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. 1 – 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).
Рис. 2 – 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/(м3∙оС) | 2,78 | 3,17 | 3,17 | 2,78 | 2,31 | 2,39 | 2,31 |
| Объемная теплоемкость мерзлого грунта, МДж/(м3∙оС) | 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.
Рис. 3 – Задание теплофизических свойств грунтов
Рис. 4 – Задание начального распределения температуры в грунте по глубине
Рис. 5 – Созданная трехмерная расчётная область с сезонно-действующим охлаждающим устройством
Особенности моделирования работы термостабилизатора
В базе данных для описания работы термостабилизатора необходимо задать следующие значения:
- Годовой ход температуры воздуха в рассматриваемой местности.
- Коэффициент теплообмена воздуха с поверхностью конденсатора, который определяет конвективный теплообмен оребрённой трубы термостабилизатора с воздухом. Данный коэффициент можно рассчитать в калькуляторе условий теплообмена Frost 3D в зависимости от конструктивных особенностей конденсатора (рис. 7, 8).
- Разность температур между конденсатором и испарителем – суммарные температурные потери за счет разности давлений, в частности, гидростатических давлений в среднем и верхнем слоях кипящего хладагента.
- Тепловое сопротивление термостабилизатора – характеризует дополнительные температурные потери при передаче тепла от грунта к испарителю. Значение данного параметра определяется из экспериментальных значений температуры на испарителе и конденсаторе при определенном значении тепловой нагрузки на СОУ.
- Конструктивные параметры СОУ:
- радиус трубы испарительной части;
- площадь испарительной части, контактируемой с грунтом;
- площадь оребрения конденсаторной части, контактируемой с окружающей средой.
Рис. 6 – Задание параметров для описания работы 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
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