Математическое моделирование тепло-массопереноса в горных породах с использованием диаграммы фазового равновесия

• Автор: Попов, Владимир Иванович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Якутск
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Введение.
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ПРОМЕРЗАНИЯ И МИГРАЦИИ ВЛАГИ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ ПРИ ЕСТЕСТВЕННО НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ.

1.1 Особенности кристаллизации влаги в горных породах.

1.2 Процессы миграции при кристаллизации влаги

в горных породах.

1.3 Математические модели тепломассопереноса при промерзании горных пород. Основные методы их численной реализации
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КРИОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛЕЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ КОМПОНЕНТОВ ПОРОВОГО РАСТВОРА. РАСЧЕТЫ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ.

2.1 Распределение ионогенного компонента между твердой и

жидкой фазами воды. Расчет равновесного коэффициента захвата

2.2 Выбор функциональной зависимости, для описания фазового состояния влаги в горных породах в области отрицательных температур с учетом адсорбционных сил и засоленности

порового раствора

2.3 Экспериментальное исследование динамики концентрации порового раствора при циклическом замерзании оттаивании
горных пород.
2.4 Экспериментальное исследование диффузионного потока влаги в мерзлую зону при циклическом замерзании оттаивании
горных пород.
2.5 Формирование равновесного размера минеральных частиц
горных пород.
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КРИОГЕННОГО ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ С УЧЕТОМ ДИАГРАММЫ ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОВОЙ ВЛАГИ.
3.1 Формулировка системы уравнений математической модели
тепловлагосолепереноса в горных породах с фазовым
превращением норовой влаги.
3.2 Алгоритм решения системы уравнений тспломассопереноса при фазовых превращениях
с учетом диаграммы фазового состояния поровой влаги
3.3 Результаты расчетов и тестовых сравнений по предложенной и существующим моделям тепломассопереноса в горных
породах при фазовых превращениях.
3.3.1 Сравнение с автомодельным решением задачи Стефана.
3.3.2 Сравнение результатов расчета тепловлагосолепереноса
с экспериментальными данными
3.3.3 Результаты сравнения с расчетами по другим математическим моделям тепломассопереноса при промерзании
Выводы
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ НА ОСНОВЕ ПРЕДЛОЖЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.
4.1 Результаты математического моделирования тепловлагосолепсреноса в горных породах при имитации криогенных
процессов постоянная температура среды
4.2 Результаты математического моделирования тепловлагосолепереноса в горных породах при имитации
криогенных процессов переменная температура среды.
4.3 Моделирование процесса вымораживания влаги при фильтрации влажного, теплого воздуха в пористом материале
с отрицательной температурой
Заключение
Литература


Впервые, с использованием разработанной математической модели получен прогноз процесса неоднородного локального льдонакопления при знакопеременном температурном воздействии на талый массив. Практическая иенность работы Заключается в существенном методическом упрощении и возможности более точного количественного прогноза распределений полей температуры, влажности и концентрации поровых рассолов в горном массиве при знакопеременных температурных воздействиях. Это важно при изучении сезонного перераспределения солей в горных породах, процессов выщелачивания при переработке золотосодержащих руд, химического выветривания пород, а также для прогнозирования других процессов тепломассопереноса с фазовыми превращениями. Это позволяет применять пошаговые методы решения задач и интегрировать алгоритм в имеющиеся пакеты прикладных программ нелинейной по коэффициентам теплопроводности для последующего использования при решении многозонных и многомерных задач, но уже с фазовым превращением. Используемый, методический подход обеспечивает простоту метода решения, и более точные прогнозы. Результаты выполненных исследований нашли практическое применение в виде программных продуктов для расчета тепловлагосолепереноса, переданных Якутскому филиалу института Забайкалпромстройниипроект. Апробация работы. Диссертационная работа и ее отдельные части докладывались на Всесоюзных межведомственных совещаниях Исследование состава строения и свойств мерзлых, промерзающих и оттаивающих пород с целью наиболее рационального проектирования и строительства объектов нефтяной и газовой промышленности Москва г. Геокриологический прогноз в осваиваемых районах Крайнего Севера Москва г На научнопрактической конференциях Якутск г. Новосибирск г. На семинарах кафедр мерзлотоведения МГУ, и теплофизики ЛИТМО, II научно практической конференции Пути решения актуальных проблем добычи и переработки полезных ископаемых Южной Якутии Нерюнгри г На Всеросийской научной конференции Информационные технологии в науке образовании и экономике Якутск г. Неделях горняка г. Якутск г 7ой научно практической конференции Современные проблемы теплофизики в условиях Крайнего Севера Якутск г Публикации По теме диссертации опубликовано 9 работ. Объм и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 0 страницах машинописного текста в том числе рисунков, 2 таблиц, списка литературы из 0 наименований и двух приложений со справкой о внедрении научных результатов диссертационной работы. ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ПРОМЕРЗАНИЯ И МИГРАЦИИ ВЛАГИ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ ПРИ ЕСТЕСТВЕННО НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ. Промерзание горных пород представляет собой процесс кристаллизации влаги, преимущественно из жидкого состояния в присутствии большого количества минеральных и органических частиц, а также растворенных в воде солей и газов. По сравнению с кристаллизацией чистой воды этот процесс в горных породах обладает рядом специфических особенностей . Минеральные частицы дисперсной фазы, посредством силового поля активных центров поверхности, оказывают существенное влияние на процесс кристаллизации находящейся в породе воды. Это влияние сказывается на скорости миграции влаги к растущим кристаллам льда, на температуре замерзания воды, скорости роста кристаллов и пр . Считают 3,4, что кристаллизация влаги в дисперсном материале начинается в центрах пор между частицами, так как в этих местах молекулы воды испытывают наименьшее воздействие со стороны поверхностного поля частиц. С понижением температуры замерзают слои воды, расположенные ближе к поверхности частиц. Процесс кристаллизации воды в глинистых и песчаных породах существенно отличается, в первую очередь в связи с различием в размерах пор. Процессу кристаллизации воды в дисперсной среде всегда предшествует возникновение в порах или на их поверхности способного к дальнейшему росту устойчивого зародыша льда 1,7,8. Низкая скорость образования зародышей обеспечивает малое число растущих кристаллов льда, но их большой размер, что приводит к значительным, результирующим перераспределениям компонентов в системе.