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。
