Моделирование и численный анализ динамики температурного поля многолетнемерзлых грунтов при воздействии бесканальных подземных трубопроводов теплоснабжения

• Автор: Акимов, Мир Петрович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Якутск
• Количество страниц: 110 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Бесканальная подземная прокладка тепловых сетей и математическое моделирование промерзания-протаивания
вечномерзлых грунтов
1 Л. Бесканальная прокладка труб с предварительной пенополиуретановой изоляцией
1.2. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент
1.3. Обзор математических моделей процесса промерзания-протаивания многолетнемерзлых грунтов
1.4. Построение разностных схем для фронтовой задачи
Глава 2. Разработка численного алгоритма расчета температурного поля
в системе «труба-грунт
2.1. Постановка задачи
2.2. Разработка алгоритма численного решения задачи методом
конечных разностей
Глава 3. Численный анализ динамики температурного поля грунта при воздействии бесканального подземного трубопровода теплоснабжения..
3.1. Предварительная обработка натурных данных температуры воздуха
3.2. Разработка методики определения толщины теплоизоляции из условия стабилизации глубины оттаивания
3.3. Сопоставление расчетных температурных зависимостей с фактическими данными и уточнение параметров математической
модели
3.4. Численный анализ влияния заглубления трубопровода теплоснабжения на зону оттаивания в основании подземного
трубопроводов теплоснабжения
Заключение
Библиографический список использованной литературы
Приложения
Введение
В настоящее время в Центральной Якутии эксплуатируются опытнопромышленные бесканальные варианты внутриквартальных подземных трубопроводов горячего водоснабжения и теплоснабжения из сшитого полиэтилена, армированного нитью из арамидного волокна (кевлара), с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке. Преимущества такого способа укладки принципиально новых видов труб - из полимерных материалов в заводской теплоизоляции очевидны: они не подвержены коррозии, не зарастают отложениями и потому служат многие десятки лет. Весьма ценным качеством является их гибкость, позволяющая поставлять их на объекты длинномерными отрезками необходимой длины, в подавляющем большинстве случаев обходиться без стыков и проходить повороты трассы без применения фасонных деталей. Такие трубы не требуют компенсаторов. Благодаря малому весу труб, монтажные работы осуществляются без применения грузоподъемной техники [28,49,71,72, 74]. Тем не менее, нормативная база по проектированию и монтажу таких трубопроводов отстает от требований практики. Исследование динамики температурного поля подземного полимерного трубопровода с теплоизоляцией в процессе эксплуатации на вечномерзлый грунт является актуальной задачей, решение которой позволит разработать рекомендации по применению перспективных трубопроводов в регионах холодного климата, а также будет способствовать внесению изменений в существующие отраслевые и строительные нормативные документы [88,89,90,91]. Кроме того, согласно существующим нормативным документам [90] при строительстве тепловых сетей в районах многолетнемерзлых грунтов выбор мероприятий по сохранению их устойчивости должен выполняться на основе расчетов зоны оттаивания мерзлого грунта около трубопроводов. При этом необходимо выполнять многочисленные расчеты в зависимости от типоразмеров труб, толщины теплоизоляции, глубины заложения в грунт и т.д. [3,5,34,50,76].

Необходимость учета теплоты фазового перехода влажного грунта в математической модели оттаивания-промерзания приводит к решению многомерной задачи Стефана, которая является нелинейной и решается в основном численными методами [4,6,7,15,31,48, 80,79]. В то же время, численному моделированию теплового взаимодействия трубопровода с грунтом уделяется недостаточное внимание.
Водяные тепловые сети проектируются, как правило, многотрубными, т.е. рядом с трубой для подачи теплоносителя (подающей трубой) располагается обратная труба, трубы горячего и холодного водоснабжения. Тем не менее, в расчетах влияния многотрубных систем на мерзлые грунты зачастую рассматривают одну трубу с эквивалентным диаметром [16,67]. Именно такой подход выбран в данной работе и поэтому при решении задачи прогнозирования зоны оттаивания грунта ключевой является задача влияния одной трубы теплоснабжения на многолетнемерзлый грунт [2,8,9].
При таком подходе удобнее использовать метод конечных разностей, не требующий больших вычислительных мощностей в отличие от метода конечных элементов. При решении задачи методом конечных разностей трудности возникают вследствие сложности рассматриваемой области. В плоском случае границы расчетной области представляют собой отрезки прямых и полуокружностей, что затрудняет выбор системы координат для построения расчетной сетки. Обычно такую задачу решают, используя уравнение теплопроводности в декартовой системе координат [14,51,70,76]. Такой подход для определения температурного поля в многослойной трубе осложняется ввиду наличия условий теплового контакта между слоями. При исследовании влияния теплоносителя в трубе на тепловое состояние грунта, приближенное задание границ в непосредственной близости от теплообменной поверхности может привести к существенным погрешностям при определении границ оттаивания. Для более точного описания температурного поля в окрестности трубы с теплоносителем перспективным представляется решение

окрестности трубы с теплоносителем перспективным представляется решение задачи теплопроводности в полярных координатах. Естественно, при этом будут приближенно описаны прямые участки границ области, что также снизит точность расчета, но можно предположить, что их влияние на определение границ оттаивания грунта будет значительно ниже.
Рассмотрим задачу определения динамики температурного поля в системе «труба-грунт» без учета наличия связанной воды, а также влагопереноса в процессе промерзания-протаивания грунта. Такие простые модели удобны для отработки алгоритма решения задачи и в дальнейшем, в случае необходимости, могут быть обобщены для более сложных постановок, в том числе с учетом влагопереноса, двухфазной области и т.д.
Примем допущение, что температурный режим теплоносителя в трубопроводе вдоль трубы меняется слабо, а величина заглубления теплопровода практически не меняется по трассе, что позволяет пренебречь тепловыми потоками вдоль теплопровода. Тогда задачу о формировании температурного режима в системе «труба-грунт» можно рассматривать как двухмерную в полярных координатах (рис.1).
Ф = О
Рис. 1. Схема расчетной области грунта вокруг теплопровода.