版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進(jìn)行舉報或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡介
Aconvection-conductionmodelconditionsinsurroundingrockapermafrostregionsHEChunxiong(何雄),KeyofFrozenSoilGeocryology,ChineseAcademyofLanzhouofAppliedUniversityofTechnology,China)WU吳汪ZHULinnan(朱林楠keyofFrozenSoilChineseAcademyofLanzhouChina)ReceivedFebruary8,Abstractonanalysesoffundamentalhydrogeologicalconditionsofinthecombinedmodelforflowinfieldinhasbeenconstructed.thetemperatureinthe2hasnumerically.resultsinagreementwiththebasedinconditionsofsirpressure,windhydrogeologyengineeringgeology,betweenonofthetunnelwallandtheexitofthehasthefreeze-thawconditionsatDabanshanwhichnowconstructionisKeywords:incoldheatexchangeconduction,AofhighwayrailwaytunnelsbeeninregionsneighboringinChina.thethermal
conditionsaftertunnelwasexcavatedsurroundingwallrocktheheavingcausedtolinerseepingwatericewhichwithtransportation.SimilarproblemsthefreezingdamageinthetunnelsappearedinlikeRussia,Japanitispredictfreeze-thawconditionsinthesurroundingrockprovideabasisforthedesign,maintenanceofnewincoldregions.Manytunnels,inregionsortheirneighbouringareas,throughthebeneathpermafrostbase.Aftera,theoriginalthermodynamicalconditionsinthawreplacedmainlybyairconnectionswithouttheheatconditionsprincipallybyofflowinthetunnel,thecoefficientsofconvectiveheattransferwall,geothermalheat.Inordertopredictfreezeandconditionsofwallof,theaxialvariationsofairtemperatureandcoefficientsofconvectivetransfer,Lunardinidiscussedconditionstheapproximateformulaeobtainedinofoutsidecircularwithof.Wetheconditionsofatunnelwallsimilarlytheperiodicchangesofthetemperature.Infact,thetemperaturesofthesurroundingwallaffectotherfindvariationstheinfurthermore,isdifficulttoquantifyofconvectiveexchangeattheofwall.Thereforeitisnottodefineonofthetunnelwallaccordingtooutsideaircombineflowconvectiveheatex-changeheatconductioninthesurroundingrockmaterialinto,theconditionsofrockmaterialinconditionsofair,pressure,windatentryexitofthetheconditionsofgeology.Mathematical
Inordertoconstructappropriatemodel,weneedtheinsitufundamentalconditionsaba-sisusesceneofDabanshanDabanshanisonthefromofRiver,atanof3754.78-3m,withof1530analignmentfromsouthwesttonortheast.tunnelrunsfromthesouthwesttheSincemonthly-averagetemperatureisbeneathforattunneltheconstructionwouldforseveral,therockmaterialswouldbecomeduringtheconstructionconcludepatternofflowwouldmainlydominantwindspeedat,andofthetemperaturebetweentheinsideoutsideoftunnelwouldbe.Sincedominantwindnortheastatinwinter,airinthewouldgotoentry.thewindtrendisinsummer,pressuretheoftheexittheflowinthetunnelwouldbefromthesincespeedatsiteislowwecouldthatflowwouldbeprincipally,simplifytheto,thatflowaretheaxisofthetunnel,Ignoringinfluenceofaironthespeedofairflow,obtainthefollowingequation:
wherexaretimeandcoordinates;Uandspeeds;Tistemperature;is,pressuredividedbydensity);vair;aofLtheofRistheequivalentoftunnelDtheoftimeaftertheconstruction;,S(t),S(t)thawedpartsinrockfrespectively;
f
,
u
Cf
u
thermalconductivitiesvolumetricthermalcapacitiesinfrozenandthawedpartsrespectively;(x,(t)phasechangefront;Lhheatlatentoffreezingwater;Tocriticalfreezingof(assumeTo=℃).2forsolvingWefirstconcerningatthattheofthesurroundingrockdoesaffectspeedofconcerningthespeedofairflow,andthensolveeveryelapse.2.1usedfortheSincefirstthreein(1)thesecond
byxthethirdequationbyr.Afterpreliminaryobtainfollowingellipticconcerningp:in(1)usingthefollowingprocedures:(i)Assumefor,V0;(ii)substituting,V0into(2),(2),weobtainp0;(iii)solvingfirstsecond,U0,(iv)thefirstthirdof(1),U2,V2;(v)themomentum-averageofv1andU2weobtainnewU0,returnto(ii);(vi)aboveuntildisparityofthosesolutionsiniterationsissufficientlysmallissatisfiedweofp0V0asinitialforelapseconcerning2.2EntireusedforsolvingmentionedthetemperaturefieldofrocktheairflowaffectThusoftunneltheboundaryoffieldintheboundaryoffieldinairflowitisdifficultseparatelyidentifythetemperaturewallindependentlyconcerningthetemperatureofairflowthoseconcerningofthe.Inordertowiththissimultaneouslyofbasedonfactthatthetunnelwallsurfacebothequal.Weshouldinthephasewhileconcerningthetemperatureofrockthewhilesolvingofairflow,onlyneedtorelativeatwall.Thefor
thewithphasesamein2.3DeterminationofboundaryoftheUsingp=H,calculatepHairusing
PwhereTisabsolutetemperature,andGthehumidityconstantofLettingC
P
becapacitywithfixedpressure,thermalconductivity,dynamicofcalculatetheusingformulasa
CP
and
.Thethermalofrockfromtunnel2.3.2oftheconditionsobservedaveragewindspeedtheexitasboundaryconditionsofwind,andchoosethe(that,theofthewindtrend)and
pkLd)/[5]theof(thatexitofthedominant)wherektheofresistancealongthetunnelwall,d=2R,andvistheaverageWeapproximateTbythesinethethesceneprovideasuitableboundarybasedthepositionofthegeothermalofthawrockbeneathpermafrostbase.3Asimulatedthethemethodmentionedabove,welawofinthewiththeattheentryexitofNo.2thatthesimulatedresultsaretothedataTheXiluoqiNo.2locatedtheinpassesthroughbeneathpermafrostbase.Ithasaof
160fromnorthwesttowiththeofinthenorthwest,andelevation700Thedominantwindinthefromtowithamaximumspeedofm/sandminimummonthly-averagespeedof1.7.Basedthedataobserved,approximatesinelawofwithyearlyaveragesof,℃of℃17.6respectively.Thediameteris5.8mtheresistantcoefficientthetunnelwalliseffectofthermalparameteroftheonairmuchthanthatofwindspeed,temperaturetheexitwereferdataobservedinDabanshanTunnelforthethermalparameters.1thesimulatedairtemperatureinsideatentryoftunnelwithdata.Wethatisthan0`Cfromthe2showsacomparisonofobservedmonthly-average(distancegreater100fromentryexit)tunnel.Wethattheisthesame,themainreasonfortheistheerrorsthatfromvaryingatentryexit;,monthly-averagetemperatureofnotforJulyfor4Predictionoffreeze-thawconditionsforDabanshanTunnel4.1Thermalparameterandtheelevationof800mtheyearly-averageairtemperatureof-3℃,we
ddcalculatetheairp=0.774kg/m
.SincesteamIntheair,wechoosethethermalcapacitywithfixedofair/(0),heatp
W/(0C)thedynamic
9.218
).Aftercalculationthethermala=1
2
/skinematic,
2
/sConsideringthattheofautomobilesisthatoftheauto-mobilespassthroughtunnellowspeedweignorecomingfrommovementautomobilesinofair.Weconsiderrockaandchoosecavity
d
/
3
ofwaterwaterW=3%W=1%,thermal
1.9W/.
c
,
f
2.0/
o
capacity0.8kJ/.V
candCf
w)uu11
dtodatathesitemaximummonthly-averagespeedisabout3.5m/s,theminimummonthly-averagespeedis2m/s.Weapproximatethewindspeedattheexitv(t)to
m/s,tisinmonth.ThespeedinrU(0xr)U()R
),(0xr)TheoftemperatureTaresettobewheref(x)fromthepermafrostofdo-mainofsolutionassumethatthe3%,theairoutsidetunnelis
0
,amplitudeis
B=120foroffirstsolveR=Rothefirsttypeofthatisassumethat3%
0
findthat,theheatflowwillhaveinrangeofradiusbetween5andinthesurroundingthewillbecooleritwillaffectedbygeothermalappoximatelythattheboundaryR=Roisthesecondtypeofthatis,thatfromcalculationtotheoffirstexcavationthefirstofboundaryvalue,isthegradientonR=RoofConsideringsurroundingrocktoduringperiodofconstruction,calculatefromJanuaryanditerateofunderboundary.lettheboundaryvarysolvebycanbeprovedthesolutionwillnottheofaftermanytimeelapses).4.2CalculatedresultsFigures3and4showtheofmonthly-averagetemperaturesonofwallalongwiththevariationsatentry.Figs.5and6thepermafrostbeginstoformandthethawedafterpermafrostformeddifferentsections.
4.3Preliminaryconclusionthermalparametersabove,wefollowingpreliminary1)Theonthesurfacewallofapproximatelytoairatentryexit.Itwarmerthecoldandcoolerduringseasonintheinternal100mfromtheexit)ofthe.1thattheinternalonofthetunnelis℃higherinDecember,1℃higherinMarchOctober,1.6lowerinJuneandandlowerinJulythetemperatureattheentryInotherinfernaltemperatureonofwallapproximatelythetemperatureatentryexit.2)Sinceitisbythegeothermalintheinternalsurrounding,inthecentralofthe
onofwalldecreasesand1℃thatatentryexit.3thethatthesurroundingiscompact,withoutaamountalayer(asPUwithofmand
=0.0216℃,F(xiàn)BTwithofmconductivity=0.0517W/m℃,inyeartunnelconstruction,thesurroundingrockwillbegintoformpermafrostintherangeofmfromexitfirstsecondyearthewilltoformpermafrostintheof40andfromtheentryexit.Incentral,fromentrywillformtheeighthNeartheofthe,permafrostwillappearintheyears.Duringfirstsecondafterpermafrostformed,maximumofannualdepth(especiallythecentralpartoftherocksection)thereafteritdecreasesTheofannualthawedwillstablethe19-20thyearswillremaininof2-34)Ifpermafrostentirelyinsurrounding,thepermafrostwillprovidebefavourablefor.However,intheprocessofconstructionlotofinsomeofwillinseepingwaterresultinginthelinerworkwillbereportedelsewhere.
嚴(yán)寒地隧道圍巖凍狀況分的導(dǎo)熱與對換熱模何春雄吳紫汪朱林楠(中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室)(華南理工大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系)摘
要通過對嚴(yán)寒地區(qū)隧道現(xiàn)場基本氣象條件的分析立了隧道內(nèi)空氣與圍巖對流換熱及固體導(dǎo)熱的綜合模型;此模型對大興安嶺西羅奇2號隧道的洞內(nèi)氣溫分布進(jìn)行了模擬計算,結(jié)果與實測值基本一致;分析預(yù)報了正在開鑿的祁連山區(qū)大坂山隧道開通運營后洞內(nèi)溫度及圍巖凍結(jié)、融化狀況關(guān)鍵詞
嚴(yán)寒地區(qū)隧道
導(dǎo)熱與對流換熱
凍結(jié)與融化在我國多年凍土分布及鄰近地區(qū),修筑了公路和鐵路隧道幾十座由于隧道開通后洞內(nèi)水熱條件的變;,普遍引起洞內(nèi)圍巖凍結(jié),造成對襯砌層的凍脹破壞以及洞內(nèi)滲水凍結(jié)成冰凌等,嚴(yán)重影響了正常交通類似隧道凍害問題同樣出現(xiàn)在其他國家(蘇聯(lián)、挪威、日本等)的寒冷地區(qū)如何預(yù)測分析隧道開挖后圍巖的凍結(jié)狀況為嚴(yán)寒地區(qū)隧道建設(shè)的設(shè)計施工及維護(hù)提供依據(jù)這是一個亟待解決的重要課題.在多年凍土及其臨近地區(qū)修筑的隧道數(shù)除進(jìn)出口部分外從多年凍土下限以下巖層穿過隧道貫通后,圍巖內(nèi)原有的穩(wěn)定熱力學(xué)條件遭到破壞,代之以阻斷熱輻射、開放通風(fēng)對流為特征的新的熱力系統(tǒng).隧道開通運營后,圍巖的凍融特性將主要由流經(jīng)洞內(nèi)的氣流的溫度、速度、氣—固交界面的換熱以及地?zé)崽荻人_定.為分析預(yù)測隧道開通后圍巖的凍融特性Lu-nardini借用Shamsundar究圓形制冷管周圍土體凍融特性時所得的近似公式,討論過圍巖的凍融特性.我們也曾就壁面溫度隨氣溫周期性變化的情況,分析計算了隧道圍巖的溫度場實際情況下,圍巖與氣體的溫度場相互作用,隧道內(nèi)氣體溫度的變化規(guī)律無法預(yù)先知道,加之洞壁表面的換熱系數(shù)在技術(shù)上很難測定而由氣溫的變化確定壁面溫度的變化難以實本文通過氣一固禍合的辦法,把氣體、固體的換熱和導(dǎo)熱作為整體來處理從洞口氣溫風(fēng)速和空氣濕度壓力及圍巖的水熱物理參數(shù)等基本數(shù)據(jù)出發(fā),計算出圍巖的溫度場.
1學(xué)模型為確定合適的數(shù)學(xué)模型,須以現(xiàn)場的基本情況為依據(jù).這里我們以青海祁連山區(qū)大坂山公路隧道的基本情況為背景來加以說明.大山隧道位于西寧一張業(yè)公路大河以南,海拔3754.78~3801.23,全長m道近西南—東北走向.由于大坂山地區(qū)隧道施工現(xiàn)場平均氣溫為負(fù)溫的時間每年約長個月之施工時間持續(xù)數(shù)年圍巖在施土過程中己經(jīng)預(yù)冷所以隧道開通運營后洞內(nèi)氣體流動的形態(tài)主要由進(jìn)出口的主導(dǎo)風(fēng)速所確定受洞內(nèi)圍巖地溫與洞外氣溫的溫度壓差的影響較小季祁連山區(qū)盛行西北風(fēng)將從隧道出曰流向進(jìn)口端,夏季雖然祁連山區(qū)盛行東偏南風(fēng)但考慮到洞口兩端氣壓差溫度壓差以及進(jìn)出口地形等因素,洞內(nèi)氣流仍將由出口北端流向進(jìn)口端另外,由于現(xiàn)場年平均風(fēng)速不大,可以認(rèn)為洞內(nèi)氣體將以層流為主基于以上基本情況,我們將隧道簡化成圓筒,并認(rèn)為氣流、溫度等關(guān)十隧道中心線軸對稱,忽略氣體溫度的變化對其流速的影響,可有如下的方程其中t為時間x為軸向坐標(biāo)r為徑向坐標(biāo)U,V分別為軸向和徑向速度T為溫度,有效壓力(即空氣壓力與空氣密度之比少,V為氣運動粘性系數(shù),a空氣的導(dǎo)溫系數(shù)L隧道長度隧道的當(dāng)量半徑D為時間長(t)f
()別為圍巖的凍區(qū)域u
f
分別為凍狀態(tài)下的熱傳導(dǎo)系數(shù),uf
u分別為凍、融狀態(tài)下的體積熱容量,,t為凍、融相變界面,To為巖石凍結(jié)臨界溫度(里具體計算時取
C),L為水的相變潛熱h2求解過程由方程(知,圍巖的溫度的高低不影響氣體的流動速度,所以我們可先解出速度,再解溫度.2.1連續(xù)性方程和動量方程的求解由于方程((1)的前3個方程不是相互獨立的,通過將動量方程分別對和求導(dǎo),經(jīng)整理化簡,我們得到關(guān)于壓力P如下橢圓型方程:于是,對方程(1)中的連續(xù)性方程和動量方程的求解,我們按如下步驟進(jìn)行:設(shè)定速U
0
,
0
;(U入方程并求解,得P0聯(lián)立方程(的第一個和第二個方程,解得一組U1,1聯(lián)立方程((1)的第一個和第三個方程,解得一組U
2
,
2
;對((3)得到的速度進(jìn)行動量平均,得新U
0
,
0
返回(2);按上述方法進(jìn)行迭代到前后兩次的速度值之差足夠小.0,U,V0為本時段的解,一時段求解時以此作為迭代初值2.2能量方程的整體解法如前所述圍巖與空氣的溫度場相互作用壁面既是氣體溫度場的邊界又是固體溫度場的邊界壁面的溫度值難以確定我們無法分別獨立地求解隧道內(nèi)的氣體溫度場和圍巖溫度為克服這一困難,我們利用在洞壁表面上,固體溫度等于氣體溫度這一事實隧道內(nèi)氣體的溫度和圍巖內(nèi)固體的溫度放在一起求
解,這樣壁面溫度將作為末知量被解出來只是需要注意兩點:解流體溫度場時不考慮相變和解固體溫度時沒有對流項;在洞壁表面上方程系數(shù)的光滑化另外,帶相變的溫度場的算法與文獻(xiàn)[相同2.3參數(shù)及初邊值的確定熱參數(shù)的確定方法用計算出海拔高度為的隧道現(xiàn)場的大氣壓強(qiáng),再
P
計算出現(xiàn)場空氣密度,其中T現(xiàn)場大氣的年平均絕對溫度為空氣的氣體常數(shù)記定壓比熱C,導(dǎo)熱系數(shù),空氣的動力粘性系數(shù)P為a
CP
和
計算空氣的導(dǎo)溫系數(shù)和運動粘性系數(shù).圍巖的熱物理參數(shù)則由現(xiàn)場采樣測定.初邊值的確定方法:洞曰風(fēng)速取為現(xiàn)場觀測的各月平均風(fēng)速取卞導(dǎo)風(fēng)進(jìn)曰的相對有效氣壓為,主導(dǎo)風(fēng)出口的氣壓則取為pkL/d
2
/2
[5]
,這里k隧道內(nèi)的沿程阻力系數(shù),L為隧道長度,為隧道端面的當(dāng)量直徑,為進(jìn)口端面軸向平均速度.進(jìn)出口氣溫年變化規(guī)律由現(xiàn)場觀測資料,用正弦曲線擬合,圍巖內(nèi)計算區(qū)域的邊界按現(xiàn)場多年凍土下限和地?zé)崽荻却_定出適當(dāng)?shù)臏囟戎祷驕囟忍荻?計算實例按以上所述的模型及計算方法們對大興安嶺西羅奇號隧道內(nèi)氣溫隨洞曰外氣溫變化的規(guī)律進(jìn)行了模擬計算驗證,所得結(jié)果與實測值[6]相比較基本規(guī)律一致.西羅奇2號隧道是位十東北嫩林線的一座非多年凍土單線鐵路隧道,全長1160,隧道近西北一東南向,高洞口位于西北向,冬季隧道主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng).洞口海拔高度約為700月平均最高風(fēng)速約為低風(fēng)速約為1.7m/s.根據(jù)現(xiàn)場觀測資料,我們將進(jìn)出口氣溫擬合為年平均分別為-5
0
和-
0
變化振幅分別為
0
和
0
的正弦曲
線.道的當(dāng)量直徑為5.8沿程阻力系數(shù)取為由于圍巖的熱物理參數(shù)對計算洞內(nèi)氣溫的影響遠(yuǎn)比洞口的風(fēng)速壓力及氣溫的影響小得多我們這里參考使用了大坂山隧道的資料.圖1出了洞口及洞內(nèi)年平均氣溫的計算值與觀測值比較的情況從進(jìn)口到出口,兩值之差都小于0.2
0
圖出了洞內(nèi)(距進(jìn)出口l00m以上月平均氣溫的計算值與觀測值比較的情況可以看出溫度變化的基本規(guī)律完全一致造成兩值之差的主要原因是洞口氣溫年變化規(guī)律之正弦曲線的擬合誤差,特別是年隧道現(xiàn)場月平均最高氣溫不是在7份,而是在8月份.4對大坂山隧道洞內(nèi)壁溫及圍巖凍結(jié)狀況的分析預(yù)測4.1參數(shù)及初邊值按大坂山隧道的高度值3800m和年平均氣
0
,我們算得空氣密度
0.774kg/3比[7]kJ/m導(dǎo)熱系數(shù)
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 算法設(shè)計與分析 課件 7.11-回溯法 - 總結(jié)
- 2024年鄭州小車客運資格證模擬考試
- 2024年太原客運駕駛員應(yīng)用能力考試
- 2024年西安客運考試應(yīng)用能力試題答案解析
- 2024年廣州客運駕駛員考試試題題庫及答案
- 2024年紹興客運從業(yè)資格證試題
- 吉首大學(xué)《婦產(chǎn)科學(xué)》2021-2022學(xué)年第一學(xué)期期末試卷
- 吉林藝術(shù)學(xué)院《數(shù)字?jǐn)M音》2021-2022學(xué)年第一學(xué)期期末試卷
- 2024年供銷社聯(lián)營企業(yè)協(xié)議書模板
- 吉林師范大學(xué)《中國稅法》2021-2022學(xué)年第一學(xué)期期末試卷
- 中國融通資源開發(fā)集團(tuán)有限公司社會招聘筆試
- DL∕T 1919-2018 發(fā)電企業(yè)應(yīng)急能力建設(shè)評估規(guī)范
- 自學(xué)考試數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重點總結(jié)各章講義精講
- 《中國糖尿病地圖》要點解讀
- 醫(yī)療設(shè)備定價政策
- GB/T 44151-2024增材制造用鎂及鎂合金粉
- 國開2024年《中國法律史》平時作業(yè)1-3答案
- 2024石油天然氣工業(yè)鈦合金感應(yīng)加熱彎管
- 家政服務(wù)合同終止協(xié)議
- DZ∕T 0295-2016 土地質(zhì)量生態(tài)地球化學(xué)評價規(guī)范(正式版)
- 腎內(nèi)科相關(guān)專業(yè)知識:腎內(nèi)科測試題(題庫版)
評論
0/150
提交評論