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。

首先对作者所建立的基于多孔介质理论的季节冻土水热迁移耦合模型进行数值求解;对模型方程进行修正,并给出了模型方程中参数的确定方法。然后以长春—松原公路段土体为研究对象,对实际工程中冻结情况下水分迁移的情况进行预测;给定模型边界条件对模型求解,将结果与野外实际监测结果进行对比。温度变化对比数据表明,模型可以较好地预测终值情况,而中间过程的误差较大,但是趋势基本一致。水分迁移方向及量的对比数据表明,模型计算结果要小于实测结果,但是整体上计算结果与实测结果的变化趋势较一致,且同样是和最终值吻合较好,误差最小。结果表明,模型计算结果可较好地模拟参数最终值,但存在一定误差。

考虑大气温度以及管内流动介质温度的影响,建立由多个土层构成的岛状冻土物理模型,研究塔河地区埋地输油管道周围热-水-应力(T-H-M)耦合作用,分析水-热-应力耦合作用下管道的受力情况并进行管道强度验算。采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics进行数值模拟,计算在T-H-M三场耦合及非耦合两种工况下岛状多年冻土管道周围应力和沉降曲线等。分析比较表明,岛状多年冻土区的温度,冰水相变以及水分迁移对应力场存在较大的影响;水分场、温度场以及应力场三者之间耦合作用明显;岛状冻土随季节呈周期性冻融,管道周围出现较大应力集中和沉降现象,会对管道安全产生一定影响。

在多孔介质理论的基础上,基于非线性达西定律并假设水分迁移过程为单向、可逆及水分迁移过程中无溶质迁移,推导得出了无相变以及考虑相变的水分迁移方程;引入土体传热方程和土骨架质量密度变化方程,过程中考虑了冻土中温度变化,扩散和对流,以及水分相变和温度、质量变化之间的相互影响。联立各方程得到了非饱和冻土水热分布控制方程,建立了非饱和冻土水热迁移耦合模型。文中亦对模型中具体参数的确定方法提出了建议。方程属于非线性偏微分方程,无法得出解析解,须采用数值解法。

土壤作为一种典型的多孔介质,其内部流体的流动与相变过程复杂,常采用有限体积法作为理论研究方法。取西部成品油、原油管道玉门出站口作为研究对象,地表温度变化采用周期性边界条件,考虑土壤发生冰水相变时释放的相变潜热。模拟结果表明,管壁热流密度随环境温度周期性变化,土壤中的水分向冻结前锋进行迁移,无保温层的管道比有保温层的冻土融化范围大,融化深度深。

基于穿越冻土区埋地管道存在冻害破坏的安全问题,建立了多年冻土区埋地热油管道土壤冻融过程中温度场变化的数学模型。以中俄原油管道沼泽发育冻土区敷设管段为例,地表环境温度采用周期性边界条件,考虑土壤冻结过程中相变潜热对温度场的影响,采用多孔介质模型,利用有限容积法,对有、无保温层条件下埋地管道周围土壤温度场进行数值模拟。结果表明:在有保温层的条件下,管壁热流密度明显降低,且波动幅度减小;采用保温材料有利于降低冻土融化速率,防止冻土退化。

基于中俄原油管道冻区工程建设特点,从渗流力学和传热学原理出发,建立冻土多孔介质水热耦合数学模型。地表环境温度采用周期性边界条件,借助FLUENT软件对有无保温层条件下埋地管道周围土壤温度场进行数值模拟。模拟结果表明,在有保温层的条件下,管壁热流密度明显降低且波动幅度减小。管道运行17个月后,无保温层与分别采用30和50mm保温层时相比,管道底部最大融深相差1.17和1.46m。采用保温材料可降低冻土融化速率,防止冻土退化。

笔者提出的新型块石护坡—遮阳板块石护坡是一种人造自然对流换热的主动冷却地基的工程处理措施。块石护坡内部流体的自然对流换热可看作多孔介质的传热传质问题。本文基于大孔隙多孔介质的自然对流与传导方程,对护坡层厚度、路基高度、块石粒径的合理取值进行了系统数值试验研究,并在此基础上提出了优化设计原则与方法。

为了研究碎石层保护冻土地区路基的效果,将碎石路基视为多孔介质,从多孔介质对流理论出发,用Bear J摄动法推导了自然对流的发生条件,总结和分析了冷却地基研究成果,就青藏地区的冻土和气候条件,讨论了碎石路基的铺设厚度和粒径,计算厚度为0.96米,并指出了所亟待解决的问题.