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《辽宁石油化工大学》 2011年
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冻土区埋地管道周围土壤水热力耦合数值计算

杜明俊  
【摘要】:冻土又称含冰土,是由多孔介质土骨架、冰晶体和未冻水共同组成的复合土体。按照冻结时间可分为短时冻土、季节冻土和多年冻土。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,其长期强度远低于瞬时强度的特征,导致了冻土工程必须面临两大危害,冻胀和融沉。对于穿越季节性冻土及多年冻土区的埋地管道最常见的安全问题就是冻害破坏。由于冻土环境的水热敏感性使管道对下伏冻土的破坏具有一定的滞后性,从而使冻土对管道的不利影响往往在投产一定时间后才逐渐显现出来。因此,为了确保管道安全稳定运行,必须对影响冻土工程安全的冻胀融沉问题进行深入研究,考虑冻土温度场,水分场,应力场,三场的相互制约,掌握冻胀、融沉过程,正确预估冻融危害,制定科学有效的防害方法具有实际意义。 基于土壤是一种天然的多孔介质,本文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,利用有限容积法对冻土区埋地管道周围土壤水热耦合温度场进行数值计算。并采用有限单元法对计算后的水热耦合温度载荷列阵进行冻胀应力、应变分析。 本文的主要工作: (1)水分迁移、冰水相变对冻土温度场的影响。 建立多孔介质水热耦合模型和热传导模型,分别对饱和含水冻土和无水冻土两种临界状态进行数值计算。分析水分对冻土温度场及埋地管道非稳态传热的影响。 (2)非饱和冻土(多孔介质)水热耦合数学模型的建立。 阐述多孔介质内多相(水相-气相)传质机理,建立非饱和冻土水、气、热耦合数学模型,分析不同含水率对冻土温度场的影响。 (3)以中俄原油管道冻土工程为例,进行水热力耦合数值计算。 中俄原油管道沿线约有50km的沼泽发育冻土,可视为饱和含水冻土带,借助有限容积法对该区内埋地管道周围土壤进行水热耦合数值计算,并利用有限单元法,对计算后的水热耦合温度场进行冻胀应力,应变分析。 (4)冻土多孔介质水热力耦合数学模型初探 总结前人的研究成果,结合渗流力学,传热传质学,工程热物理学,工程力学,初步建立冻土(多孔介质)水热力全耦合数学模型。
【学位授予单位】:辽宁石油化工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TE973

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