冻土区埋地管道周围土壤水热力耦合作用的数值模拟

【摘要】：目前,我国与俄罗斯,哈萨克斯坦等国家共同铺设的跨国输油管道工程现已陆续完成,从俄罗斯和哈萨克斯坦引进的石油及天然气管道都经过我国东北部冻土区。而在漠河——大庆段管道穿越我国东北多年冻土区,土壤的冻胀和融沉问题已成为影响此管道工程安全的重要因素。本文从传热学、渗流力学及冻胀力学三方面理论入手,系统地研究了季节冻土区土壤的热物性参数及其在不同条件下的变化情况,深入分析冻土的温度场、水分场之间的关系,以及埋地输油管道在冻土温度场、水分场和应力应变场多场耦合作用影响下发生的冻胀和融沉变形。 主要研究成果总结如下: 基于温度场方程的寒区埋地管道经济埋深的数值计算 建立寒区埋地管道周围土壤温度场的非稳态控制方程,重点考虑埋地管道的初始条件和边界条件,即土壤周期性变化的初始温度、地表不同日平均温度、土壤是否冻结等因素对管道温度场的影响。对某埋地输油管道的土壤温度场发展情况进行了数值模拟,分析了相同时间内、不同埋设深度处土壤温度场的变化趋势,从而确定油气管道比较合适的埋设深度。研究了在非冻结状态和冻结状态时土壤温度场的变化情况。并通过不同深度管道年经济费用的对比,得到埋地管道较为经济的埋设深度。 冻土区埋地管道周围土壤水热耦合问题的数值计算 针对冻土区土壤中冻土和融土两种不同介质,考虑相变潜热和水分迁移,计算了冻土区埋地管道周围土壤的温度场,并对结果进行分析。结果表明,水分迁移和相变潜热对土壤中的传热有一定的影响,尤其对输油温度不稳定情况下影响显著。在冷热原油输送过程中,油品温度有较大变化,同时会引起周围温度场的变化,在计算中应考虑相变和水分迁移。 沼泽发育冻土区埋地管道周围土壤水热耦合问题的数值计算 建立作为多孔介质土壤水热耦合的数学模型和有限容积理论的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程,并合理设定边界条件。计算出沼泽发育冻土在一段时间内的土壤温度场、融化圈曲线和水分迁移速度矢量图,得到冻土的冻融过程是受温度变化和水分迁移共同影响的结论。探求不同埋地管道保温层厚度对沼泽冻土区土壤冻融速度的影响关系。研究水分迁移速度与土壤温度、冻土融化的变化情况。分析土壤的孔隙率和渗透率对土壤温度场的影响。 冻土区埋地管道周围土壤水热力耦合问题的数值计算 分析冻土区土壤冻胀和融沉的机理,建立了冻土区土壤水热力耦合作用的数学模型,对模型进行离散化和有限元求解。探讨冻土的土壤温度、水分含量对冻结应力的影响和土壤冻结应力的计算方法,计算某埋地管道在运行一段时间后,土壤在地表大气温度影响下的温度场、水分场和冻胀应力应变场情况。研究埋地管道周围土壤发生的冻胀位移和冻胀应力。土壤的温度场、水分场和应力应变场具有密切的相互耦合关系。在埋地管道弯曲变形的基础上,计算出管道的弯曲应力和应变,并判断是否发生应力破坏。