Содержание к диссертации
Введение
1.Анализ состояния вопроса и задачи исследований 9
1.1. Виды фундаментов зданий и сооружений в районах вечной мерзлоты 14
1.2. Термическая устойчивость грунтовых оснований зданий и сооружений 26
1.3. Охлаждающие системы и методы их расчетного обоснования 33
1.4. Выводы и задачи исследований 39
2. Аэро - термодинамические процессы в элементах воздушных охлаждающих систем 42
2.1. Аэродинамическая система вентилятор — распределительный коллектор — колонки 42
2.2. Тепловые процессы в вентиляторе и распределительном коллекторе 58
2.3. Тепловые процессы в одиночной колонке в виде рекуперативного теплообменника «труба в трубе» в режиме противотока 62
2.3.1. Вход воздуха в колонку через внутреннюю (центральную) трубу 62
2.3.2. Вход воздуха в колонку через кольцевое пространство 66
2.3.3. Особенности термодинамических расчетов колонок ВОС 67
2.3.4. Оценка условий образования инея внутри охлаждающих колонок 72
3. Термодинамические процессы в грунтовом массиве 76
3.1. Тепловые и фазовые процессы, обусловленные воздействием наружного воздуха через поверхность грунтового массива 76
3.2. Возможные виды кустов колонок 80
4. Математическое моделирование теплового взаимодействия охлаждающих колонок с грунтовыми основаниям зданий и сооружений 85
4.1. Математическая постановка задачи 86
4.2. Численная реализация модели и алгоритм решения 93
4.3. Анализ имеющихся данных и результаты вычислительного эксперимента 100
4.4. Повышение эффективности систем воздушного охлаждения грунтовых оснований 122
Основные выводы 126
Список литературы 127
- Термическая устойчивость грунтовых оснований зданий и сооружений
- Аэродинамическая система вентилятор — распределительный коллектор — колонки
- Возможные виды кустов колонок
- Анализ имеющихся данных и результаты вычислительного эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. Общеизвестно, что мерзлые грунты в качестве основания надежны только при обеспечении расчетных отрицательных температур. Деградация вечномерзлой толщи или снижение ее устойчивости при повышении температуры могут привести к катастрофическим последствиям: потере несущей способности грунтов основания, недопустимым деформациям фундаментов и, как следствие, к разрушению зданий и сооружений. Практикой искусственного охлаждения вечномерзлых грунтов с помощью различных типов охлаждающих систем доказаны такие преимущества воздушных охлаждающих систем (ВОС), как экологичность, относительная простота практической реализации, высокие технико-экономические показатели и др. Однако широкое применение таких систем затруднено рядом важных обстоятельств (отсутствие достаточно достоверных методов расчета ВОС, а также достоверных методов термодинамических расчетов колонок в составе ВОС, учитывающих динамику температурного поля в грунтовом массиве от теплового воздействия не только колонок ВОС, но и наружного воздуха через поверхность грунта
и др.). При этом практически все имеющиеся методы расчета теплового воздействия колонок на окружающий грунт основаны на предположении о известном (заранее заданном) расходе воздуха в колонках. По указанным причинам актуальной является задача разработки метода прогноза динамики температурного поля грунтового массива, сложенного как несвязными, так и связными грунтами, и являющегося элементом сложной аэро- и термодинамической системы.
Цель диссертационной работы – комплексное изучение всех аэродинамических и термодинамических элементов системы воздушного охлаждения грунтовых оснований фундаментов, то есть системы подачи воздуха в охлаждающие колонки и самого грунтового основания.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
-
Для создания однородного мерзлого массива необходимо модифицировать метод расчета аэродинамической системы ВОС с возможным подбором типа нагнетателя и определением параметров дроссельных устройств на входе в колонки из условия равенства в них расходов воздуха.
-
Модифицировать математическую модель теплового взаимодействия ВОС с неоднородным грунтовым массивом основания, сложенным несвязными или связными грунтами с учетом фазовых переходов вода лед.
-
Обосновать технические возможности использования ВОС в промышленном и гражданском строительстве в районах Крайнего Севера и определить возможные регионы их применимости.
Научная новизна:
-
Разработан метод расчета аэротермодинамических процессов в системе принудительной подачи наружного воздуха в колонки ВОС, позволяющий: определить рабочую точку аэродинамической системы: нагнетатель распределительный коллектор сеть колонок; подобрать местные сопротивления на входе в колонки из условия обеспечения равенства в них расходов воздуха.
-
Создана методика определения условий возможного образования инея в охлаждающих колонках, основанная на использовании эмпирического соотношения между температурой конденсации влаги (точкой росы) и температурой и влажностью атмосферного воздуха, а также – алгоритма вычисления интенсивности теплообмена в системе охлаждения. При этом состояние атмосферы оценивается по климатическим данным.
-
Предложена математическая модель сопряженного теплообмена при взаимодействии системы охлаждающих колонок с грунтовым массивом, в которой учтены неравномерность теплофизического состояния охлаждаемого грунта и его теплообмен с атмосферным воздухом. Для решения данной задачи выбран наиболее современный вычислительный алгоритм, в котором использован метод сквозного счета для решения задач теплопроводности с фазовыми переходами, метод дробных шагов для решения многомерных уравнений и алгоритм прогонки.
-
Выявлены основные особенности динамики температурного поля охлаждаемого массива, в том числе и его фазового состояния, что позволяет регулировать этот процесс в зависимости от начального состояния объекта, от метеорологических факторов во время проведения работ, а также предложить технически несложные способы повышения эффективности работы систем охлаждения.
Основные защищаемые положения:
1. Аэротермодинамические методы регулирования режимов и выбора параметров воздушных охлаждающих систем грунтовых оснований зданий и сооружений, позволяющие определить рабочую точку аэродинамической системы, подобрать местные сопротивления на входе в колонки из условия обеспечения равенства в них расходов воздуха.
2.Особенности динамики температурного поля охлаждаемого массива, заключающиеся в следующем: а) скорость изменения температуры мерзлой зоны больше, чем талой; б) распределение температуры по глубине грунта немонотонно, что объясняется тепловой инерционностью охлаждаемого грунта, характером изменения температуры атмосферного воздуха и состоянием поверхности строительной площадки; в) из-за циклического изменения температуры наружного воздуха во второй половине периода охлаждения возможна такая ситуация, при которой со временем температура охлажденного грунта будет ниже температуры воздуха.
Практическая значимость работы состоит в разработке:
методики выбора нагнетателя ВОС, соответствующего определенным параметрам разветвленной аэродинамической сети, включая дроссельные устройства на входе в колонки, обеспечивающие равенство в них расхода воздуха;
пакета программ для ЭВМ по расчету параметров аэродинамической сети ВОС и термодинамических процессов в связных и несвязных грунтах основания;
рекомендаций по управлению работой охлаждающей системы в зависимости от температурного режима атмосферного воздуха и термодинамических условий охлаждаемого грунта, что позволяет выбрать оптимальные сроки работы нагнетателей.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
соответствием математических моделей исследуемых процессов основным закономерностям теории теплопереноса и использованием современных достижений прикладной математики при создании вычислительных алгоритмов и реализующих их программ;
отсутствием принципиально важных допущений, снижающих точность расчетов;
качественным соответствием полученных результатов имеющемуся опыту эксплуатации отдельных элементов системы воздушного охлаждения грунтовых оснований.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на XXVII теплофизическом семинаре СО РАН (2004 г.), на научной конференции молодых ученых Республики Саха (Якутия) (2004 г.), на Республиканской научно-практической конференции (Якутск, 2004 г.), на научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин) (2003, 2004 и 2005 г.), а также экспонировались на республиканских (Республика Саха (Якутия)) ярмарках молодежных инновационных проектов «Молодежь. Наука. Бизнес» в 2003 г. (третье место и Диплом Правительства Республики Саха (Якутия) III степени за проект «Повышение термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений с помощью воздушных замораживающих систем») и в 2004 г. (первое место и Диплом I степени за проект под тем же названием).
Публикации. Основные положения работы опубликованы в четырнадцати печатных трудах, в том числе в одной монографии, в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК (пять статей).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы (132 наименования), 88 рисунков и 4 таблицы. Общий объем диссертации 137 страниц.
Работа выполнялась в Северо-Восточном федеральном университете им. М.К. Аммосова по ведомственной научной программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (подпрограмма «Развитие инфраструктуры научно-технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала», раздел «Развитие системы научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников», проект 8422-ВНП «Повышение термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений с помощью воздушных замораживающих систем»).
Автор считает необходимым выразить глубокую признательность и искреннюю благодарность научным руководителям: д.т.н, проф. Бондареву Э.А., д.т.н., проф. Попову Ю.А., а также д.т.н., проф.Местникову А.Е. за ценные замечания и рекомендации, к.ф-м.н. Рожину И.И. за оказанную помощь и консультации при решении задач математического моделирования, директору инженерно-технического института, д.т.н.Корнилову Т.А. и коллективу кафедры строительного производства Северо-Восточного федерального университета.
Термическая устойчивость грунтовых оснований зданий и сооружений
Вопрос о термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений имеет существенное практическое значение. Мерзлые грунты в качестве основания надежны только при соблюдении расчетных отрицательных температур. Деградация вечномерзлой толщи может привести к катастрофическим последствиям: потере несущей способности грунтов основания, недопустимым деформациям фундаментов и, как следствие, - к разрушению зданий и сооружений (рис. 1.15-1.17).
В естественных условиях величина температуры грунта деятельного слоя непрерывно меняется. Ее период и амплитуда зависят от географического расположения площадки строительства, метеорологических факторов, снегоотложений, времени года и других условий тепло- и массообмена.
Прогнозу термической устойчивости вечномерзлых грунтов посвящены работы Н.А. Цытовича [116 - 121], Н.И. Салтыкова [120], Г.В. Порхаева [22, 83-85], Г.М. Фельдмана [84], В.К. Щелокова [84-85], Л.Н. Хрусталева [23, 115], Х.Р. Хакимова [113,114], С.С. Вялова [23, 24], Ю.Я. Велли [20] и др. При этом Н.А. Цытович определил понятие температурной устойчивости вечномерзлои толщи грунтов следующим образом: «Под температурной устойчивостью вечномерзлых грунтов, или точнее, устойчивостью отрицательного температурного поля вечномерзлых грунтов мы будем понимать такое температурное состояние вечномерзлых грунтов, когда в течение длительного времени (соизмеримого со сроком эксплуатации основных сооружений) не будет происходить общего повышения температуры толщи вечномерзлых грунтов, не будет иметь места деградация вечномерзлых грунтов. Устойчивость температурного режима вечномерзлои толщи грунтов на застраиваемой территории будет обеспечена, если глубина промерзания грунта в основании сооружений, вычисленная на основе баланса тепла по фактической средней месячной температуре грунта на различных глубинах, его влажности-льдистости, теплопроводности и теплоемкости и учета теплопотери полом здания, будет больше глубины его летнего оттаивания, определенной тем же методом» [120, стр. 284].
В соответствии с [119] на температурный режим вечномерзлых грунтов влияют не только первоначальные геокриологические условия, но и многочисленные факторы, которые можно разделить на три группы: общие, локальные и специфические (рис. 1.21). К общим факторам относятся составляющие внешнего теплового и влажностного обмена, к локальным - воздействие открытых водоемов, водотоков, различного рода зданий и сооружений (особенно с положительной температурой внутри помещений), а также подземных коммуникаций; к специфическим - гидрогеологические особенности (наличие межпластовых вод и т.п.), особый режим снежных отложений, минерализация грунтовых вод и др.
В зависимости от геолого-географических и геокриологических особенностей района результаты внешних воздействий могут быть весьма различны: в районах с высокотемпературной толщей вечномерзлых грунтов может наблюдаться деградация вечномерзлых толщ и понижение ее верхней границы, в других районах усиление отрицательной температуры и повышение границы вечномерзлых толщ.
Исследования общей термической устойчивости толщи вечномерзлых грунтов, выполненные Л.Н. Хрусталевым [115], показали следующее:
1) влияние отапливаемых зданий и сооружений на температуру вечномерзлой толщи распространяется на расстояниях порядка нескольких десятков метров от зданий и сооружений;
2) существенное значение для установления направления изменений температуры вечномерзлой толщи имеет температура грунта на глубине нулевых годовых амплитуд, а также величина среднеинтегральной температуры поверхности грунта;
3) при величине среднеинтегральной температуры поверхности выше нуля не устанавливается стационарного положения чаши протаивания вечномерзлых грунтов под сооружениями (даже без учета подземных тепловых и водных коммуникаций), а имеет место сквозное протаивание вечномерзлои толщи;
4) если среднеинтегральная температура поверхности грунта на застраиваемой территории выше температуры вечномерзлои толщи грунтов на уровне нулевых годовых теплооборотов, то наблюдается деградация вечномерзлых толщ, а если ниже, то развитие вечномерзлых толщ и понижение температуры.
Мерзлый грунт представляет собой сложное природное многофазное образование, все составляющие которого находятся в физическом и физико-химическом взаимодействии, включающее в себя следующие компоненты:
твердые частицы, состоящие из различных минералов, обломков горных пород или органических веществ;
вязко - пластичные включения льда;
вода в связанном и жидком состояниях;
газообразные включения (пары и газы).
Промерзание грунтов сопровождается охлаждением их до температуры кристаллизации свободной воды, началом кристаллизации последней при температуре около О С, превращением в лед некоторого количества связанной воды при температуре ниже О С, а также скачкообразным изменением теплофизических свойств грунтов и их влажности [114]. Многие явления, наблюдаемые при промерзании или оттаивании грунтов, связаны с тем или иным состоянием воды в грунте. Различные категории воды в грунте замерзают при различных значениях отрицательной температуры, а такая категория, как прочносвязанная вода, в фазовых переходах вообще не участвует.
При рассмотрении фазовых процессов в промерзающих (протаивающих) грунтах можно выделить следующие виды влаги:
1) свободная, капиллярно - гравитационная и парообразная влага;
2) связанная влага.
При температурах, близких к 0С, в фазовых процессах участвует только свободная влага. Связанная влага начинает переходить в лед (воду) при температурах ниже ( выше) 0С. По данной причине грунт в общем случае промерзает (протаивает) в некотором спектре температур. Например, Б.А. Красовицкий и А.П. Шадрина [47] предлагают температурный интервал, в котором происходят фазовые процессы за счет связанной влаги, принять равным от 0 до - 5 С. В этом интервале все теплофизические характеристики грунтов зависят от температуры по линейному закону.
Таким образом, промерзающую (протаивающую) грунтовую систему можно рассматривать состоящей из двух зон: зоны талого и зоны мерзлого грунта. В общем случае в талой зоне происходят изменения температуры и фазовые превращения вода - пар и пар - вода; в мерзлой зоне кроме этих процессов происходят фазовые превращения связанная вода - лед (при понижении температуры) и лед -связанная вода (при повышении температуры), а также фазовые превращения лед - пар и пар - лед. На контакте этих зон происходят фазовые превращения свободной поровой воды и льда в пределах широкого диапазона температур замерзания (оттаивания), характерного для данной грунтовой системы.
Аэродинамическая система вентилятор — распределительный коллектор — колонки
Вентилятор - аэродинамический нагнетатель, предназначенный для нагнетания (ВОС с принудительной подачей воздуха) или вытяжки (ВОС с вытяжной системой воздухообмена) воздуха.
Распределительный коллектор - стальной воздуховод прямоугольного сечения, предназначенный для принудительной подачи (вытяжки) воздуха в устья (из устьев) колонок ВОС; проектируется при заданных типе и характеристиках вентилятора из условия равенства расхода воздуха в колонках ВОС: Qki = Qu = = QkH, где N- количество колонок, подсоединенных к одному коллектору.
Колонки ВОС - теплообменник рекуперативного типа «труба в трубе», представляющий из себя коаксиально расположенные внешнюю и внутреннюю стальные трубы и работающие в режиме противотока.
На рис. 2.1 Qe ирв - соответственно расход и давление воздуха на выходе из вентилятора; ph р2, ..., ры - давление воздуха в распределительном коллекторе (РК) перед входом соответственно в 1-ю, 2-ю, ..., N-ю колонки ВЗС; Qki = Qu = = QkN - расход воздуха в соответствующую колонку при соблюдении баланса
Введем следующие допущения:
1. За основную (расчетную) примем ВОС с принудительной подачей воздуха. При этом ВОС с вытяжной системой воздухообмена могут быть легко рассчитаны путем использования метода расчета ВОС с принудительной подачей воздуха, если понятие «движущее давление» заменить на понятие «движущий вакуум».
2. Местные аэродинамические сопротивления (диафрагмы), во-первых, устанавливаются на входе во внутреннюю трубу колонок, во-вторых, подбираются из условия равенства расходов Qu = Qia = = QkN
3. В соответствии с [79] характеристика давления любого центробежного нагнетателя, в том числе вентилятора, может быть аппроксимирована соотношением вида p(Q) = a-Q2+e-Q + c, (2.1) где а,в и с - коэффициенты, рассчитываемые по трем парам значений p-Q с паспортной характеристики вентилятора. В дальнейших расчетах необходимо, во-первых, подтвердить возможность практического использования соотношения (2.1), во вторых, разработать вспомогательный блок программного продукта для оперативного определения коэффициентов а, вис.
4. Влиянием температуры воздуха на характеристику давления вентилятора пренебрегаем.
В свою очередь, расчетный куст вида рис. 2.2 имеет место при взаимном расположении вентиляторов, распределительных коллекторов и колонок в соответствии с рис. 2.3.
Распределительный коллектор - стальной воздуховод прямоугольного сечения (в х И) сечения с переменным (за счет путевого отбора) расходом воздуха колонками ВОС. В соответствии с [38] коэффициент сопротивления трения для труб прямоугольного сечения X равен где Я - коэффициент сопротивления трения для труб круглой формы; к - поправочный коэффициент, равный 1 для труб квадратного сечения и 1,1 для труб с сечением в виде узкой щели; в расчетах принимаем к = 1,05. где АЭК - эквивалентная шероховатость, для стальных труб равная 0,02 ч- 0,1 мм или 0,2-10 ч-0,1-10" , м (принимаем Аэк - 0,05 10 , м); D - приведенный диаметр, равный на расчетном участке коллектора, м/с; v - кинематическая вязкость воздуха при расчетном значении его температуры, м /с.
При аэродинамических расчетах распределительного коллектора без особого ущерба для точности можно пренебречь нагреванием воздуха в вентиляторе и его последующим охлаждением в коллекторе, т.е. температура воздуха в коллекторе принимаем равной расчетному значению среднесуточной температуры воздуха по среднемноголетним данным в соответствии с зависимостью [81]
В ряде литературных источников, например в [38, 76 и др.], распределительный коллектор принимается переменного сечения без объяснения причин такого решения. Очевидно, что с помощью переменного сечения коллектора не представляется возможным обеспечить равенство расходов Qkl - Qia = ... = Qw Этого можно достичь только дифференцированным обоснованием величины дополнительного местного аэродинамического сопротивления на входе во внутреннюю трубу і-й колонки ВОС. Поэтому примем сечение распределительного коллектора постоянным по длине и равным в х h.
Расход воздуха (м3/с) на расчетных участках распределительного коллектора принимаем в соответствии со схемой рис. 2.5
Возможные виды кустов колонок
В гл.2 (см. рис.2.2) обоснован вид наиболее часто встречающегося (расчетного) куста колонок. Однако практика эксплуатации ВЗС показала, что возможны и другие геометрические схемы кустов колонок:
а) куст из двух колонок в одном ряду (рис. 3.2), одна из которых является крайней левой (рис. 3.1, а) или крайней правой (рис. 3.1, б);
а) Колонка ZZ! Колонка ZZ!
б) ZZ Колонка ZZ Колонка
Рис. 3.2. Схема куста из двух колонок, одна из которых крайняя левая (а) или крайняя правая (б)
в) куст из трех колонок при шахматном расположении в двух рядах (рис. 3.4);
Т.В. Завалишиной [35] для случая зимнего бетонирования типовых кустов буронабивных свай, во-первых, обоснованы физические и математические модели температурного и прочностного полей в бетоне буронабивных свай в составе типовых кустов, во-вторых, убедительно доказано, что взаимный тепловой обмен между сваями в составе типовых кустов составляет 15-20 % от теплообмена свай с охлаждающим грунтовым массивом. Автором идеи Т.В. Завалишиной использованы для случая колонок ВОС в составе различных кустов, что изложено как в совместной (с Т.В. Завалишиной) работе [36], так и самостоятельно [65]. Расчетные схемы кустов колонок предоставлены ниже.
Куст из двух колонок в одном ряду, одна из колонок крайняя
Расчетная схема куста показана на рис. 3.7. Для обоснования элементов математической модели куста рис. 3.7 примем:
Расчетная схема куста представлена на рис. 3.8.
Расчетная схема куста и колонки в составе куста показаны соответственно нарис. 3.9 и 3.10.
Расчетные схемы куста и 2-й колонки в составе куста приведены соответственно нарис. 3.11 и 3.12.
Расчетный куст из пяти колонок при их шахматном расположении в трех рядах
Геометрическая схема куста и расчетная схема центральной и периферийной колонок в составе куста приведены соответственно на рис. 3.13 и 3.14.
На рис. 3.14: 1-1 и 2-2 - диагональные оси ТС; 3-3 и 4-4 - внутренние оси ТС.
В отличие от ранее рассмотренных кустов охлаждающих колонок в данном случае необходимо одновременно учесть взаимное тепловое взаимодействие как минимум, двух колонок - центральной и одной периферийной.
Разработки автора опубликованы в следующих статьях [14, 36, 65, 66, 77, 78, 88].
Анализ имеющихся данных и результаты вычислительного эксперимента
Расчеты выполнены при исходных данных, включающих в себя сведения о вещественном составе массива грунтов, о теплофизических характеристиках каждого слоя, данные термометрии, параметров охлаждающих колонок. Недостающие данные были получены из опубликованной справочной или научной литературы.
В табл. 4.1 даны среднемесячные значения температуры воздуха, скорости ветра [25, 96], суммарной солнечной радиации и альбедо поверхности [109] для условий г. Якутска; а в табл. 4.2 - натурные данные изменения температуры по глубине массива грунтов. Значения этих величин между месяцами были аппроксимированы линейными зависимостями. На рис. 4.5 представлен годовой ход среднемесячной температуры воздуха, где началу отсчета времени (0 сут.) соответствует середина октября. График изменения солнечной радиации и альбедо поверхности с течением времени представлены на рис. 4.6 и рис. 4.7 соответственно.
В табл. 4.3 приведены ежедекадные средние данные толщины и плотности снежного покрова для г. Якутска [74]. Следует отметить, что снежный покров представляет собой с геотеплофизической точки зрения промежуточную среду, затрудняющую в холодный сезон теплообмен между грунтом и приземным слоем атмосферы, тем самым, препятствует понижению температуры грунта.
Для проведения расчетов была использована зависимость истинной теплопроводности (без учета массообмена) снежного покрова As (Вт/м-С) от плотности р% (г/см ) [74]
Согласно указаниям Центрального научно-исследовательского института строительства (ЦНИИС), при теплофизических расчетах промерзания-оттаивания пород величину коэффициента конвективного теплообмена рекомендуется назначать в среднем за сутки равной аа = 23.26 Вт/(м С) [74], что и усредняет циклическое изменение коэффициента теплоотдачи ай =15.12 /ц (см. рис. 4.8).
В табл. 4.4 приведены физические свойства грунтов основания здания. Для бетонной отмостки толщиной /гь =0.1 м теплопроводность Ль=2.04 Вт/(м-С), а для стальных труб колонки Лр =58 Вт/(м-С) [97, 100, 101]. Также входными параметрами являются: qph =334.4 кДж/кг; ср=4184 Дж/(кг-С); Вх-\ м; Вх =9 м, Я, =0.047 м, Л2 =0.051 м, Д3 = 0.072 м, Я4 = 0.076 м, G = 0.011 м3/с, Яа =0.0224 Вт/(м-С), va = 11.515 -10"6 м2/с, Рг = 0.72, Ath =Af =0.5 СС. За начало отсчета времени (f = 0 сут) принято 15 октября (рис. 4.9). Пространственная сетка - равномерная с количеством узлов п = 101, w = 451. Тогда шаги сетки по пространству И1 =0.01 м и d =0.02 м. Временная сетка - тоже равномерная с шагом г = 3600 с. При этих параметрах получено, что и, =1.585 м/с, и2 =1.356 м/с, БЦ =12393.3, Re2 =28959.4, ах =8.463 Вт/(м2-С), а2 =31.388 Вт/(м2-С), аг =1.416 Вт/(м2-С).
Из условий проведения работ по охлаждению грунтов (процесс продувки морозным сухим воздухом должен проводиться при дневной температуре атмосферного воздуха -20 С и ниже) и динамики изменения температуры атмосферного воздуха продувку проведем с момента, соответствующего 31 суткам на рис. 4.5 (15 ноября) до 151 суток (15 марта). Тогда общее время работы насоса составит 120 суток, но его можно откорректировать в зависимости от замеров в температурных трубках. В вычислительном эксперименте, когда вся сие-тема охлаждения останавливается, расход принимается равным G = 10 м/с.
В результате вычислительного эксперимента получены температурные поля массива грунтов за счет теплообмена с охлаждающими колонками и наружным атмосферным воздухом для различных моментов времени. На рис. 4.9 -4.18 показаны конфигурации изотерм, где показана половина области между двумя колонками, расположенными на расстояние 2 м друг от друга. Цифры у кривых соответствуют значениям температур. Из рис. 4.9 и 4.10 видно, что до проведения работ по охлаждению грунтов таликовая зона находилась на глубине до 5 м. Мощность таликовой зоны уменьшается с каждым сезоном работы охлаждающей системы (см. рис. 4.12, 4.15, 4.17).
Из кривых на рис. 4.11, 4.12 следует, что граница фазового перехода будет вогнутой относительно оси замораживающих колонок в течении всего периода охлаждения. Вогнутость этой линии означает, что между колонками будут зоны незамерзшего грунта, которые в мерзлотоведении называют фильтрационными «окнами». Это явление было обнаружено О. И. Алексеевой [1] в натурных наблюдениях.
К концу первого года продувки таликовая зона между охлаждающими колонками находится на глубине 4.7 м (рис. 4.12). Из-за тепловой инерционности грунта фронт фазового перехода продвигается даже во время остановки охлаждающей системы. Так, в начале второго года продувки нижняя граница та-ликовой зоны поднимается наверх из-за притока холода от нижележащих слоев массива грунтов, и достигает значения 3.8 м (рис. 4.13). К концу второго сезона работы охлаждающей системы эта глубина уменьшается до 3.2 м (рис. 4.15). В начале третьего года продувки нижняя граница таликовой зоны будет находиться на глубине 2.4 м (рис. 4.16), а к концу - ледопородные линзы между колонками полностью смыкаются (рис. 4.18).
На рис. 4.19 и 4.20 представлена динамика температуры грунтов на контакте с охлаждающей колонкой (г = 0) и на поверхности симметрии между колонками (г = 1 м) при различных глубинах z. Видно, что скорость изменения температуры для мерзлой зоны больше, чем для талой. На характер изменения температур верхних слоев грунта большое влияние оказывает теплообмен с окружающим атмосферным воздухом (кривые 1 на этих рисунках).
