寒区埋地管道周围土壤温度场确定.doc

寒区埋地管道周围土壤温度场的确定 　　摘 要：建立寒区埋地管道周围土壤温度场的计算方程，并讨论不同地表温度与土壤含水量的情况下，土壤温度场的变化。分析保温材料导热系数与保温层厚度对管道散热量的影响，这两项是对管道散热量影响很大的两项。管内水温对管道散热量影响也很大，管道埋深与保温材料的导热系数对保温层厚度的影响很大。随随着材质热导率的增加，所需的保温层厚度越大。在管道埋深较大时，管道埋深和管道外径对保温层厚度影响较大。在确定保温层厚度时，要从管道埋深，保温材料，管径等多方面考虑，以选择最合适的保温层厚度 关键词：管道；保温；温度场 在对寒区村镇的供水管道保温防冻进行调研之后，为输水管线保温方式的确定提供了依据。在确定保温方式之前，首先要确定埋地管道周围的土壤温度场。在寒冷地区冻害是最常见的埋地管道遇到的工程问题。当空气温度下降到0℃以下，当土壤水分开始结冰，发生冻胀。因此，需要确定管道周围土壤的温度场 1 土壤温度场模型的建立 1.1 土壤冻胀机理 土壤中的水分不断冻结和融化是水的相变过程，土壤中水分释放热量，温度降低。当温度降低到起始温度降低到起始冻结温度，在土壤中的水分开始冻结。由于土壤中水分存在的形式和状态的不同，导致冷冻过程是不一样的。当给水管道铺设在季节性冻土中时，会与周围的环境不断地发生热交换，当管内温度达到冰点甚至是冰点以下时，管内的水就会结冰，并挂在管壁上，导致流通断面减小，冰塞会阻碍水的流动，因此发生冻害。且管外温度越低，发生冻害的机率就越大，这一因素对冻害是否发生起到决定性。地表温度会随着辐射热发生明显变化，由于土壤的导热性不强，使得土壤的温度随土层厚度的增加而而受气温的影响逐渐变小。气温的降低导致冻土层深度的加深 1.2 土壤温度场模型的建立 1.2.1 管道物理模型的建立。模拟埋地管道周围土壤的温度场时，温度的变化表现出周期余弦规律，而不同深度下的温度的振幅衰减不同。深度h的土壤温度可以被认为是保持不变的，被称为恒定的温度。上述理论分析是温度场的假设土壤是均质的，忽略同一深度的水平温度变化形成的。土壤中可被认为类似于半无限均质体，温度变化仅发生在深度方向上，土壤温度场分布为一维。水平径向距离管道（即图示于x轴方向，其中，对热量的影响是很小的，可以被认为是绝热的（即没有热交换），在管道的径向距离l的水平一定可以被认为是绝热的；地球表面，是第三类边界条件；忽略轴向方向的温度变化，埋地管道的物理模型；长2L，该矩形区域中的热量的不规则区域的深度h 1.2.2 数学模型的建立。在冬季，计算最冷月时埋深对土壤温度场的影响。温度的周期变化可忽略，认为此时处在稳定工况下。本文引用的稳态条件 在此种工况下：（1）给水管道的管壁与管内的介质存在对流换热，属于第三类边界条件，在流动工况下，忽略管内介质的温度变化，忽略管壁的厚度。（2）地表与空气直接接触，存在对流换热与辐射换热，以对流换热为主，属于混合边界条件，下边界为定温边界。整个模型土壤的左右边界均认为是绝热边界条件 1.2.3 网格划分。由于本文所研究的模型为圆柱体，各个方向截面相同，因此，可简化为二维模型进行模拟运算。对二维模型进行面网格划分，面网格类型主要有一下三种：四边形网格、三角形网格以及四边形和三角形相结合的网格。结构化网格有H型网格、O型网格、C型网格和混合型网格等。本文的管道模型是圆柱体的横截面模型，对于圆柱体的网格划分，通常使用O型网格进行划分。在ICEM中建立此模型，为了更好的反映出数据变化规律，适应计算数据分布特点，在计算数据变化率较大的部位，需要采用比较密集的网络，而在计算数据变化率比较小的部位，则应用相对稀疏的网格，即采用非均匀化网格 2 土壤温度场的影响因素分析 2.1 地表温度对土壤温度场的影响 管内水初始温度t=7℃；土壤导热系数为1.8（w/mk）；大地表面换热系数？琢w=17.5W/（m2℃）。水管采用焊接钢管。根据此条件，对埋地管道周围的土壤进行温度场分析 通过模拟结果可以看出，地表温度对土壤温度场的影响很大，尤其是在土壤深度比较小的时候。当地表温度为-5℃时，土壤的0℃温度线在地下1.3米左右。而地表温度为-20℃时，土壤的0℃温度线已经达到1.8～2.0m左右。但当土壤温度达到一定深度的时候，地表温度对土壤温度的影响就会减弱 在大庆附近地区，冬季最冷月的地表平均温度在-20℃左右，则通过模拟计算的结果可知，此地区的0℃温度线在1.8m。因此，可得到大庆及周边地区的冰冻深度在1.8～2.0m左右 2.2 管道埋深对土壤温度场的影响 管内水初始温度7℃；土壤导热系数为1.8（w/mk）；大地表面换热系数？琢w=17.5W/（m2℃）。水管采用焊接钢管。