Change language:

Сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ) предназначены для замораживания талых и охлаждения пластичномёрзлых грунтов в основании сооружений с проветриваемыми подпольями и без него, вокруг опор ЛЭП и трубопроводов, вдоль насыпей железнодорожных путей и автомобильных магистралей с целью повышения их несущей способности и для предупреждения выпучивания свай в районах распространения многолетнемёрзлых грунтов. Более подробнее ознакомиться с технологией термостабилизации грунтов можно на данной странице сайта.

Задачу моделирования теплового влияния на грунты сезонно-действующих охлаждающих устройств на сегодняшний день можно эффективно решить в программном комплексе Frost 3D Universal. Для этого необходимы следующие данные:

1.Метеорологические данные (табл. 1): температура воздуха, скорость ветра, и толщина снегового покрова;

2.Инженерно-геологическое строение грунтов(табл. 2) и их начальная температура на дату начала расчёта (табл. 3);

3.Теплофизические свойства геологических слоёв (табл. 4): теплопроводность и теплоёмкость в талом и мёрзлом состоянии, кривая незамёрзшей воды, температура фазового перехода, плотность грунта;

4.Технические характеристики термостабилизатора (табл. 5).

Табл. 1 – Климатические данные

Параметр Месяц
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Температура воздуха, оС -27,3 -24,3 -16 -5,3 4,8 13,2 16,4 12,5 4,1 -5 -19,5 -26,8
Скорость ветра, м/с 2,3 2,1 2,1 2,4 2,4 2,1 1,8 1,8 1,9 2,3 2,3 2,4
Высота снежного покрова, м 0,28 0,31 0,32 0,27 0 0 0 0 0 0,14 0,19 0,25
Плотность снега, кг/м3 275 300 320 330 0 0 0 0 0 180 220 240

Табл. 2 – Мощность грунтов по каждой скважине

  Мощность геологического слоя, м
Название геоло-гического слоя Скв. 1 Скв. 2 Скв. 3 Скв. 4
ИГЭ-1 1,5 1 1,9 0,7
ИГЭ-2 1,9 1,2 3 1,5
ИГЭ-3 0,8 1,2 1 2
ИГЭ-4 2,4 2 1 4
ИГЭ-5 3 3,8 2,5 1
ИГЭ-6 2,7 2 4 4
ИГЭ-7 1,7 1,8 0,6 0,8

Табл. 3 – Температурное распределение по глубине грунта на 01.10.2016

Глубина, м Температура, оС
0 2,22
1 1,35
2 -0,42
3 -0,40
4 -0,38
5-6 -0,36
7-10 -0,35
11-14 -0,34

Рис. 1 – Расположение геологических скважин в Редакторе 2D программного комплекса

Табл. 4 – Теплофизические свойства грунтов

Наименование параметра материала Наименование материала
ИГЭ1 ИГЭ2 ИГЭ3 ИГЭ4 ИГЭ5 ИГЭ6 ИГЭ7
Температура, оС Температурное распределение по глубине грунта на 01.10.2016
Объемная теплоемкость талого грунта, МДж/(м3оС) 2,78 3,17 3,17 2,78 2,31 2,39 2,31
Объемная теплоемкость мерзлого грунта, МДж/(м3оС) 2,06 2,41 2,41 2,26 2,14 2,08 2,14
Теплопроводность талого грунта, Вт/(м•оС) 1,91 1,57 1,57 2,26 1,62 2 1,62
Теплопроводность мерзлого грунта, Вт/(м•оС) 2,14 1,8 1,8 2,62 1,74 2,2 1,74
Суммарная весовая влажность грунта, д.е. 0,14 0,29 0,57 0,23 0,27 0,21 0,18
Плотность сухого грунта, кг/м3 1550 1450 1030 1590 1470 1630 1710
Число пластичности, lp 0,01 0,10 0,10 0,01 0,05 0,01 0,06
Температура фазового перехода, оС -0,1 -0,21 -0,26 -0,24 -0,31 -0,27 -0,32

Табл. 5 – Технические характеристики и схема термостабилизатора

Конденсатор

1 – конденсаторная часть;

2 – транспортная часть;

3 – испарительная часть

Диаметр, мм 34
Длина надземной части, м 1,5
Оребрение конденсатора
Тип оребрения поперечное, круглое
Диаметр ребер, мм 70
Шаг ребер, мм 2,5
Число ребер, шт, 300
Толщина ребер, мм 1
Материал ребер; теплопроводность, Вт/(м∙оС) Алюминий; 203,5
Испаритель (без вставок)
Диаметр, мм 34
Длина подземной части, м 13
Длина теплоизолированного участка, м 2

Необходимо рассчитать тепловое состояние грунта при воздействии сезонно-действующего охлаждающего устройства в течение 5 лет его использования с 01.10.2018 по 01.05.2024.

СОЗДАНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ РАСЧЕТНОЙ ОБЛАСТИ

Геолого-литологическое строение грунтов, состоящее из различных инженерно-геологических элементов (ИГЭ), восстанавливается на основании нескольких инженерно-геологических скважин с помощью методов  трёхмерной интерполяции.

Размеры моделируемой области необходимо брать таким образом, чтобы годовой ход температуры не влиял на тепловое состояние грунта глубже температур нулевых теплооборотов. Также необходимо учесть воздействие термостабилизатора и отдалить боковые и нижнюю грани расчётной области на столько, чтобы на этом расстоянии не было его влияния на тепловое распределение грунта. На основании этих рассуждений было решено взять расчётную область размером 25х25х30 метров (рис. 2). Т.к. известно геологическое строение грунта только до 14 метров от поверхности грунта, было решено увеличить мощность последнего слоя грунта (ИГЭ-7) ещё на 16 метров.

Рис. 2 – Созданная трехмерная расчётная область

Теплофизические свойства грунтов (табл. 4) необходимо создать в базе данных программного комплекса (рис. 3), после чего присвоить их для каждого из слоев грунта, а также задать начальную температуру по всей глубине расчётной области (рис. 4). Кривую незамёрзшей воды можно задать табличной зависимостью или в соответствии со СНИП 2.02.04 в зависимости от числа пластичности грунта.

Для последующего моделирования воздействия СОУ на грунты, на трёхмерной сцене создаётся лишь её испарительная часть (рис. 5). Транспортная часть не моделируется, т.к. она никак не влияет на тепловое состояние грунта и находится в сезонно активном слое, конденсаторная часть также явно не моделируется, а учёт всех конструктивных параметров СОУ описывается в специальном граничном условии в базе данных Frost 3D Universal.

ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАТОРА

Как было упомянуто ранее, моделируется только испарительная часть СОУ, на которое задаётся соответствующее граничное условие ГУ на СОУ, созданное в базе данных (рис. 6). В ГУ на СОУ необходимо задать следующие значения:

  1. Годовой ход температуры воздуха в рассматриваемой местности.
  2. Коэффициент теплообмена, который определяет интенсивность конвективной теплоотдачи конденсатора в атмосферу. Данный коэффициент можно рассчитать в калькуляторе условий теплообмена Frost 3D Universal в зависимости от скорости и конструктивных особенностей конденсатора (рис. 7, 8).
  3. Разность температур – температурные потери между грунтом и конденсатором, состоящие из величины перегрева хладагента для начала его пузырькового кипения, температурного глайда хладагента, гидростатической депрессии и потерь за счет поглощаемого конденсатором видимого и теплового излучения. Температурный глайд – потеря температуры при переходе из жидкого состояния в парообразное. Температурная депрессия – потеря температуры на преодоление гидростатического давления пузырьками пара. Если испаритель пологонаклонный, или если запас жидкого хладагента мал, то температурная депрессия близка к нулю.
  4. Тепловое сопротивление термостабилизатора – здесь: полезная часть температурного напора между грунтом и конденсатором, отнесенная к плотности теплового потока из конденсатора в атмосферу, К⁄(Вт⁄м2). Значение данного параметра можно вычислить, умножив термическое сопротивление (К⁄Вт) между грунтом и конденсатором при большом температурном напоре (позволяющем пренебречь температурными потерями) на площадь конденсатора.
  5. Конструктивные параметры СОУ:
  • радиус трубы испарительной части;
  • площадь испарительной части, контактируемой с грунтом;
  • площадь оребрения конденсаторной части, контактируемой с окружающей средой.

Параметр «Автоматическое отключение СОУ» обеспечивает прекращение работы СОУ при условии, если температура на поверхности оребрения конденсаторной части превышает среднее значение температуры грунта, контактируемой с испарительной частью термостабилизатора с учётом разности температур.

Рис. 6 – Задание параметров нового граничного условия для сезонно-действующего охлаждающего устройства

Рис. 7 – Вычисление коэффициента теплообмена конденсаторной части СОУ с воздухом

Рис. 8 – Рассчитанный коэффициент теплообмена для конденсатора СОУ с воздухом

ЗАДАНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ НА ГРАНИ РАСЧЁТНОЙ ОБЛАСТИ

После создания трёхмерной модели расчётной области, необходимо на её гранях задать следующие граничные условия, которые также предварительно необходимо создать в базе данных:

 

  • На верхней грани расчетной области необходимо задать граничное условие 3 рода (рис. 9), где необходимо ввести периодически изменяемую температуру воздуха по времени (рис. 10) и коэффициент теплообмена (рис. 11). Коэффициент теплообмена грунта с воздухом рассчитывается из скорости ветра. В холодное время года на коэффициент теплообмена также влияет высота снежного покрова (рис. 12) и его плотность (рис. 13), значения которых можно задать в соответствующих параметрах граничного условия.

 

  • На боковой поверхности задается тепловой поток равный нулю, т.к. боковые грани находятся на достаточно отдалённом расстоянии от СОУ и предполагается, что температура грунта за боковой границей расчётной области будет соответствовать температуре внутри расчётной области у её границы.

 

  • На нижней грани расчетной области задается постоянная температура многолетнемёрзлых грунтов равная -0,34 oC, т.к. нижняя граница находится на достаточном удалении от источников тепла и на неё не будет воздействовать работа СОУ.

Рис. 9 – Задание граничных условий на поверхности грунта

Рис. 10 – Зависимость температуры воздуха от времени

Рис. 12 – Зависимость толщины снежного покрова от времени

Рис. 11 – Зависимость коэффициента теплообмена от времени

Рис. 13 – Зависимость плотности снежного покрова от времени

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Тепловой расчет компьютерной модели производился на 5 лет, начиная с 1 октября 2018 года и заканчивая 1 мая 2024 года. Влияние сезонно-действующего охлаждающего устройства на грунт представлено ниже в виде цветового распределения температуры и доли незамёрзшей воды в моделируемой области на 15 число каждого месяца (Рис. 14, 15).

Рис. 14 – Температурный режим грунтов в поперечном сечении моделируемой области в месте расположения СОУ

Рис. 15 – Доля незамёрзшей воды в грунте в поперечном сечении моделируемой области в месте расположения СОУ

На основе полученных результатов расчёта, автоматически создаётся график холодопроизводительности всей поверхности испарительной части СОУ (Рис. 16). Данный график может быть использован для оценки эффективности термостабилизатора в рассматриваемых климатических условиях.

Рис. 16 – Автоматически созданный график холодопроизводительности СОУ за всё время моделирования