（制冷及低温工程专业论文）冻土路基与热管耦合传热分析及应用优化.pdf

摘要 青藏铁路作为西部大开发的标志性工程是带动我国西部地区经 济的重要命脉，但冻土问题却足关系着青藏铁路成败的关键，热管作 为强固多年冻土区地基的一种可行而具有竞争力的方案在青藏铁路 线上已有应用，但现场的调查表明部分热管路基仍存在纵向裂缝现 象，这将为铁路的安全运行带来隐患。 本文结合现场实际地质和气候条件建立了冻土耦合热管问题的 相变传热模型，数值研究了不同热管管径、气候条件、冷凝段和蒸发 段长度比对于热管传冷量的影响，并利用现场实测值验证了模型的可 靠性；数值研究查明了多年冻土区典型高度路基引起路基纵向断裂病 害的原因，论证了热管保护多年冻土和减小路基纵向断裂病害的可行 性，指出了实际热管路基应用中仍存在的不足；研究了热管蒸发段埋 设位置，热管的横向、纵向埋设间距对于路基底温度场的影响；创新 性地研究了斜插式热管及带阳坡侧保温护道的斜插式热管在多年冻 土路基融沉断裂病害防治中的应用。结果表明，大的热管管径和多年 冻土区低的年平均气温均有利于热管的传冷，冷热段长度比的优化值 可取稍大于0 9 的值；直插式热管路基出现纵向断裂的原因足融化盘 的非对称缩小造成的；为了较好的调节融化盘对称性分布，应将两侧 热管的蒸发段均埋设在融化盘出现的区域，同时阳坡侧的热管向阳坡 侧适当偏移；与直插式热管相比，斜插式热管更有利于路基体内融化 盘的对称性分布，此外，带阳坡侧保温护道的斜插式热管路基在调整 路基体内融化盘对称性上比无阳坡侧保温护道的斜插式热管路基还 要优越。 本文研究结果对于冻土区热棒路基建设及为热棒路基病害提供 补救措施均有重要的意义。 关键词冻土路基，热管，温度场，纵向断裂，优化 a b s t r a c t q i n g h a i t i b e tr a i l w a ya sas y m b o l i cp r o j e c to ft h ed e v e l o p m e n to f w e s t e r nr e g i o n si sa l li m p o r t a n tl i f e l i n et h a tw i l li m p r o v et h ee c o n o m i e s o fw e s t e r nr e g i o n s h o w e v e r , t h ep e r m a f r o s tp r o b l e mi sak e yt h a tr e l a t e s t ot h es u c c e s so rf a i l u r eo fq i n g h a i - t i b e tr a i l w a y t h e r m o s y p h o n sa sa f e a s i b l ea n dc o m p e t i t i v em e a s u r et oc o n s o l i d a t ep e r m a f r o s tg r o u n d w o r k h a v eb e e na p p l i e di nq i n g h a i - t i b e tr a i l w a ya l r e a d y , b u tt h ef i e l ds u r v e y s i n d i c a t e dt h a ts o m es e c t i o n so ft h e r m o s y p h o nr o a d b e ds t i l le x i s t e dt h e l o n g i t u d i n a lc r a c k sp h e n o m e n a t h i sw i l lb r i n gh i d d e nd i s a s t e rt ot h es a f e o p e r a t i o no f t h er a i l w a y t h eh e a tt r a n s f e rm o d e lw i t hp h a s ec h a n g ef o rt h ep r o b l e m so f p e r m a f r o s tc o u p l e dw i t ht h e r m o s y p h o n si se s t a b l i s h e di nc o m b i n a t i o n w i t ht h en a t i v eg e o l o g i ca n dc l i m a t i cc o n d i t i o n s ，a n dt h ei n f l u e n c e so f d i f f e r e n td i a m e t e r so ft h e r m o s y p h o n s ，c l i m a t i cc o n d i t i o n sa n dt h el e n g t h r a t i oo fc o n d e n s a t i o ns e c t i o nt oe v a p o r a t i o ns e c t i o no nh e a tt r a n s f e rr a t e a r en u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d m o r e o v e r , t h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e li s v e r i f i e dw i t ht h ef i e l dd a t a t h er e a s o n so fl o n g i t u d i n a lc r a c k so f t y p i c a l h e i g h tr o a d b e di np e r m a f r o s tr e g i o n s a r en u m e r i c a l l yf o u n d o u t ， m e a n w h i l e ，t h ef e a s i b i l i t yo fp r o t e c t i n gp e r m a f r o s ta n dd e c r e a s i n gt h e l o n g i t u d i n a lc r a c k so fr o a d b e db yu s i n gt h e r m o s y p h o n si sp r o v e d ，a n d f i n a l l yt h ed e f i c i e n c i e so f t h ep r a c t i c a lt h e r m o s y p h o nr o a d b e da r ep o i n t e d o u t t h ei n f l u e n c e so fb u r i e dp o s i t i o no fe v a p o r a t i o ns e c t i o n , t h e t r a n s v e r s ea n dl o n g i t u d i n a li n t e r v a l so nt e m p e r a t u r ef i e l do ft h er o a d b e d a r en u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d t h ea p p l i c a t i o n so fi n c l i n e d l yi n s e r t e d t h e r m o s y p h o n sa n dt h a tw i t ha d i a b a t i cr e v e t m e n ta tt h es u n n ys l o p es i d e i nt h ep r e v e n t i o no f t h a ws e t t l e m e n ta n dc r a c k so f p e r m a f r o s tr o a d b e da r e c r e a t i v e l yi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h el a r g e rd i a m e t e ro f t h e r m o s y p h o na n d l o w e ra n n u a lm e a nt e m p e r a t u r ei np e r m a f r o s tr e g i o n s a r em o r e a d v a n t a g e o u s t ot h ee n h a n c e m e n to fh e a tt r a n s f e rr a t e ， r e s p e c t i v e l y , a n dt h eo p t i m u ml e n g t hr a t i oo fal i t t l el a r g e rt h a n0 9 i s s u g g e s t e d ；t h el o n g i t u d i n a lc r a c k so fr o a d b e dc o u p l e dw i t hv e r t i c a l l y i n s e r t e dt h e r m o s y p h o n sa r ei n d u c e db yt h ea s y r m n e t r i c a ls h r i n ko ft h e t h a wb u l b ；i no r d e rt oa d j u s tt h es y m m e t r yo ft h et h a wb u l be f f e c t i v e l y , t h ee v a p o r a t i o ns e c t i o n0 1 1t h et w os i d e ss h o u l db eb u r i e di nt h er e g i o n s e x i s t i n gt h et h a wb u l b ，m e a n w h i l e ，t h et h e r m o s y p h o n so nt h es u n n ys l o p e s i d es h o u l dm a k ea p p r o p r i a t e d i s p l a c e m e n tt o w a r d st h es u n n ys i d e ； c o m p a r i n gw i t ht h ev e r t i c a l l yi n s e r t e dt h e r m o s y p h o n s ，t h ei n c l i n e d l y i n s e r t e dt h e r m o s y p h o n sa r em o r ea d v a n t a g e o u st ot h es y m m e t r yo ft h e t h a wb u l bu n d e rt i l e r o a d b e d a d d i t i o n a l l y , t h ei n c l i n e d l y i n s e r t e d t h e r m o s y p h o n sr o a d b e dw i t ha d i a b a t i cr e v e t m e n ta tt h es u n n ys l o p es i d e h a sm o r ea d v a n t a g e si nt i l ea s p e c to f a d j u s t i n gt h es y m m e t r yo ft h et h a w b u l bt h a nt h a tw i t h o u ta d i a b a t i cr e v e t m e n ta tt h es u n n y s l o p es i d e t h er e s u l t so ft h i sw o r ka r eo fs i g n i f i c a n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o no f t h e r m o s y p h o n sr o a d b e di np e r m a f r o s tr e g i o n sa n dp r o v i d i n gr e m e d i a l m e a s u r e sf o rt h ed i s e a s e so f t h e r m o s y p h o n sr o a d b e d k e yw o r d sp e r m a f r o s tr o a d b e d ，t h e r m o s y p h o n ，t e m p e r a t u r ef i e l d ， l o n g i t u d i n a lc r a c k , o p t i m i z a t i o n i l i 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名龃新签名鬈丛日期：丛年羔月生日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究意义及目的 地球上多年冻土、季节冻土和瞬时冻土区的面积约占陆地面积的5 0 9 6 ，其中 多年冻土面积占陆地面积的2 5 ，我国多年冻土面积占国土面积的2 2 4 ，在这 广阔的多年冻土区，蕴藏着丰富的矿藏、森林和土地资源，由于资源开发的需要， 多年冻土区已成为人类生产和生活的场所【l l 。西部大开发标志性工程青藏铁路穿 越海拔4 5 0 0 米以上5 5 0 多公里的连续性多年冻土地区。所谓多年冻土层( 又称 永久冻层) ，一般在地下厚约3 0 米，且常年温度处于- 1 一一3 。c 。在多年冻土层 的上部约2 3 米的深度范围内覆盖着随季节而温度变化的季节活动层，季节活动 层的特点是夏季融化、冬季冻结。冻土作为一种特殊的土类，其性质与温度密切 相关。在多年冻土区，一旦温度变化，冻土的各项特性就会相应的变化。青藏高 原的多年冻土大多属高温冻土、极易受工程的影响产生融化下沉。i p c c 在2 0 0 1 年发布的预测称“全球表面温度预计在1 9 9 0 - 2 1 0 0 年闻升高1 4 5 8 ”，因此， 高温冻土加全球变化使青藏高原铁路的修筑面临着严峻的挑战【l 】。大量的工程实 践表明，在多年冻土区主要冻害问题是地基的融化下沉【l 】。以保护多年冻土设计 原则修建多年冻土区建筑物是寒区工程特殊措施中应用最为广泛的一个方法。所 谓保护多年冻土设计原则即主动采取有效的保温措施，使路基建成后其基底的人 为冻土上限能控制在一定的深度内，保护路基下的多年冻土不被融化，以确保路 基的稳定【2 】。依照此原则，不但可以克服冻土的融化下沉，而且利用了冻土材料 强度高于融土的特性【l 】。在众多的主动冷却地基的方案中，应用热管( 热棒) 来 强固永冻层的基础是一个可行而有竞争力的方案。目前青藏铁路线上试验应用的 热管是两相闭式热虹吸管( 简称重力热管或t p c t ) 。 热管技术是在2 0 世纪6 0 年代初发展起来的一种无需外加动力源的冷冻技 术。在管线工程、桥涵、道路路基、机场跑道、通讯输电线塔以及港口工程中， 热管技术被用来冷却地基、防治冻胀和融沉、增加地基强度、保证冻土地基的稳 定1 3 1 。热管技术在世界一些有多年冻土的国家已得到广泛的应用。 但根据青藏铁路热管路基试验现场的调查和文献 4 8 的报道表明：相对 于其它主动冷却地基的方法( 即片石通风路基、碎石及片石护坡路基、通风管路 基、遮阳棚路基) 而言，由于直插式热管路基设计方面的原因导致热管路基的试 验效果并不理想，在一些热管路基路段仍出现以纵向裂缝为主的融沉断裂病害， 这将为铁路的安全运行带来隐患。 本论文是铁道部重点项目“青藏铁路多年冻土路基热棒技术试验研究”的一 硕士学付论文第一章绪论 部分，文中主要从传热的角度对冻土路基与热管耦合问题进行分析，通过对热管 的尺寸、埋设方式进行优化来探求解决路基纵向裂缝的方法；同时，对冻土路基 耦合热管问题进行数值模拟的意义还在于能够对耦合了热管的路基地温状况进 行提前预测，为未来可能出现的路基病害提供科学经济的补救措施作参考，并为 我国将来在其它多年冻土区开展热棒路基建设提供更加科学有力的工程指导。 1 2 冻土物理及冻土工程简介 1 2 1 冻土的物质组成及其相互作用 土是复杂的多相体系，由固、液和气三相物质组成。未冻土或融土中的固相 物质通常包括矿物质和有机质、液相物质( 水溶液) 和气相物质( 空气) 等。固 相物质组成了土的基本骨架，通常称为基质。液相和气相物质充填在土骨架的空 隙中。冻土中则增添了一种新的固相物质冰。 根据土中孔隙被水充填的程度，可将土分为三类：干土孔隙中无水充填； 不饱和土土中孔隙部分被水充填；饱和土土中孔隙全部或大部分被水充 填( 一般饱和度大于0 8 5 的土均被视为饱和土) 。 根据温度和含冰状况，可将土分为五类：未冻土( 或融土) 温度高于0 且不含冰晶的土；寒土温度低于o c 且不含冰晶的土( 含水量小或水溶液 浓度高的土) ；已冻土温度低于o c 且含冰晶的土；正冻土处于低于0 的降温过程中且冰晶形成及生长( 有相界面移动) 的土；正融土处于低于 o c 的升温过程中且冰晶逐渐减少( 冻融界面移动) 的土。 冻土中所含物质的质量和体积之间的关系可用图l 一1 所列举的基本物理指 标来描述。 p=可m(1-1) p d = 导 ( 1 2 ) 旷等 w ：坠 m 。 w ：坠 e m 。 2 ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) ( 卜5 ) 硕士学位论文 第一章绪论 锄 气体 冰 毒 未冻水 爿 兰 詈嗣 式( 1 - - 1 ) 至式( 1 - - 5 ) 中：p 为天然密度；p d 为干密度；p 。为比重；w 、w 。 分别为含水量和未冻水含量；m 、m 。、m 。、m 。分别为土体、土骨架、土中 水份、土中未冻水的质量；v 、v 1 分别为土体和土骨架的体积阴。 1 2 2 冻土中未冻水含量及其确定方法 土冻结后，并非土中所有的液态水已全部转变成固态的冰，由于颗粒表面能 的作用，其中始终保持一定数量的液态水称为未冻水。冻土中的未冻水含量与温 度之间保持着动态平衡的关系，即随温度降低，未冻水含量减少，反之亦然。冻 土中的未冻水是冻土中液态水迁移的源泉，同时，由于冻土未冻水含量随温度变 化，固态和液态水的相变，导致了土体的性质随温度而变。 冻土中未冻水的含量主要取决于三大因素：土质( 包括土颗粒的矿物化学成 分、分散度、含水量、密度、水溶液的成分和浓度) 、外界条件( 包括温度和压 力) 以及冻融历史。其中，未冻水含量与负温始终保持动态平衡的关系，并可用 下式表达： w u = a e 山 ( 1 6 ) 式中：w ：为未冻水含量，；0 为负温的绝对值，；a 和b 为与土质因素有关 的经验常数【9 】。 未冻水含量是对冻土进行热工计算的重要参数，但是，测定冻土中的未冻水 硕士学位论文第一章绪论 含量往往需要昂贵的仪器且比较费时，文献 9 报道了一种测量冻土中未冻水含 量和温度关系式的快速方法，即两点法，关于该方法的使用在第2 章中有详述。 1 2 3 多年冻土的上限及冻土路基的设计原则 在多年冻土地区，对于衔接多年冻土而占在地表以下某一深度的最高地温值 为0 ，在该深度以上的土夏季融化冬季冻结，称为季节融化层；在该深度以下 的土则终年处于冻结状态，称为多年冻土。我们把这一深度称作季节融化层底板 或多年冻土上限。此一深度即为季节融化层厚度或多年冻土上限的埋藏深度。对 于非衔接多年冻土其季节融化层底部与多年冻土层上限之间被不冻土隔离。多年 冻土上限有天然上限和人为冻土上限两种。天然状态的多年冻土上限为其天然上 限。因受人类活动影响改变了地温与气温的热交换条件，破坏了天然条件下的热 平衡状态导致多年冻土上限发生变化，变化后的多年冻土上限即称为其人为冻土 上限 2 1 。 多年冻土地区铁路路基的设计原则，国内外虽有些差异，但归纳起来不外乎 是保护多年冻土和破坏多年冻土两大原贝o t 2 j ，其中保护多年冻土的措施又分为消 极被动保护冻土措施和积极主动的保护冻土措施。积极主动的保护冻土措施即是 主动冷却地基的方法，目前青藏铁路线上为了应对高温冻土和全球气候变暖的威 胁采用的是主动冷却地基的方法。而所谓保护多年冻土的设计原则就是要采取有 效的综合保温措施并使路堤保持其最小临界高度( 又称路堤最小高度) ，使路基 建成后其基底人为冻土上限能控制在一定的深度内，保护路基下的多年冻土不被 融化1 2 1 。这种设计原则的依据是因为一般而言，天然上限以下的附近深度往往是 厚层地下冰的埋藏深度，高含冰量冻土( 富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层) 的融 化是造成多年冻土地区路基变形和工程建筑破坏的主要原因【1 0 1 。 1 3 国内外研究现状及水平 1 3 1 国内研究现状及水平 我国自7 0 年代开始热管的传热性能及应用研列n 】。2 0 世纪8 0 年代以来，我国 中铁西北科学研究院、铁道第一勘查设计院、中国科学院兰州冰川冻土研究所以 及交通部第一公路勘察设计院等单位的专家和技术人员多次赴美国、加拿大、前 苏联等国家参观调研热管的使用情况。为了进一步发展我国寒区铁路工程勘测、 设计和施工技术，更好地解决寒区铁路工程中存在的有关热学、力学问题，铁道 部于1 9 8 7 年进行了“冻土地区应用热管技术的研究”的科研项目，铁道部科学研 究院西北研究所承担了此项研究任务。经3 年的室内室外试验研究，解决了热管 4 硕士学位论文第一章绪论 制作工艺、低温风洞试验等关键技术。设计制作了我国第一批用于土木工程的热 管，进行了低温风洞试验，测定了有关热参数，并于1 9 8 8 年冬在兰州进行了野外 试验，后又于1 9 8 9 年在青藏高原五道梁多年冻土地区进行了现场应用试验，取得 了一定的成果i 卯。目前，在国内涉及到冻土路基和热管耦合传热问题研究的报导 主要有如下所述： 文献 1 2 】应用理论计算和数值模拟的方法对应用热管技术解决冻土铁路路 基下沉问题的热影响进行了分析，该数值模拟仅限于二维纯导热情况，对于土壤 内部的相变现象描述具有局限性；文献 1 3 1 在s i m p l e 算法的基础上对应用热管技 术解决寒区地基冻胀问题的传热和冻结过程进行了二维的数值模拟，但该模型推 广到三维的多年冻土路基耦合热管问题仍有一定距离；文献 1 4 1 5 】按沿径向的 一维热传导方程数值研究了冻土热管的耦合传热，该模型由于是仅考虑径向导 热，因此也不能反映三维路基耦合热管的传热情况；文献 1 6 】【1 7 1 利用有限元分 析方法数值研究了三维冻土路基与热管的耦合传热问题，但该模型将热管耦合冻 土的边界条件处理为随时间变化的热流密度并不好，因为在耦合边界上随时间变 化的热流密度本身就是该问题所要求的量，作为已知的边界条件给出不合适；文 献 1 8 】在基于青藏公路冻土路基病害整治热棒试验工程的基础上，建立了热棒路 基的等效传热模型，并运用有限元方法进行了数值模拟，但该模型仅为二维模型 且对于冷凝段与空气的对流换热系数取为定值。文献 1 9 】通过考虑多年冻土中水 的相变，采用有限元进行热管保护多年冻土路基效果的三维数值分析，但该文未 对热管蒸发段和冻土耦合边界条件的处理方法作交代。文献 2 0 l 清水河天然地 面埋设的热管为例，模拟了未来5 0 年气温不同升温幅度下热棒的工作状态及效 率，该文对于耦合边界条件的处理也未作交代。 以上主要是国内关于冻土路基耦合热管问题数值分析方面的报道，另外，关 于冻土路基耦合热管问题非数值分析方面的报道如下： 文献 4 对热棒路基裂缝的特点、形成原因及其对路基稳定性的影响进行了 初步分析；文献 5 针对应用于青藏铁路多年冻土工程中的热管类型，通过国内 外的研究资料，综述了与青藏铁路热管应用效果相关的理论研究与工程实践成 果；文献 6 通过清水河试验段路基裂缝的详细调查资料，分析了裂缝产生的原 因，并对裂缝进行了分类。文献 8 介绍了青藏铁路试验段采用热棒所处理的不 良地质类型、热棒的施工工艺及研究内容。文献 z 1 结合热管在青藏铁路路基工 程中的应用和清水河现场实测数据，介绍了热管路基的设计原则及技术特性，提 出了需要进一步解决的问题，并说明了热管路基纵向断裂的原因。文献 2 2 介绍 了热棒在多年冻土路基工程的应用。文献 2 3 介绍了青藏铁路某试验段中试用热 棒的一些基本情况，利用现场试验数据分析了热棒的工作状态和特性。文献 2 4 硕士学位论文第一章绪论 根据试验工程中的应用情况，总结介绍热桩在多年冻土区涵洞工程中应用的原理 与经验。文献 2 5 介绍了国外的热管技术应用实例与应用效果。 最后，国内相近研究方向的报导主要有如下： 文献【2 6 】采用三维瞬态相变控制方程数值模拟了寒区隧道三维温度场的热 状况，并为防止寒区隧道冻胀融沉冻害提出了铺设保温层的建议，该文的研究思 路对于研究热管与冻土路基祸合问题具有一定参考价值。文献【2 7 根据傅里叶定 律和达西水分传导定律导出潮湿路基温度场与湿度场耦合作用的一维计算模型， 利用显热容法处理冻土复杂的相变问题，但该文模型过于简单，推广到路基耦合 热管的三维情况还有一定距离。文献【2 8 】基于室内实验结果，并结合风火山地区 地温资料以及风火山实验场现场观测资料，针对抛石护坡对公路铁路沿线路基 底下的多年冻土的保护作用以及对多年冻土上限的抬升效果进行了对比分析，该 文的部分现场数据对于数值模拟的研究具有参考价值。文献 2 9 】试验研究了青藏 铁路多年冻土区站场路基温度场，该文的有关于地温和路基人为冻土上限实测数 据对于数值模拟具有对比性。文献 3 0 】研究了青藏高原多年冻土区铁路路堤变形 特征，该文的部分建议可以为数值模拟的优化方案提供一定的模拟方向。文献【3 l 】 数值研究了青藏铁路多年冻土区加绝缘层路基的热区域，该文采用二维相变模型 研究了不同绝缘材料、绝缘层厚度及绝缘层在路基下的埋设位置对于路基热状况 的影响。该文虽不是直接研究青藏铁路多年冻土路基耦合热管的问题，但该文研 究思路却是很有启发性和参考价值。文献 3 2 】现场实验研究了沿青藏公路多年冻 土区路基的热稳定性，其所获得的有关于青藏铁路沿线的地温观测资料对于冻土 路基耦合热管的数值模拟具有一定的对比验证价值。文献 3 3 1 数值研究了青藏铁 路多年冻土区通风路基的热状况，文中他们研究了不同通风管径、不同管距以及 不同的路基高度对于通风路基热状况的影响情况，并提出了通风管路基的最佳设 计方案。文献【3 4 】现场监测了青藏高原的地温及其近年来的变化情况。文献 3 5 】 提出了保护多年冻土的热绝缘原则并探讨了其应用条件，该文为数值模拟的优化 方向提供了一定的经验性指导。文献【3 6 】利用有限元分析软件a n s y s 分析了多年 冻土区通风路基三维非线性相变温度特性。另外，文献 3 7 】还通过数值模拟的手 段研究了利用片石护坡来调节多年冻土区路基南北坡温度分布差异而引起的人 为冻土上限分布不对称造成的路基纵向断裂问题。 综上所述，国内对于青藏铁路多年冻土区路基耦合热管传热的研究是不完善 的，与现场实验结果吻合较好的适用的数学模型及相应耦合边界条件的提出是相 当必要的。同时利用这种适用的数学模型为青藏线多年冻土区路基热管的埋设进 行优化设计，并探求解决路基纵向断裂病害的有效措施也是当务之急，这将为青 藏线多年冻土区路基热管的合理布局和埋设提供有力的指导。 6 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 国外研究现状及水平 截至目前为止，国外直接研究多年冻土区路基耦合热管问题的报道很少，但 却存在有关相近研究方向的报道，即利用其它措施来防止或减少多年冻土区路基 融沉冻胀问题的数值传热研究、多孔介质内部的相变传热研究及相关的现场实验 研究。这些研究报道主要如下所述： k s a s a g u c h i 、k k u s a n o 和i l v i s k a n m 提出了一个用于分析复杂几何体内固液 相变传热的数值模型【3 町，该模型可用来处理多孔介质或非多孔介质的固液相变传 热，同时该模型也可用来处理多孔介质或非多孔介质内部的自然对流问题。为了 验证他们模型的有效性，在该文中，作者们通过坐标变换将笛卡尔坐标系下的一 内部有两根圆柱体的二维空腔相变传热问题转换为一矩形区域的相变传热问题， 结果证明他们的数值模拟结果与实验吻合较好。但该文的研究模型也明显有其局 限性，主要表现在如下：该文作者仅用一相对规则的内部为两根圆柱体的二维空 腔来说明问题。h a y m s 和z 盯l i n g 通过相变的两维非稳态热传导的计算机有限元程 序分析认为蒸发段最优的埋置位置为粗颗粒填土的底部【3 9 】。h a y n e s 和z a r l i n g 在 热管应用于多年冻土分层地基的设计中使用有限元技术建模 4 0 l 。a k i r as a s a k i 研 究了水饱和多孔介质内部的瞬态冻结传热问题】，其所采用的数学模型及相应假 设与文献 1 3 】等的基本相同，因此，该文的研究模型也不能直接作为冻土路基耦 合热管问题的模型而加以采用。g o e r i n g 和k u m a r 研究了冬季路基内的自然对流问 题【4 2 l ，在该文中他们从多孔介质自然对流控制方程中求得了用于有限元求解的公 式。g o e r i i l g 以保护永冻土设计原则对一对流通风路基进行了实验研究1 4 3 j 。 j m k o n r a d 和m s h e n 币t j 用二维分离势冻结行为模型成功地对地下冷冻管道实际 场地进行了模拟，并提供了冰含量，应力及位移分布情况m j 。w l i u 和s s h e n 等 提出了一个用于描述非饱和多孔介质中相变传热传质的数学模型【4 5 】，并利用该模 型数值分析了一充满非饱和多孔介质的倾斜方形围栏中的二维自然对流问题。 v n f e k l i s t o v 和n l r u s a k o v 分析了利用尿素泡沫材料来维持多年冻土的影响因 素嗍，并提出了水份含量在0 5 0 0 时尿素泡沫材料热导率的简化分析方法，描 述了一泡沫盖板长期现场观察项目及其多年冻土的温度情况。g e p u s t o v o i t 提出 了一个计算多年冻土温度的新模型 4 7 1 ，该模型考虑了在多年冻土顶板上温度变化 的非和谐规律。v e r o m a n o v s k y 和t e o s t e r k a m p 等比较了三种用于计算地面土体 温度场的数值模型( 分别为g o o d r i c h ，g u y m o n h r o m a d k a 及s e r e g i n a 模型) 4 s l , 同时他们还将各模型模拟值与理论解和实验数据进行了对比分析，对于时间步长 和深度步长的选取也都做了相应评价分析。d o u g l a sj g o e r i n g 数值研究了由非常 规性的多孔材料建造的铁路路基的传热及其热特性【4 9 】，由于存在非稳态的密度分 层及因此而在冬季月份出现的自然对流现象，他认为可能利用这种路基产生被动 7 硕士学位论文第一章绪论 冷却效果。s o r a bp a n d a y 和m y a v u zc o r a p c i o g l u 得到了描述融沉的一维模型方程 的数值解，模拟了表面加热情况下的未饱和冻土的融沉情况t s o l 。 s p m a l e v s k y - m a l e v i c h 和e i c m o l k e n t i n 币j 用土壤传热的多层次模型模拟了冻土参 数的空间分布【5 ”，该模型考虑了水的相变，雪的覆盖及植被效应。 另外，国外还有与该课题间接相关但不可缺的研究问题主要如下： t o m a s zk o z l o w s k i 通过大量的回归分析得到了土的冻结点温度回归式【5 2 1 ，该 回归式可以为冻土耦合热管的相变传热问题的相变起点提供参考。x ux i a o z i i 和 o l i p h a n t 等提出了在冻土内快速地确定未冻水含量与温度关系式的一点法或两点 法1 5 3 1 ，应用该法可以快速的确定冻土样未冻水含量与温度的关系式。 综上所述，国外并未有研究人员直接研究多年冻土区路基耦合热管的传热问 题，至于涉及到冻土路基热管的优化问题就更是如此。 1 4 本文主要研究内容 本文主要的研究内容如下： ( 1 ) 为满足对青藏铁路多年冻土路基祸合热管问题热管尺寸的优化设计提供理论 指导的需要，结合青藏铁路多年冻土区的实际地质和气候条件建立了多年冻 土区天然地面耦合热管的相变传热模型，在耦合边界条件的处理上，通过忽 略热管内部热阻，得到了祸合边界处的等价第三类边界条件。利用该模型研 究了不同热管管径、气候条件、冷凝段和蒸发段长度比对于热管传冷量的影 响，通过将数值模拟值与现场实测值对比验证后发现模型具有较高的可靠性， 具有工程应用价值。 ( 2 ) 依据青藏铁路典型地段风火山地区的实际地温和气温条件以及典型的路基高 度，数值模拟研究了在路基建成后的2 0 年中该地段无热管典型3 m 高度路基 对于路基下部温度场的影响情况，查明了多年冻土区典型高度路基引起路基 纵向断裂病害的原因，同时还论证了热管保护多年冻土和减小路基纵向断裂 病害的可行性，指出了实际热管路基应用中仍存在的不足之处，并提出了更 进一步的热管路基纵向断裂病害解决方案。 ( 3 ) 依据研究内容( 2 ) 所建立的热管耦合路基数学模型和针对路基纵向断裂病害 所提出的相关改进建议，数值模拟研究了热管蒸发段埋设位置，热管的横向、 纵向埋设间距对于路基底温度场的影响，并依据研究结果提出了多年冻土路 基热管应用的优化建议，可为多年冻土热管路基的优化设计提供参考。 ( 4 ) 依据研究内容( 2 ) 所提出的热管斜插式改进建议，首创式的研究了斜插式热管 在多年冻土路基融沉断裂病害防治中的应用，论证了斜插式热管在调整路基 体内融化盘对称性方面有着比直插式热管更加优越的特点，同时还在斜插式 8 硕士学位论文第一章绪论 热管路基研究的基础上进一步提出了带阳坡侧保温护道的斜插式热管路基。 并更进一步的论证了带阳坡侧保温护道的斜插式热管路基在调整路基体内 融化盘对称性上比无阳坡侧保温护道的斜插式热管路基还要优越，可为目前 部分试验路段热管路基融沉断裂病害提供补救措施作参考。 9 硕士学位论文第二章典型冻七地区天然地面耦合热管的传热分析及优化 第二章典型冻土地区天然地面耦合热管的传热分析及优化 为满足对青藏铁路多年冻土路基耦合热管问题热管尺寸的优化设计提供理 论指导的需要，结合青藏铁路多年冻土区的实际地质和气候条件建立了多年冻土 区天然地面耦合热管的相变传热模型，在耦合边界条件的处理上，通过忽略热管 内部热阻，得到了耦合边界处的等价第三类边界条件。利用该模型研究了不同热 管管径、气候条件、地质条件、冷凝段和蒸发段长度比对于热管传冷量的影响， 同时该模型模拟值和现场实验值的对比分析表明，该模型具有工程可靠性，可为 多年冻土耦合热管问题提供理论预测和指导。 2 1 青藏铁路典型多年冻土区风火山和清水河地段地气条件 2 1 1 风火山地区地气条件 风火山地区属青藏高原干旱气候区，寒冷干旱，四季不明，空气稀薄，气压 较低，一年内冻结期长达7 8 个月，蒸发量远大于降水量。据地气资料表明， 本段年平均气温为5 2 ，极端最高气温为2 3 2 ，极端最低气温为3 7 7 ，年平 均降水量为2 9 0 9 m m ，年平均蒸发量为1 3 1 6 9 r a m ，相对湿度平均为5 7 。最大 风速为4 0 m s ，年平均风速为4 1 0 n d s ，主导风向为北西。最大积雪厚度为1 4 c m ， 冻结期为9 月至来年4 月。 风火山山前坡地堆积着碎石土及红色基岩风化后形成的亚粘土夹碎石，以及 河流相堆积的砂砾石，在山前缓坡具有洪积扇，洪冲积物，草皮较发育。第四纪 堆积物类型较为单一。冻土层厚度一般5 0 1 2 0 m , 1 5 一，季节融深为 0 8 2 5 m ：地形起伏较大，海拔高度为4 6 0 0 4 7 0 0 m ，风火山垭口达4 9 2 0 m 。风 火山北及二道沟断裂使风火山隆起，断裂呈北西西向，发生在第三系红色砂砾岩 中。第四纪沉积物主要为砂砾石，碎石土及亚粘士夹碎石等。区内年平均气温为 - 6 2 4 ，连续多年冻土地温为一1 5 3 0 ，厚度为5 0 1 2 0 m ，天然上限为 o 妣5 m ，在河谷地带可达3 5 m 。厚层地下冰异常发育，含土冰层、饱冰冻土、 富冰冻土等地段的面积占区段面积的8 2 。斜地坡带常有冰锥、冰丘、融冻泥流 及融冻滑塌发育。属于不良和极差冻土工程地质地段【i 嗣。 2 1 2 清水河地区地气条件 青藏铁路清水河试验段，位于楚玛尔河高准平原上，海拔高程为4 5 0 0 4 6 0 0 m ，地形平缓略有起伏，属于冰雪型气候区，气候干燥，空气稀薄，暖季短暂， t 0 硕士学位论文第二章典犁冻土地区天然地面耦合热管的传熟分析及优化 寒季从9 月到次年4 p j ，急风、暴雪、雷电等天气变化剧烈无常，年平均气压5 7 9 k p a ，年平均气温- - 5 2 1 2 ，极端最高气温2 3 2 1 2 ，极端最低气温3 7 t c ，年均降 水量2 9 0 9 r a m ，年均蒸发量1 3 1 6 9 r a m ，位于多年冻土的高温不稳定区，冻土的年 平均地温0 - - 0 5 c t s 4 l 。 2 2 数学物理模型的建立 2 2 1 物理模型 多年冻土地面安装热管后即成为冻土和熟管的耦合传热问题，其相互耦合性 主要表现在热管蒸发段和冻土交界面处的耦合边界条件，热管和冻土耦合的示意 图如图2 - - 1 所示。 图2 1 多年冻土耦合热管示意图 其工作原理是这样的：进入寒季时，当热管蒸发段周围土体的温度高于外界 大气温度时，热管蒸发段所充填工质吸热汽化并向上流动，经绝热段后遇到比其 温度低的冷凝段凝结放热，热量经冷凝段壁面和外部翅片传出并由低温的外部空 气对流换热带走；与此同时，在冷凝段冷凝的工质蒸汽变为液态，由于重力作用， 液态工质沿壁面流回蒸发段，并再次吸热汽化，这样不断的循环就能将蒸发段附 近土体的热量带出排入大气，从而为附近土体降温。另外，由于热管传热的单向 性，进入暖季时，外部大气温度比蒸发段附近土体的温度高，热管停止传递热量， 从而能够有效保证在暖季的热量不被传入蒸发段附近土体，那么在一个寒暖周期 f t 硕士学位论文第二章典型冻士地区天然地面耦合热管的传热分析及优化 中，蒸发段附近土体温度可以得到有效的降低，起到保护多年冻土稳定性的作用。 在数值模拟时考虑到该问题的轴对称性，因此，计算区域只需选择以热管中心线 为轴对称区域的一半即可，该计算域在水平方向上沿中心线向右2 0 r m 沿地面向 下也为2 0 m ，根据青藏线典型土分布情况，计算土体分为两层，从地面向下3 m 内为泥炭亚粘土，3 m 以下为弱风化石，计算域示意图如图2 2 。图2 2 计算 区域中土体的物性参数如下表2 一l 所示。计算中所采用的热管尺寸如表2 2 所 示，图2 2 中a h 为绝热段与土体交界面，h g 为蒸发段与土体交界面。 另外参照翅片对流换热经验公式，热管冷凝段与空气的对流换热系数可由 下式确赳5 5 】： n u 。= o 1 3 4 r e o 。“1p e ”( s h ) 0 2 ( s 8 ) 0 “”( 2 - - 1 ) 式中n u 。为n u s s e l t 无因次准则数，n u 。= 皇乇旦；r e 为r e y n o l d 无因次准则数， - r e 。：生掣；p r 为p r a n d t l 无因次准则数，：鱼 竖；h n t 酣i g n ，f i l m ； p a o 6 为翅片厚度，m m ；s 为翅片净间距，舢；h 。为空气的对流换热系数，w m 2k ； d 。为光管外径，n l l n ：九。为空气的导热系数，w m k ；p 。为空气的密度，k g m 3 ； 为风速，m s ；p 。为空气动力粘度，蚝，m s ；c 。为空气定压比热，j 蝇 图2 2 计算区域示意i t t 1 2 硕士学位论文第二章典犁冻七地区天然地面耦合热管的传热分析及优化 表2 1 典型土体物性p i j 土 类物性 - i o c- 5 c - 2 c - 1 c- 0 5 co c1 5 c 哩 p ( k g m 。3 ) 1 7 0 81 7 0 81 7 0 81 7 0 81 7 0 81 7 0 81 7 0 8 泥 炭 亚7 4 w m 一k 一) 1 , 7 41 7 41 7 4i 7 41 7 4i a 2i a 2 粘 土 c ( j k g 一k 1 ) 1 4 9 2 81 5 4 5 71 5 7 7 51 6 0 8 61 6 7 0 71 9 3 5 71 9 3 5 7 w n ( k g k g 。1 0 ) 9 3 1 1 “l 【g m 4 ) 2 3 7 62 3 7 62 3 7 62 3 7 6 1 52 22 2 2 3 7 62