基于显热容法的地源热泵地埋管换热器周围土壤冻结特性研究

为了探讨寒冷地区土壤冻结对地源热泵地埋管换热器换热特性的影响,建立了考虑土壤冻结的地埋管周围土壤传热模型,并利用显热容法对冻结相变问题进行了处理.基于模型的数值求解探讨了土壤含水率、原始温度、热扩散率及Stefan数对埋管周围土壤温度分布及冻结速度的影响.结果显示,与未考虑土壤冻结相比,计算出的地埋管周围土壤温度高,传热热阻小,从而可以减小埋管的设计长度,降低系统初投资;提高土壤含水率有利于地源热泵的设计与运行;减小热扩散率和Stefan数可以有效地降低土壤的冻结速度.     

土壤冻结对其自然温度场的影响

测试了严寒地区土壤冻结及非冻结状态的物性参数,分析了土壤冻结及非冻结物性参数对不同深度处土壤自然温度场的影响程度。在集输管道埋深范围内,土壤按非冻结及冻结状态物性参数计算其自然温度场、冻结时间、延迟时间及冻结起始时间差别很小,在集输管道运行管理计算分析时,可以不考虑土壤冻结及非冻结物性的影响,将土壤看作常物性。     

冻土地带地源热泵土壤恢复特性的实验研究

本文利用简易沙箱装置,模拟地埋管在土壤中取热至土壤内层部分冻结以及取热后土壤的温度恢复过程。通过改变圆管换热器内冷冻液的温度,定性分析恢复过程中冻结层厚度、土壤温度场等变量的变化规律,研究考虑土壤冻结的温度恢复过程中,冷冻液温度改变对含湿土壤温度恢复特性的影响。得出冷冻液温度越低,相同恢复时间后冻结层半径越大,冻结层半径较停机时刻的恢复量越低,全部冻土融化所需时间越长,冻结锋面处温度越低,冻结锋面温度恢复量越低以及冻结锋面处的温度恢复速率除相变阶段较其前后小幅下降以外其余时刻都随时间递减等结论。本文相关结论对后续研究土壤相变传热机理、冻土融化模型等模拟实验具有实际参考价值,并可为实验条件不足的研究者提供现实依据,为其后续研究地埋管周围冻结土壤的温度恢复特性提供有针对性的帮助。     

冻土地区土壤水热耦合温度场的分析

分析了冻土地区土壤水热迁移的影响因素,探讨了冻土水热迁移的研究方法及成果。建立了考虑相变潜热及土壤冻结后含冰量的土壤水热耦合温度场模型,并进行了数值求解,得到了冻土区不同深度土壤的水热耦合温差场,总结温度变化趋势的规律。     

水泥改良土地层联络通道冻结温度场分析

地铁工程联络通道施工中,人工冻结加固土层的温度场研究目前大部分还是集中在天然土层方面,对水泥改良土地层中冻结温度场的发展与特性研究较少。文章系统研究水泥改良对联络通道地层冻结温度场的影响,建立联络通道冻结开挖三维数值模型,考虑导热系数、比热容、相变潜热等影响因素,综合实测数据以及试验,对天然土层以及水泥改良土层中冻结温度场的发展和分布规律进行分析,研究结果表明：相比于天然淤泥质土地层,水泥改良土冻结温度场发展速度更快,但冻结效应稍差,积极冻结期的前33d,冻结温度场发展较为迅速,相邻冻结锋面相交后,温度场发展速度开始下降。水泥改良后,土层冻结温度场的发展对导热系数的变化最为敏感,比热容的变化次之,相变潜热变化的影响十分微小。研究成果表明：人工冻结配合水泥改良对淤泥质土地层具有显著的加固效果。     

地埋管周围土壤冻结传热特性的实验研究

本文通过搭建沙箱实验平台模拟地埋管低温取热过程,采用控制变量法研究含水率和管内流体温度对地埋管周围土壤冻结传热的影响,并对实验结果进行分析和数值拟合。实验结果表明:随着含水率的增加或管内流体温度降低,土壤冻结区厚度增加,冻结区土壤温度降低,传热速率加快,而且管内流体温度降低对土壤冻结的影响更大,管内流体温度对冻结边界层和土壤温度的影响比含水率分别大32.57%和11.62%。     

考虑相变潜热的冻结温度场非线性分析

基于考虑相变潜热的有限元分析原理,结合现场实测,采用非线性有限元方法对某矿井筒冻结温度场进行了数值模拟,深入分析了冻结温度场、冻结壁平均温度和冻结壁有效厚度的发展规律。有限元计算结果与现场实测结果基本一致,较好地反映了实际情况。     

土在冻结过程中的温度场研究

在冻结法施工中,冻土帷幕的三维温度场预测是一个重要内容。首先对土冻结过程中的热传递现象进行了定性分析,然后通过相关资料演绎了冻土温度场的理论计算公式和热物理参数公式,最后应用有限元软件ABAQUS并结合模型槽冻结实验,在考虑相变潜热的基础上,建立了1根水平冻结管、2根水平冻结管、3根冻结管(2根水平冻结管+1根倾斜冻结管)的三维温度场模型。通过对不同模型三维温度场的比较,得到了冻结管数量、布置方式对冻土帷幕的形成速度和范围的影响。通过与相关测点测试数据的比对,建立了土体温度随时间的变化曲线,揭示了土体在人工冻结过程中的三维温度场发展变化规律。     

严寒地区地埋管换热器周围土壤冻结区域分布特征实验研究

建立了模拟严寒地区土壤热失衡状态下地源热泵冬季运行情况的实验装置,实验研究了地埋管周围土壤冻结区域的分布特征,给出了冻结相变锋面的平均移动速度。结果表明,土壤冻结区域呈不对称性分布,流体进口温度为-15℃时,埋深为350、700、1 050mm,热响应区在40~60mm段,冻结锋面的平均移动速率分别为5、5、6.67mm/h,热响应区在60~80mm段,冻结锋面的平均移动速率分别为1.54、1.82、1.82mm/h;土壤冻结在一定程度上有利于地埋管与周围土壤之间的换热,在严寒地区地源热泵的设计中应考虑土壤冻结现象。     

隧道冻结壁解冻温度场演化规律研究综述

文中介绍了冻结法在隧道中的应用,阐明了隧道冻结法施工冻结壁温度场的发展情况一直是工程中关注的热点,并分别从现场实测、理论解析法、相似模型试验和数值模拟等方面,对隧道冻结壁解冻温度场演化规律的研究现状进行了综述,指出了当前温度场研究存在的不足对未考虑冻结壁温度梯度的影响,最后提出隧道冻结壁解冻温度场研究中存在的问题和今后研究方向。     

Sensitivity analysis of thermal factors affecting the nonlinear freezing process of soil

In the construction of artificial freezing methods and cold region engineering, the determination of the accurate temperature field is the demand of both ensuring the stability of frozen soil and reducing the project investment. Affected by the external environment, phase change latent heat, non-linear thermal parameters, etc., the temperature evolution of the soil freezing process is a non-linear form, and the temperature field evolution will be more complex with the change of different influencing factors. Scientific control and utilization of the influencing factors of the frozen soil temperature field play a vital role in improving the freezing efficiency and accuracy of the soil temperature field. This study aims to analyze the sensitivity of thermal factors on the nonlinear formation process of frozen soil temperature field, and to provide the results for the control of various factors in frozen soil engineering. A freezing model test was designed and implemented, the boundary conditions and temperature evolution in the model were monitored. Meanwhile, the thermal parameters and unfrozen water content of the model soil were tested indoor. Then the theoretical relationship between unfrozen water content and parameters was deduced to determine the variation range of unfrozen water content. The boundary condition values (including the maximum, minimum and average values) and thermal parameters were used in the orthogonal simulation of the freezing model, respectively. The temperature simulation values were compared with the model test values, and the factors affecting the nonlinear heat transfer of frozen soils were analyzed quantitatively by both the range method and variance analysis method. Several suggestions of the vital factors in the soil freezing construction were offered based on this research.     

基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

主隧道结构散热对联络通道冻结效果的影响

 在采用人工冻结法施工的联络通道中,主隧道管片的散热对管片附近土体的冻结效果有很大的削弱作用。通过施工现场的温度监测数据,研究管片散热对联络通道中土体温度场发展状态的影响,发现管片外侧喇叭口部位土体无论在冻土温度还是在冻土帷幕的厚度上都较未受影响区相差很大,受影响区冻土帷幕厚度最小处仅为未受影响区厚度的一半,且随着冻结的持续进行,喇叭口部位土体的温度场在一定时期达到热交换的平衡状态,持续冻结对此区域的冻结效果增强不明显,只会降低未受管片散热影响区域的土体温度。绘出冻土帷幕的发展变化过程。最后在影响分析的基础上对联络通道的安全施工提出了建议。     

基于混合量热原理的冻土比热容测试方法

土的比热容是冻结法施工中的重要参数,但既有混合量热法得到比热容是某一负温到平衡正温这一阶段的平均比热容而不是该负温点的比热容。根据黏土在冻结过程中孔隙水的相变随负温增加逐渐发生的客观事实,基于传统混合量热法建立了冻土比热容的递推算法。首先,待测试冻土试样分别由某一负温的左右两个微小增量开始,经混合量热法各个步骤后到达热平衡状态。则由负温开始至热平衡状态,试样吸收的热量Q,必然等于负温至0℃和0℃至平衡温度这两个阶段热量交换Q_1和Q_2的代数和。由于不存在相变,试样从0℃至热交换平衡温度需要的热量可以由常规的混合量热法获得。因此,试样由负温开始至0℃的热量可以通过两者相减得到,并可进一步得到试样由该负温左侧增量升温至该负温右侧增量需要的热量。最终,试样在该负温点的比热容可以根据比热容的定义得到。本文建立的冻土比热容递推算法能得到某温度点的比热容而非某温度段的平均比热容,且包含了潜热的贡献,因而更为合理有效。     

高压力作用下深部黏土冷却过程及其特征研究

深部黏土的埋深决定着深部黏土在进行人工冻结期间所承受的地压力的大小,而较大的地压力将会影响冻结壁形成时冻结温度的大小以及冻结壁的冷生构造,从而影响冻结壁的强度与稳定性。本研究通过对高压力作用下的深部黏土在不同含水率状态下进行冷却过程试验,分析了压力大小对不同饱和状态的深部黏土冷却曲线形式及初始结晶温度、冻结温度及过冷度的影响。结果表明:深部土的冻结温度、初始结晶温度以及过冷度都与土体所承受的压力密切相关。不论是非饱和状态、饱和状态还是过饱和状态下的深部黏土,其冻结温度都随土体所承受压力的增大而减小,而初始结晶温度则随压力的增大呈起伏状变化。利用物质结晶理论,进一步分析后认为冻结过程主要是自由孔隙水的相变过程;而压力作用会通过改变土体中土颗粒对孔隙水分子的吸附作用,改变土体中自由水的含量,进而改变土体冻结过程中潜热释放量的大小,最终影响土体冷生构造。     

冻融过程中未冻水含量及冻结温度的试验研究

 土体冻融过程中的未冻水含量是控制水分迁移及冻胀融沉的关键因素,而冻结温度是判断土体是否处于冻结状态的重要指标。基于频域反射法(FDR),测定不同初始体积含水率条件下青藏高原粉质黏土,冻融过程中的体积未冻水含量及温度变化,分析引起体积未冻水含量及冻结温度产生差异的主要原因。试验结果表明：初始含水率较高的土体,冻结过程中出现了很明显的过冷现象以及温度和体积未冻水含量的突变,而初始含水率较低的土体,这种现象并不明显。初始含水率较大的土体冻结先于初始含水率较小的土体,并且对温度突变的敏感性大于初始含水率较小的土体。对冻融过程体积未冻水含量的滞后分析发现,体积未冻水滞后度?θ和温度滞后度?T均是先增大后减小,体积未冻水滞后度?θ的峰值发生在相变区附近,其峰值随着初始含水率的增大而增大。当初始含水率等于或高于液限含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当初始含水率低于液限含水率时,冻结温度随含水率减小而降低。     

冻土层中水平埋管换热器换热特性的数值分析

寒冷地区冻土层对地源热泵水平埋管换热器(GHE)的换热特性产生重要影响。根据冻土层换热特点建立了一种简化传热模型,对水平埋管周围土壤瞬态温度分布进行了模拟计算,分析了冻土层冻结和土壤含水率对GHE热损失的影响。计算结果表明,土壤冻结情况GHE的传热损失相对于非冻土情况下增大。进液管热损失随着土壤中含水量的增加先减小后增加,回液管热损失逐渐减小,GHE总热损失减小。计算结果与国家标准"地源热泵系统技术规"(GB 503662-2005)中对水平埋管的埋深规定相吻合。     

冻结孔偏斜下冻结壁温度场的形成特征与分析

冻结法工程中的造孔总存在一定的偏斜,以工程实际参数为基础,考虑了土层中水的相态变化和冻结温度随冻结时间变化等因素,利用大型有限元软件,对冻结孔随机偏斜和无偏斜条件下冻结壁的形成及其温度场特征进行详细地分析,得出了冻结管偏斜下,冻结孔交圈时间、冻结壁厚度、冻结壁平均温度等主要技术参数,提出了偏斜条件下冻结壁平均温度的计算公式,对深井冻结设计和多排冻结管温度场的研究有重要的参考价值。     

使用塑料冻结管的液氮冻结温度场试验研究

温度场分析是判断冻结土体性状进而反映冻结效果的重要手段,而盾构出洞液氮冻结加固中使用塑料冻结管对温度场的分布有较大影响。为获得使用塑料冻结管液氮冻结温度场的分布规律,以相似理论为基础,使用塑料冻结管进行上海淤泥质黏土的液氮冻结物理模拟试验,得出结论如下:沿塑料冻结管长度方向,冻结管壁的温度差别较大,造成不同位置冻结壁的发展范围不均匀,在冻结循环的末端管壁温度最高,冻结效果相对较差。冻结形成冻结区内的温度分布曲线较陡直,而在冷却区的温度分布曲线较平缓,其温度梯度较使用钢管的液氮冻结时小。在土层性质确定的情况下,液氮灌注状况、冻结管间距、冻结时间是影响液氮冻结效果的主要因素。冻结过程中,采用较小的冻结管间距,可以加快冻结速度,缩短冻结时间,发挥液氮冻结优势。研究结果表明,塑料冻结管可以应用于液氮冻结加固施工,研究成果可以为液氮冻结的工程应用提供有益的参考。