凍土區(qū)埋地管道周圍土壤水熱力耦合作用的數(shù)值模擬.pdf

1、目前,我國與俄羅斯,哈薩克斯坦等國家共同鋪設(shè)的跨國輸油管道工程現(xiàn)已陸續(xù)完成,從俄羅斯和哈薩克斯坦引進(jìn)的石油及天然氣管道都經(jīng)過我國東北部?jī)鐾羺^(qū)。而在漠河——大慶段管道穿越我國東北多年凍土區(qū),土壤的凍脹和融沉問題已成為影響此管道工程安全的重要因素。本文從傳熱學(xué)、滲流力學(xué)及凍脹力學(xué)三方面理論入手,系統(tǒng)地研究了季節(jié)凍土區(qū)土壤的熱物性參數(shù)及其在不同條件下的變化情況,深入分析凍土的溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)之間的關(guān)系,以及埋地輸油管道在凍土溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)和應(yīng)力

2、應(yīng)變場(chǎng)多場(chǎng)耦合作用影響下發(fā)生的凍脹和融沉變形。本研究主要內(nèi)容如下：
　　 ⑴基于溫度場(chǎng)方程的寒區(qū)埋地管道經(jīng)濟(jì)埋深的數(shù)值計(jì)算。建立寒區(qū)埋地管道周圍土壤溫度場(chǎng)的非穩(wěn)態(tài)控制方程,重點(diǎn)考慮埋地管道的初始條件和邊界條件,即土壤周期性變化的初始溫度、地表不同日平均溫度、土壤是否凍結(jié)等因素對(duì)管道溫度場(chǎng)的影響。對(duì)某埋地輸油管道的土壤溫度場(chǎng)發(fā)展情況進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了相同時(shí)間內(nèi)、不同埋設(shè)深度處土壤溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì),從而確定油氣管道比較合。適的埋

3、設(shè)深度。研究了在非凍結(jié)狀態(tài)和凍結(jié)狀態(tài)時(shí)土壤溫度場(chǎng)的變化情況。并通過不同深度管道年經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的對(duì)比,得到埋地管道較為經(jīng)濟(jì)的埋設(shè)深度。
　　 ⑵凍土區(qū)埋地管道周圍土壤水熱耦合問題的數(shù)值計(jì)算。針對(duì)凍土區(qū)土壤中凍土和融土兩種不同介質(zhì),考慮相變潛熱和水分遷移,計(jì)算了凍土區(qū)埋地管道周圍土壤的溫度場(chǎng),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明,水分遷移和相變潛熱對(duì)土壤中的傳熱有一定的影響,尤其對(duì)輸油溫度不穩(wěn)定情況下影響顯著。在冷熱原油輸送過程中,油品溫度有較大

4、變化,同時(shí)會(huì)引起周圍溫度場(chǎng)的變化,在計(jì)算中應(yīng)考慮相變和水分遷移。
　　 ⑶沼澤發(fā)育凍土區(qū)埋地管道周圍土壤水熱耦合問題的數(shù)值計(jì)算。建立作為多孔介質(zhì)土壤水熱耦合的數(shù)學(xué)模型和有限容積理論的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程,并合理設(shè)定邊界條件。計(jì)算出沼澤發(fā)育凍土在一段時(shí)間內(nèi)的土壤溫度場(chǎng)、融化圈曲線和水分遷移速度矢量圖,得到凍土的凍融過程是受溫度變化和水分遷移共同影響的結(jié)論。探求不同埋地管道保溫層厚度對(duì)沼澤凍土區(qū)土壤凍融速度的影響關(guān)系。研

5、究水分遷移速度與土壤溫度、凍土融化的變化情況。分析土壤的孔隙率和滲透率對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響。
　　 ⑷凍土區(qū)埋地管道周圍土壤水熱力耦合問題的數(shù)值計(jì)算。分析凍土區(qū)土壤凍脹和融沉的機(jī)理,建立了凍土區(qū)土壤水熱力耦合作用的數(shù)學(xué)模型,對(duì)模型進(jìn)行離散化和有限元求解。探討凍土的土壤溫度、水分含量對(duì)凍結(jié)應(yīng)力的影響和土壤凍結(jié)應(yīng)力的計(jì)算方法,計(jì)算某埋地管道在運(yùn)行一段時(shí)間后,土壤在地表大氣溫度影響下的溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)和凍脹應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)情況。研究埋地管道周圍