物理参数,利用本文推导的公式计算冻胀系数并与传统计算方法相比较。结果表明考虑多因素的计算方法误差更小。能够在数值模拟中更准确地模拟土体由于原位水分冻结引起的冻胀过程。
多年冻土岛大多处于连续多年冻土和季节性冻土的过渡地带,沼泽化现象很普遍,对土壤热交换条件极其敏感。结合岛状冻土区土质条件及环境因素,建立饱和冻土多孔介质水热耦合模型并进行数值计算,研究水分迁移、冰水相变对冻土温度场和埋地原油管道非稳态传热的影响。对控制和减少因管基融沉导致的安全事故,保障管道长期稳定运营具有现实指导意义。
建立冻土区埋地热油管道停输过程水力、热力数学模型,并进行数值计算,考虑了土壤水分迁移、冰水相变及原油凝固潜热、自然对流换热对停输过程管内原油温降的影响,得到了停输期间土壤温度场分布。通过与不考虑水分迁移、冰水相变的停输温降进行对比。研究表明:受水分迁移、冰水相变的影响,管道周围土壤温度等值线向管道两侧移动范围较大,土壤平均温度与不考虑水分时相比偏高,在停输过程中管内原油温降速率小于不考虑水分时的情况,受土壤中水分的影响,停输过程管道周围土壤等温线延Y轴略向下偏移。
冻土区埋地热油管道最常见的安全问题是冻害破坏。当环境温度降至冰点以下,土壤中水分的冻结将伴随着水分向冻结前锋迁移,产生不均匀冻胀,加之周期性不可逆的冻融循环,极易造成管道失稳甚至破裂。研究管道冻害成因,应先预测埋地管道周围土壤冻融过程中温度场的变化,以及温度场与水分场的变化关系。采用有限体积法,建立土壤多孔介质水热耦合相变模型,利用SIMPLER算法进行数值求解,为了研究水分对土壤温度场的影响,这里对无水土壤和饱和含水土壤两种极限情况进行对比分析,结果表明:在输油管道运行初期,两种情况土壤温度场接近,随着运行时间的延长,饱和含水土壤温度场偏高,水分迁移和冰水相变对土壤温度场具有一定影响。