文档介绍：冻土区埋地热油管道周围土壤水热力耦合数值模拟的研究
引言
对于穿越季节性冻土及多年冻土区的埋地管道,最常见的安全问题就是冻害破坏[1]。基于冻土区埋管沿线地质条件复杂,土体含水量差异较大,土层地下水位高低不同等主要制约冻胀因素的存在,当环境温度降至冰点以下,土壤中的液态水冻结相变体积增大,同时孔隙水和外来补给水将伴随着水分向冻结前锋迁移,形成冰晶或冰夹层,使土体体积膨胀,产生不均匀冻胀[2],加之周期不可逆的冻融循环,致使管道周围一定空间内土体发生冻胀融沉。冻胀和融沉会对管壁产生额外的应力在适当条件下会引起应力集中和塑性变形[3],造成管道失稳甚至破裂。因此研究冻土区埋地热油管道周围土体的水热力耦合问题具有实际意义。
1. 冻土问题研究的进程
170年前人们就对冻土进行了研究,当时由于受到实验条件和技术水平的影响直至19世纪前期,冻土及其温度场的研究仍处在初步探索阶段。1890年,俄国成立了冻土研究委员会,此后才广泛开展了对冻土问题的研究。进入20世纪,苏联经历了1945—1960年,1961—1971年两个较快的冻土发展期,此间普遍开展了与冻土温度场有关的热力学,工程热物理,土壤水热改良,工程建筑稳定性等方面为主的理论研究[4]。70年代以后,计算机和数值方法在苏联冻土领域广泛应用,使以前难以解决的复杂几何形状和地质条件,考虑热质交换的非线性问题在深度和广度上都有了新的进展。北美和西欧等寒区以内的国家,也通过对自然资源的开发推动了冻土及相关学科的研究。国内在冻土领域的研究起步较晚,仅有40年的历史,20世纪50年代,余力教授开始对人工冻结凿井温度场进行研究[5]。但研究多是在室内外观测和实验,并通过经验方程进行计算。李宁[6]等将冻土力学按内容分成应用冻土力学和实验冻土力学,并对冻土在不同负温,土性,初始含水量,载荷强度下进行系统研究,并提出了相应的实验拟合数学力学模型。70年代后期,才逐渐开展非线性相变温度场的研究。80年代初,各寒区国家的学者利用其它学科的成就快速推动了冻土研究的步伐。研究方向开始向着多维多相非线性问题和多场相互耦合问题发展,[7]第一个建立水热耦合数学模型。基本思想是把冻土中未冻水的迁移过程类似的看成非饱和土体的水分迁移过程,据此建立模型。随后Fremond et al[8]基于能量守恒,熵不等概念以流动率与自由边界正交的原则,建立了热质传递耦合方程。Osokin et al[9]考虑了冻结锋面处湿度及水分迁移,给出了雪盖密度与导热系数关系的经验公式。Goering et al[10]建立了多孔介质中气,热耦合三维数学模型,与室内模拟实验相比,误差较小。胡和平[11]等对冻结条件下非饱和土体水,热耦合运移问题进行了研究,建立了水热耦合数学模型,并采用有限差分法对土体冻结过程进行数值模拟,经试验验证,结果较吻合。
20世纪80年代以来,各国学者在水,热,力研究的基础上对冻土水热力耦合问题进行了大量的研究工作,并取得了一些有价值的成果。Chen和Wang等从冻胀经验公式出发,建立了各种半经验公式。Shen Mu和B . Ladanyi[12]等人在Harlan流体动力学的基础上,把迁移的水分量简化等效成一附加变形而作用在应力场上,建立了三场准模型。ensten[13]等学者基于次冻胀理论与冰