Исследование теплообмена в грунтах и строительных материалах

• Автор: Аксенов, Борис Гаврилович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1983
• Место защиты: Тюмень
• Количество страниц: 162 c. : ил

В В Е Д'Е Н И Е

Актуальность проблемы. В Постановлении ноябрьского (1982г.) Пленума ЦК КПСС подчеркивается, что наряду с решением Продовольственной программы важнейшее значение имеет бесперебойная работа всех энергосистем, планомерное развитие топливно-энергетического комплекса. Необходимым условием этого является прирост только в 1983 году первичных энергетических ресурсов примерно на 41 млн. тонн условного топлива.
В связи с этим очевидно значение, которое имеет интенсивное освоение месторождений нефти и газа в районах севера Западной Сибири, которые являются главной энергетической базой страны.
Фронт работ по разведке и добыче полезных ископаемых смещается все дальше в районы Прилолярья и Заполярья. Крупномасштабная хозяйственная деятельность в этих районах осложнена суровыми климатическими условиями. Понижение среднегодовой температуры по мере продвижения на север имеет многочисленные последствия, из которых одно из наиболее важных - исключительная роль, которую начинают играть процессы перераспределения тепла в грунтах,особенно в области распространения вечномерзлых пород. От распределения температур и тепловых потоков в толще деятельного слоя зависят не только физико-механические свойства грунтов, но и интенсивность развития криогенных процессов ( термокарст, морозное трещгоюобразова-ние,пучение,наледи и др.).
Особое значение имеют теплофизические процессы в верхней части деятельного слоя, являющейся объектом различного рода техно3 -
генных воздействий. В этом слое процессы теплообмена носят резко нестационарный характер, причем с изменением температуры вследствие фазовых переходов влаги изменяются важнейшие прочностные характеристики грунта. Поэтому постоянно ведутся комплексные (как экспериментальные, так и теоретические) исследования, призванные обеспечить надежный долгосрочный прогноз температуры грунтов деятельного слоя. Сказанным определяется важность изучения механизмов теплообмена в грунтах, создания надежных физических и математических моделей,разработки практических рекомендаций и методов расчета.
Целью настоящей работы является исследование основных процессов теплообмена в грунтах, дисперсных строительных материалах и массивах льда на основе оригинального приближенного аналитического метода решения нелинейных задач теплопроводности, имеющего строгое математическое обоснование и гарантированную точность решения.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

1) Проанализировать работы мерзлотоведов и теплофизиков по вопросам теплообмена в дисперстных средах и полупрозрачных телах, выделить основные механизмы теплообмена и математические модели, наиболее полно отражающие реальные процессы.

2) Разработать метод решения соответствующих нелинейных задач теплопроводности.

3) Используя этот метод, построить приближенные решения конкретных задач в форме, удобной для практического использования, довести решение до числа, проанализировать полученные результаты.
4) Дать общие рекомендации по применению разработанного метода для исследования процессов теплообмена в грунтах.

5.Провести работу по внедрению этого метода в практику ин-‘ женерных расчетов в ГИПРОТПЛЕННЕВ)ТЕГАЗе и в учебный процесс ТюмИСИ.
В результате проведенных исследований получены следующие результаты, определяющие научную новизну диссертационной работы:
1) Разработан математический аппарат, позволяющий применять теоремы сравнения для нелинейных задач с немонотонными граничными условиями, в том числе периодическими. Зависимость коэффициентов от температуры также может быть практически любой.
2) Разработана методика последовательного улучшения верхних и нижних оценок точного решения до получения любой заданной величины абсолютной погрешности.
3) Построены приближенные решения задач теплообмена в грунтах с учетом фазовых переходов влаги в спектре температур.
4) Построены решения задач радиационного теплообмена в грунтах и радиационно-кондуктивного теплообмена в массивах льда.
5) Решена задача о промерзании грунта в постановке, учитывающей неравновесные эффекты.
6) Решена задача периодического теплообмена в грунтах.
7) Проведено сравнение результатов с известными точными и приближенными методами.
8) Проверена эффективность данного метода, для чего использованы результаты эксперимента.
9) Исследовано влияние различных факторов на точность решения задач теплообмена в грунтах.
10) С целью расширения сферы приложения метода решена практически важная задача о десорбции вещества из зерен ионита.
11) Даны общие рекомендации по применению полученных резуль-

Краевые условия здесь (4.5) - (4.6). Решение этой задачи для
автомодельной переменной -г — _=£— имеет вид:
® Я
***№-
Из (4.5) находим =• 1/с ;
Л?