Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Модели тепломассопереноса в грунтах. методы расчета силового взаимодействия подземного трубопровода с грунтом в условиях морозного пучения 10
1.1. Модели и методы расчета процессов тепломассобмена в мерзлом и талом грунте 10
1.2. Теплофизические свойства мерзлых и талых грунтов 19
1.3. Массоперенос в мерзлых и талых грунтах 25
1.4. Теплосиловое взаимодействие промерзающих и протаивающих грунтов с подземным трубопроводом 33
1.5. Экспериментальные исследования теплосилового взаимодействия грунтов с трубопроводом 39
1.6. Выводы по первой главе 41
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование параметров теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с промерзающим грунтом 42
2.1. Экспериментальный стенд для исследования параметров теплосилового взаимодействия 42
2.1.1. Конструкция климатической камеры 44
2.1.2. Конструкция лотка 45
2.1.3. Система терморегулирования модельного трубопровода 46
2.1.4. Автоматизированная система мониторинга температуры грунта и модельного трубопровода 48
2.1.5. Система измерения вертикального перемещения трубопровода 50
2.1.6. Измеритель влажности талого грунта 52
2.1.7. Система мониторинга давлений в грунте 52
2.1.8. Система измерения деформации модельного трубопровода 54
2.2. Методика проведения экспериментального исследования теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с промерзающим глинистым грунтом 54
2.3. Экспериментальное исследование параметров теплосилового взаимодействия подземного модельного трубопровода с глинистым грунтом 58
2.4. Результаты и выводы по главе 2 65
ГЛАВА 3. Теплосиловое взаимодействия линейной части подземного трубопровода с окружающим его морознопучинистым грунтом 67
3.1. Физическая модель тепломассопереноса в грунте 67
3.2. Уравнение баланса массы фаз в контрольных объемах 69
3.3. Уравнение баланса внутренней энергии многофазной среды в контрольных объемах 74
3.4. Граничные и начальные условия задачи нестационарного тепломассопереноса в грунтах 79
3.5. Силовое взаимодействие подземного трубопровода с морозопучинистым грунтом 82
3.6. Расчетная схема теплосилового взаимодействие подземного трубопровода с морознопучинистым грунтом 85
3.7. Результаты и выводы по главе 3 88
ГЛАВА 4. Расчетно - параметрическое исследование теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с окружающим грунтом 89
4.1. Численная реализация модели теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с окружающим грунтом 89
4.2. Сопоставление модели теплосилового взаимодействия с данными экспериментального исследования 92
4.3. Исследование влияния температуры трубопровода и температуры наружного воздуха на параметры теплосилового взаимодействия трубопровода с грунтом 95
4.4. Исследование влияния интенсивности миграции влаги на параметры теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с грунтом 150
4.5. Исследование влияния толщины снежного покрова на параметры теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с грунтом 153
4.6. Результаты и выводы по главе 4 154
Заключение 157
Список литературы 159
- Массоперенос в мерзлых и талых грунтах
- Автоматизированная система мониторинга температуры грунта и модельного трубопровода
- Уравнение баланса внутренней энергии многофазной среды в контрольных объемах
- Исследование влияния температуры трубопровода и температуры наружного воздуха на параметры теплосилового взаимодействия трубопровода с грунтом
Введение к работе
Актуальность работы.
Эксплуатация подземных трубопроводов при отрицательных температурах приводит к промораживанию грунта, формированию сил морозного пучения и дополнительных напряжений в стенках трубы. Величина морозного пучения изменяется по длине и по времени, что требует для описания теплофизических и прочностных параметров разработки физико-математической модели и метода расчета параметров тепломассопереноса в грунте и напряжений в стенке трубопровода. Нерешенной до настоящего времени проблемой является определение деформации трубопровода с учетом поля льдистости в морознопучинистых грунтах. Изучение закономерностей совместной деформации трубопровода и грунта, вызванной теплосиловым взаимодействием, является сложной комплексной физической проблемой, требующей сочетания расчетных и экспериментальных исследований. Эксплуатационная надежность линейной части трубопроводной системы и, следовательно, возможные неблагоприятные материальные и экологические последствия уменьшения этой надежности существенно зависят от адекватности моделирования тепломассопереноса и теплосилового взаимодействия трубопровода с грунтом. Необходимость решения отмеченных выше проблем определяет актуальность темы данной работы.
Цель и задачи работы
Целью работы является экспериментальное изучение и создание метода расчета нестационарного теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с окружающими его морознопучинистыми грунтами.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Создать экспериментальный стенд и автоматизированную систему измерения параметров теплосилового взаимодействия, позволяющие проводить исследования параметров тепломассопереноса и деформаций при различных тепловых режимах работы модельного трубопровода, различной влажности грунта, различных температурах окружающей среды. Провести экспериментальное исследование теплосилового взаимодействия модельного трубопровода с глинистым грунтом; включая определение нестационарных температурных полей вблизи трубопровода, а также динамики изменения высотного положения трубопровода.
2. Разработать теплофизическую модель и численный метод расчета нестационарных тепломассобменных процессов в мерзлых и талых грунтах, которые позволяют описывать изменение во времени полей температуры, приведенных плотностей влаги и льда; определяющих изменение высотного положения и дополнительные напряжения в трубопроводе.
З.Обоснавать адекватность разработанных модели и метода расчета на основе сопоставления результатов расчета параметров теплосилового взаимодействия с экспериментальными значениями определенными при испытаниях на стенде. Выполнить расчетно-параметрическое исследование параметров тепломассопереноса и теплосилового взаимодействия трубопровода с грунтом при различных определяющих факторах.
Научная новизна исследований состоит в следующем:
1. На созданном стенде проведено комплексное экспериментальное
исследование параметров нестационарного тепломассопереноса с фазовыми
переходами в мерзлом и талом грунте и высотного положения модельного
трубопровода в условиях морозного пучения, получена новая экспериментальная
информация.
Установлено, что существенным фактором влияющим, на напряжения в стенке трубы при морозном пучении является поле льдистости вблизи трубопровода. Предложена и обоснована расчетная зависимость средней величины морозного пучения грунта под трубопроводом от приведенных плотностей льда и воды, найденных расчетным или экспериментальным методом.
Разработаны и обоснованы физико-математическая модель и метод расчета тепломассопереноса и деформаций в морознопучинистых грунтах, позволяющие прогнозировать изменения напряженно-деформированного состояния в стенке трубы с учетом изменения температур трубопровода и окружающей среды, свойств грунта, интенсивности фазовых переходов и миграции влаги в грунте вблизи подземного трубопровода.
4. Показано, что существенное влияние на дополнительное продольное
напряжение в стенке трубопровода при морозном пучении оказывает температура
стенки трубопровода, параметры кривой незамерзшей воды, а также интенсивность
миграции влаги с учетом полей влажности и льдистости.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Результаты экспериментальных исследований параметров
тепломассопереноса и теплосилового взаимодействия подземного модельного
трубопровода с глинистым грунтом в условиях морозного пучения.
2. Физико-математическая модель и численный метод расчета процессов
тепломассопереноса с фазовыми переходами в грунтах вблизи с подземным
трубопроводом, позволяющие определять зависимость средней величины свободного
морозного пучения грунта под трубопроводом от нестационарных полей влажности и
льдистости, высотное положение и дополнительные продольные напряжения в
стенках трубопровода.
3. Результаты расчетно-параметрического исследования параметров
тепломассопереноса в грунтах и параметров теплосилового взаимодействия, включая
влияние температуры трубопровода и окружающей среды, толщины снежного
покрова а также миграции влаги на высотное положение и дополнительные
продольные напряжения в трубопроводе.
Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные данные о нестационарных температурных полях в глинистом грунте, о параметрах теплосилового взаимодействия модельного трубопровода с окружающим грунтом существенно дополняют имеющиеся опытные данные.
Разработанная теплофизическая модель расчета процессов нестационарного тепломассопереноса в мерзлых и талых грунтах вблизи заглубленного трубопровода, а также силового взаимодействия грунта с трубопроводом может быть использована при прогнозировании напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса трубопроводов в нефтегазовом и энергетическом комплексах.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена использованием в экспериментальных исследованиях современных методов измерений и компьютерной техники с соответствующей оценкой погрешности измерений; основана на использовании фундаментальных уравнений теплофизики; обусловлена корректной постановкой задач; подтверждается достаточной обоснованностью принятых допущений и обеспечена количественным совпадением полученных численных решений с известными аналитическими зависимостями и полученными экспериментальными данными.
Личный вклад автора состоит в участии в разработке экспериментальной установки, участии в проведении экспериментальных исследований, анализе и обобщении полученных экспериментальных данных, в разработке метода расчета, проведении и обобщении численных расчетов. В опубликованных совместно с соавторами научных статьях, вклад соавторов равноценен.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на российских и международных межотраслевых научных семинарах и конференциях: Международная научно-техническая конференция, посвященная 55-летию Тюменского государственного нефтегазового университета "Нефть и газ Западной Сибири".- Тюмень, 2011; Международная научно-практическая конференция по инженерному мерзлотоведению, посвященная 20-летию ООО НПО "Фундаментстройаркос"- Тюмень, 2011; Школа - семинар "Теплофизика, гидродинамика, теплотехника" под руководством Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н, профессора А.Б. Шабарова (2009 г., 2010 г., 2011 г.); научный семинар кафедры механики многофазных систем ТюмГУ (2009 -2012 г.г.); научно-технический семинар ИМЕНИТ (2011 -2012 г.) ТюмГУ.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 работах, в том числе в 2 статьях, входящих в перечень ВАК. Их список приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы. Материал изложен на 175 страницах, включает 113 рисунков, 3 таблицы, Список цитируемой литературы составлен из 133 источников.
Массоперенос в мерзлых и талых грунтах
Термодинамические процессы в мерзлых грунтах при наличии миграции влаги и механизм пучения грунтов изучались: В.О.Орловым [63], Э.Д.Ершовым [64-66], И.А. Комаровым [48]. Промерзание грунтов является многофакторным процессом, сопровождаемым фазовыми переходами, миграцией и фильтрацией влаги в талой и мерзлой зонах слоя, химическими превращениями, а также возникновением полей напряжений и деформаций [11]. Задача о протекании этого процесса является сложной задачей математической физики. Основной трудностью решения является необходимость учета изменения агрегатного состояния и теплофизических характеристик многофазной системы, таким образом, задача становится нелинейной. Также стоит заметить, что одновременно с изменением температурного поля имеет место массоперенос, вызванный перемещением влаги и пара [17,52,83]. В силу такой многофакторности процесса его описание с помощью детерминированных моделей встречает известные трудности, что заставляет упрощать характер процесса. Аналитические решения нестационарного уравнения теплопроводности получены лишь для простейших случаев [84] (даже в одномерном случае данная задача является очень сложной с точки зрения получения аналитического решения, а в случае двух- или трехмерных задач трудность нахождения хорошей аналитической зависимости резко возрастает). Это связано с нелинейностью уравнений, обусловленной наличием подвижной границы раздела фаз. Для более сложных случаев уравнения тепломассобмена в пористых средах решаются численными методами [93,113]. Из численных методов решения таких задач широко используются метод контрольного объема [95, 96, 100], метод конечных элементов [93] и метод конечных разностей [105]. Мерзлый грунт следует считать многофазной системой (частицы скелета грунта, лед, вода в связанном и жидком состояниях, газообразные компоненты), составляющие которого находятся во взаимной связи друг с другом [85,86]. Температурный режим грунтов формируется в результате их теплового взаимодействия с внешней средой, нижележащими слоями пород и заглубленным трубопроводом. Процесс теплопередачи в грунтах может осуществляться в общем случае с помощью излучения, конвекции и кондукции (теплопроводностью, описываемой законом Фурье). Конвективный перенос тепла осуществляется жидкостью и газом, перемещающимся по порам грунта. Для математического описания процесса нестационарной теплопроводности в грунте используют уравнение теплопроводности Фурье, дополненное соответствующими начальными и граничными условиями. Для случая одномерного температурного поля оно имеет вид [11]: где f(z) - плотность распределенных источников или стоков тепла; C06(z) — коэффициент теплоемкости среды.
Чтобы дать полное математическое описание конкретного процесса, к дифференциальному уравнению необходимо присоединить математическое описание всех частных особенностей (условия однозначности) рассматриваемого процесса. Условия однозначности включают в себя: геометрические условия, характеризующие форму и размеры тела, в которых протекает процесс; физические условия, характеризующие физические свойства среды и тела (К, с, р и закон распределения внутренних источников теплоты); начальные условия, характеризующие распределение температур в изучаемом теле в начальный момент времени; граничные условия, характеризующие взаимодействие рассматриваемого тела с окружающей средой. Распространение температурных волн в средах без фазовых переходов описывается законами Фурье, которые являются следствием решения задачи Фурье о распространении температурных волн в однородной среде неограниченного полупространства без фазовых переходов (процесс теплопередачи вышел на периодически установившийся режим) [11].
При изменении агрегатного состояния грунтовой воды теплофизические характеристики грунта изменяются скачкообразно и при фазовых переходах происходит выделение или поглощение теплоты. Наиболее простой является постановка задачи промерзания (протаивания) грунтов с образованием фазовой границы, т.е. границы, на которой поддерживается температура фазовых переходов для данного грунта, тогда на ней же скачком будут изменяться и теплофизические свойства грунта. В некоторых случаях решения задач о движении границы промерзания-протаивания в грунте получают методом Стефана. Следует отметить, что данный метод имеет достаточно ограниченный круг применения. В модели Стефана для того, чтобы вычислить глубину промерзания как функцию времени, предполагается, что изменение температуры от поверхности к фронту промерзания линейно и что температура остается постоянной ниже линии фронта промерзания [109]. Из-за упрощений в формуле Стефана и того, что объемной массовой теплоемкостью грунта пренебрегают, обычно глубина промерзания, вычисленная по этой модели, завышается. Некоторые недостатки формулы Стефана были устранены Лейбензоном. Формула Лейбензона учитывает распределение температур в талой зоне перед началом ее промерзания или протаивания. В последующем важную роль в решении задач о промерзании грунтов сыграли работы В.А.Кудрявцева и В.Г.Меламеда [51]. Одновременно развивались приближенные методы решения задачи Стефана. Существенный вклад в это направление внесли: М.М.Крылов, В.С.Ковнер, В.С.Лукьянов, Г.В.Порхаев, И.А.Золотарь, Г.М.Фельдман и др. В.А.Кудрявцев предложил приближенные формулы расчета глубин сезонного и многолетнего промерзания при периодических колебаниях температуры на поверхности грунтов. На основании принципа квазистационарности температурных полей в промерзающем массиве грунта было получено множество решений, учитывающих теплоизолирующее влияние различных покровов. Среди приближенных расчетных формул следует отметить формулу В.С.Лукьянова и М.Д.Головко[64-66], которая учитывает теплоемкость промерзающих грунтов, а также наличие на их поверхности теплоизолирующих покровов. М.Д.Головко также разработал сетчатую номограмму, позволяющую находить решение с достаточной для практики точностью. В целом для расчета глубины промерзания и протаивания грунтов существует множество приближенных формул, предложенных разными исследователями, однако они не отражают четкой связи теплофизической стороны рассматриваемого процесса с геолого-географической природой этого явления. Таких недостатков лишены приближенные формулы В.А.Кудрявцева[11]. Отметим решение плоской задачи оттаивания вечномерзлых грунтов, полученное С. В. Томирдиаро [85,86]. Модель с энтальпийным подходом была предложена Дюзенбером и Эйресом в 1962 году, а Н.А.Бучко предложила физическую модель, учитывающую фазовые переходы незамерзшей воды в диапазоне отрицательных температур[26].
Автоматизированная система мониторинга температуры грунта и модельного трубопровода
Перед началом измерений были проведены следующие подготовительные мероприятия. В лотке был закреплен модельный трубопровод, на концах которого имелись штуцеры, к которым подключалась система терморегулирования. Тепловой режим системы был установлен в положение "охлаждение" модельного трубопровода. Теплоносителем был выбран тосол марки А40, имеющий температуру замерзания - 40 С. Затем в лоток слоями укладывался предварительно увлажненный глинистый грунт. Слои тщательно утрамбовывались для удаления крупных пустот и получения равномерной структуры и однородных теплофизических свойств грунта.
Температурное поле грунта определялось по показаниям 26 датчиков, установленных в поперечном, по отношению к модельному трубопроводу, сечению. Это сечение делит длину трубы пополам. Схема расположения датчиков температуры в плоскости приводится на рисунке 2.8. Датчики располагаются в полуплоскости, так как температурное поле имеет симметрию относительно вертикальной прямой проходящей через центр трубы. Установка датчиков производилась в предварительно увлажненный грунт. Место установки каждого датчика вымерялось линейкой с систематической погрешностью не превышающей 0,5мм. Информационные провода, идущие от датчиков температуры ориентировались перпендикулярно по отношению к плоскости измерения температуры. Для сведения к минимуму влияния информационных проводов на картину измеряемых температурных полей провода не собирались в жгут.
Расположение датчиков температуры в грунте и их обозначения (координаты датчиков заданы в сантиметрах).
Вертикальное смещение модельного трубопровода измерялось по показаниям трех датчиков. Схема расстановки датчиков вертикального перемещения показана на рисунке 2.9. (Датчики измеряли смещение в центре и на расстояниях 0,4м и 0,3м от центра трубы). Для предотвращения смерзания грунта и измерительной штанги датчика использовалась гофрированная ПВХ трубка. Одетая на штангу трубка препятствовала прямому контакту с грунтом, что позволило обеспечить свободное перемещение измерительной штанги и как следствие снизить влияние действия датчика вертикального перемещения на величину смещения модельного трубопровода. к
Расположение датчиков вертикального перемещения трубопровода (длина модельного трубопровода 1,2 м). Датчик 1 измеряет вертикальное перемещение в центральном сечении трубы, датчик 2 на расстояние 0,3м от центрального сечения трубы, датчик 3 на расстоянии 0,4м от центрального сечения трубы. Индикатор часового типа фиксировался в кронштейне датчика вертикального перемещения в "поджатом состоянии", это давало возможность измерения вертикального перемещения трубопровода вниз на величину 1мм.
После установки и настройки датчиков, задействованных в эксперименте, поверхность грунта выравнивалась до удаления видимых углублений и неровностей. С целью повышения теплообмена грунта с воздухом в климатической камере информационные провода проложенных над поверхностью грунта датчиков температура были собраны в единый жгут.
Для контроля температуры воздуха над поверхностью грунта на расстоянии 0,05м, был установлен датчик температуры. Два датчика температуры были закреплены на концах модельного трубопровода, с их помощью измеряли температуру поступающего и уходящего теплоносителя.
Спустя 72 часа после завершения подготовительного этапа был проведен замер влажности грунта. Температурный режим в климатической камере установлен на уровне -15С. Для обеспечения равномерности распределения температуры воздуха в камере режим работы циркуляционного вентилятора холодильной машины был установлен в положение включен постоянно (в не зависимости от состояния работы компрессора). На компьютере запушены программы TempKeeper и DVR, выполнены настройки интервала опроса датчиков температуры 600 секунд и записи результатов измерений в текстовый файл с указанием даты и времени. Включена непрерывная запись видеоинформации, поступающей с видеокамер, снимающих табло индикаторов часового типа (ИЧ).
Далее, запуск климатической камеры. Продолжительность эксперимента определялась, . однородностью распределения температуры в грунте. Экспериментальное исследование параметров теплосилового взаимодействия подземного модельного трубопровода с глинистым грунтом
На описанном стенде было проведено экспериментальное исследование параметров теплосилового взаимодействия «холодного» трубопровода с промерзающим грунтом (глина). Температура воздуха в климатической камере поддерживалась на уровне -15С. Полученная в ходе эксперимента кривая, описывающая зависимость температуры воздуха в климатической камере от времени представлена на рисунке 2.11. Зависимость температуры стенки трубопровода от времени представлена на рисунке 2.10. Из рисунка видно, что охлаждение трубопровода проводилось не постоянно (действительно, в ночное время охлаждение отключалось), поэтому для описания зависимости T(t) мы использовали процедуру аппроксимации, разбивая соответствующие кривые на необходимое количество участков (на графиках участки обозначены разным цветом).
Уравнение баланса внутренней энергии многофазной среды в контрольных объемах
Как видно из рис. 4.2 - 4.6, наблюдается удовлетворительное качественное согласие расчетных и экспериментальных значений температур. Количественная оценка максимального отклонения расчетных и экспериментальных значений температур не превышала 1С во всем диапазоне значений температуры, что свидетельствует о достаточной точности вычислений, необходимых для проведения практических, например, инженерных расчетов.
На рисунке 4.7 представлены результаты сравнения экспериментально полученной зависимости величины вертикального перемещения центрального сечения трубопровода с аналогичной зависимостью, полученной численным расчетом. s
Из рис. 4.7 видно, что, как и в предыдущем случае (при сопоставлении значений температур), наблюдается удовлетворительное качественное согласие расчетных и экспериментальных данных. Вместе с тем, полного количественного совпадения не наблюдалось. Причины этого связаны, по-видимому, с грубостью используемых в модели допущений при описании процесса силового взаимодействия, в частности, с оценкой максимального давления, развиваемого силами морозного пучения.
Исследование влияния температуры трубопровода и температуры наружного воздуха на параметры теплосилового взаимодействия трубопровода с грунтом В приведенном ниже расчетно-параметрическом исследовании показано влияние температуры трубопровода и температуры наружного воздуха на параметры теплосилового взаимодействия подземного трубопровода в условиях жесткого защемления концов на рассматриваемом участке.
Объектом исследования был выбран гипотетический трубопровод с внешним диаметром 820 мм. Глубина залегания трубопровода (расстояние от дневной поверхности грунта до верхней образующей трубопровода) составляла 600мм. Протяженность участка трубопровода, на котором исследовалось теплосиловое взаимодействие - 16м. Характеристики исследуемого трубопровода приведены в таблице 4.1.
Таблица 4. Модуль Юнга 2.Ы05МПа Коэффициент Пуассона v = 0.3 Внешний диаметр трубопровода D, = 0.8м Толщина стенки трубопровода 5 = 10мм Давление внутри трубопровода Р = 2.7МПа Температура замыкания трубопровода в плеть ГЭТ -10 С Трубопровод окружен грунтом, теплофизические свойства которого изотропны. В качестве грунта выбрана глина, с приведенной плотностью сухого скелета = 1400— - и пористостью т равной 0.45. Функциональные АГ зависимости теплофизических характеристик глинистого грунта были получены по данным [15]. Аппроксимация зависимости коэффициента диффузии влаги D от величины объемного влагосодержания 0 была выполнена по данным В.А. Кудрявцева. Размер расчетной области (рисунок 3.6) по вертикали Iv=4.5.w, по горизонтали Ц = 6д . Расчетное исследование проводилось для холодного периода времени, длительность которого составляла 180 суток. Температура наружного воздуха, задавалась гармонической функцией следующего вида[11]: T--Asi f} (4Л) где А- амплитудное значение температуры, в С; гє[0;180]- время в сутках.
Температура трубы Тт, на протяжении всего холодного периода, задавалась постоянной. Толщина снежного покрова, формируемого в холодный период времени, задавалась постоянной и равной LVH = 300мм.
Теплопроводность снега постоянная Яс„=0,2 на протяжении всего времени расчета. Начальное распределение температуры грунта задавалось постоянным и равным Т(х.у.т = ()) = 271К во всей расчетной области (рисунок 3.6). Распределение приведенной плотности влаги в начальный момент времени также задавалось постоянным значением р„=450 -, что соответствовало м полному влагонасыщению глинистого грунта. На нижней границе ED (рисунок 3.6) задавались постоянные значения температура грунта Ts = 277К и его приведенной влажности /?„ = 450 -. м Ниже приведены на результаты проведенных расчетов параметров теплосилового взаимодействия трубопровода с грунтом, охватывающих холодный период времени, характерный для западносибирского региона, составляющий 180 суток. Результаты представлены в виде изоплетов и графиков.
Исследование влияния температуры трубопровода и температуры наружного воздуха на параметры теплосилового взаимодействия трубопровода с грунтом
Из рисунков видно, что характер приведенных зависимостей качественно одинаков для всех заданных температурных условий. Имеют место как положительные, так и отрицательные значения напряжений, возникающих из-за изменяющихся температурных условий. Физический смысл отрицательных напряжений заключается в том, что в этом случае происходит деформация сжатия нижней образующей стенки трубопровода. Соответственно положительные значения напряжений отвечают деформации растяжения нижней образующей стенки трубопровода. Обращает на себя внимание тот факт, что наибольшие значения деформации наблюдаются на жестко закрепленных границах трубопровода, а не в его центре, как могло бы показаться на первый взгляд. При этом абсолютные значения напряжений, возникающих на границах трубопровода, могут превосходить напряжения, возникающие в ее средней части более чем в четыре раза. Это отношение возрастает с течением времени. При этом также увеличивается величина вертикшіьного смещения. Интересно отметить и наличие симметрично расположенных узловых точек на всех полученных графиках, где значения напряжения не меняются с течением времени и не зависят от высотного положения трубопровода. На положение этих точек очень мало влияет и изменение температурных условий, в которых находится трубопровод. Эти факты свидетельствуют о том, что требования, предъявляемые к прочности трубопровода могут быть существенно разными для узловых, центральных и концевых (в пределах рассматриваемого) его участков.
По результатам проведенного исследования, влияния температур трубы и наружного воздуха было установлено существенное влияние температуры трубопровода на его высотное положение и величину дополнительных напряжений возникающих в стенках трубы. Понижение минимальной температуры воздуха от -10С до -20С, при заданной постоянной температуре трубы в диапазоне -5С до -15 С приводит к увеличению высотного положения всего в 1,01-1,03 раза. Таким образом, в рассмотренных условиях наблюдается более заметное влияние температуры трубы на напряжения чем температуры окружающей среды.
Исследование проводилось для трубопровода и грунта, параметры которых описаны в пункте 4.3 данной главы. Температура наружного воздуха задавалась функцией (4.1), амплитудное значение температуры принималось равным А=-20пС. Граничные условия и размер расчетной области описаны в пункте 4.3. В начальный момент принималось линейное увеличение приведенной плотности влаги от 437кг/м3 на поверхности, до 450кг/м (полное влагонасыщение) - на глубине Зм и более. Начальное распределение температуры грунта задавалось постоянным и равным Т(х,у.т = 0) = 277А" во всей расчетной области.
На рисунках (4.81)—(4.84) приводятся распределения приведенной плотности льда в расчетной области.
Проведенное исследование влияния интенсивности миграции влаги позволило установить существенную роль миграции на высотное положение трубопровода (рисунок 4.85) при изменении температуры трубы от -2 С до -5С. С понижением температуры трубы роль миграции заметно снижается, так при постоянной температуре трубы -10С отношение вертикальных перемещений рассчитанных с учетом и без миграции составляет всего 1,04, а при температуре -4С это же отношение составляет 1,54.
Исследование влияния толщины снежного покрова на параметры теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с грунтом
Исследование проводилось для трубопровода и грунта, параметры которых описаны в пункте 4.3 данной главы. Температура наружного воздуха задавалась функцией (4.1), амплитудное значение температуры принималось равным А=-20С. Граничные условия и размер расчетной области описаны в пункте 4.3. В расчетах температура трубопровода принималась равной местной температуре грунта. Коэффициент теплоотдачи на поверхности
Исследования влияния толщины снежного покрова проведенные для трубопровода, имеющего температуру равную местной температуре грунта, показали, что в рассмотренных условиях заметное увеличение вертикального перемещения трубопровода до 0,012м происходит при уменьшении толщины снежного покрова от 0,2м до нуля. При толщине снежного покрова более
Зависимость вертикального перемещения центрального сечения трубопровода от толщины снежного покрова.
Разработаны численный алгоритм и программа, реализующие предложенную в работе теплофизическую модель тепломассопереноса в грунте и метод расчета высотного положения трубопровода. Алгоритм реализован в среде Maple. Для решения сформулированной в главе 3 задачи тепломассопереноса использован метод контрольного объема. Система нелинейных уравнений решена неявным методом Ньютона.
На основе сопоставления рассчитанных результатов с опытными данными обосновано применение теплофизической модели тепломассопереноса в грунте. Экспериментально подтверждена адекватность применения численного метода расчета высотного положения трубопровода. Показано, что отклонение расчетных и измеренных значений температур не превышает ±1С в диапазоне от —10С до +8С, а максимальная разница в определении прогиба модельного трубопровода не превышает 0,3мм при максимальном прогибе Змм.
По результатам проведенного исследования влияния температур трубы и наружного воздуха установлено существенное влияние температуры трубопровода на его высотное положение и величину дополнительных напряжений возникающих в стенках трубы. Наибольшее значение дополнительного напряжения наблюдается на концах рассматриваемого участка трубопровода. Установлено более заметное влияние температуры трубопровода на значения возникающих в нем напряжений по сравнению с влиянием температуры окружающей среды в исследованных температурных условиях.
