Введение к работе
В работе проанализированы опублшсовагпше -жсперпменгаяь-ные и натурные данные по тепломассообмену в грунтах, дпсьч-рс -них материалах и в сооружениях. На их основе, о учетом новейших теоретических достижений, построены физпкоматематичеекие модели явлений, возникающих в промерзающих; мерзлых, протаивающих и талых грунтах и дисперсних матерп.'иіах б результате совместного развития в них процессов тепло- и влагообиена. Разработаны приближенные методы решения соответствующих краевых за дач математической физики. Проведен анализ'избранных инженерных проблем, на которых опробованы теоретические модели и ме тоди. Дан» практические- рекомендации.
Ашпуалмюсш щюбяеии. Главной зпергетичеекой -базой России была и остается Западная Сибирь, и прежде всего Тюменская область, которая является основным районом страны по добыче-нефти и газа. Разведка новых и обустройство разведанных месторождений углеводородов в этом районе - задача всероссийского масштаба. Сохранение существующего уровня добычи отих полезных ископаемых и его рост возможны лишь при условии решения целого ряда сложных инженерных задач, в первую очередь, в области капитального строительства, так как именно темпы строительства вданий, сооружений, дорог, и т.д. определяют успешность освоения нефтяных и газовых месторождений.
Поэтому нефтегазодобывающая отрасль является главным за казчиком научных исследований относящихся к вопросам строи тельства в условиях севера Западной Сибири, а таі«е и главным потребителем получаемых результатов этих исследований.
К особенностям строительства на Севере следует отнести отдаленность от разлитых районов страны, отсутствие развитой промышленности строительных материалов, недостаточность имен, щейся транспортной сети, высокую стоимость рабочей силы. Pan мещение объектов строительства не- подчиняется логике планомер ного освоєння региона, определяется внешними по отношению к строительным проблемам факторами.
Между тем к строительству ' в этом районе предъявляйте;? исключительно жесткие требования, обусловленные суровым КЛИМА-
том. Строительство и эксплуатация сооружения усложняется, если оно построено в аоне распространения вечной мерзлоты.
.Вечномераше грунты занимают в России 11 миллионов квадратных километров суии. Их наличие накладывает отпечаток на производство любых строительных работ. Мерзлотно-грунтовые условия в районах распространения Еечяомерздых грунтов весьма сложные. Имеются обширные области грунтов пониженной несущей способности -засоленных и силі.нольдистых, нередко встречаются участки с подземными льдами; широко распространены мерзлотно-геоморфологичес-шє образования. Все это в значительной мере способствует деформации зданий и сооружений.
Исходным материалом для решения любой проблемы, вызванной наличием вечной мерзлоты, должен являться правильный прогноз водно-теплового режима грунта в течение всего периода эксплуатации.
Диссертационная работа подводит итог многолетней деятельности автора по решению прикладных задач тепло-и массообмена по заказам строительных и проектных организаций Тюменской области.
Тесное сотрудничество с выпускающими кафедрами Тюменского инженерно-строительного института, а также с лабораториями и отделами Типротюменнефтегааа и ЗапСибНИГНИ определило круг производственных вопросов, в рамках которого проводились исследования.
Мерзлые и промерзающие влажные грунты рассматриваются в ик-кенерно-теологическом аспекте, .как основания зданий, автомобиль-пых дорог, аэродромов или как среда, в которой прокладываются инженерные коммуникации. Большая часть диссертационной работы и посвящена теплофизике мерзлых грунтов.
Прикладные задачи относятся главным образом к строительству автомобильных дорог и придорожных сооружений.
Итак, актуальность работы определяемой' исключительной важностью процессов тепло-и массообмена на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации сооружений в северных условиях. Правильность тепдофиеических расчетов становится жизненно важной по мере продвижения дальше на север и за Полярный круг. Достаточно вспомнить многочисленные осложнения и аварии на скважинах в районах ьечшй мерзлоты, деформации жилых и производственных зданий, і'.'єопраьданно высокие расходы по содержанию автомобильных дорог. Все это говорит о том, что существующие методики прогноза вод-чо-теплового режима грунтов и'зданий далеки от совершенства. Не-
Л I
эбходиыо сменить акценты с исследованиях, отісазаться от попыток юлучить точный численний ответ, если это невозможно вследствие іеопред елейности исходной информации, включающей физические свойства грунта И метеорологические прогнози. Применение клчест-)енных и эвристических методов параллельно с количественными поо-юляет виявить средние явления, типично происходящие г. данных усилиях и предусмотреть методы борьбы С НИМИ.
Что касается разработки приближенных методов решения задач еплооСмена, ориентированных на эффективное использование совре-іенной вычислительной техники, то актуальность этого вопроса eli-;одит за узкие рамки строительства в северных условиях.
Целью настоящей работы является решение крупной научной іроблемьі, имеющей важное народнохозяйственное значение, заключаю-К'йся в разработке новых методов исследования процессов тепло-и іассоб.мена и совершенствовании существующих методоп для создания іабора готовых решений, типовых методик и стандартных подходов, .остаточного, для практической деятельности исследосателя-теплофн-:ика, специализирующегося в области нефтегазопромыслового строи-'ельства в районах севера Западной Сибири. Это должно существенно овисить уровень теоретической проработки соотвествующих прикладах проблем.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи .-
1). Проанализировать работи технического, теплофизического и атематического характера, выяснить в каких случаях достаточно ефективно использование известных методов исследования, а в ка-их случаях необходима разработка новых.
2). Разработать методы приближенного решения задач тепломас-
ооОмена, удобные для реализации ка персональном компьютере и
меющие структуру, удобную для анализа производственных проблем.
, 3). Разработать физико-математические модели ряда процессов
явлений, прежде всего, пучения и консолидации грунтов, пешить
оотЕетствующие математические задачи, сравнить с .экспериментом.
4). Разработать методи качественного анализа явлений, мате-агическое описание которых приводит к исследованию устойчивости ешений.
5). Решить большое количество прикладных задач, чтобы убе-иться в эффективности и достаточности комбинации традиционных и
- б -
оригинал-mix моделей, методов и решении.
б).Дать общие рекомендации по использованию полученного на бора решений.
7). Провести работу по внедрению результатов в произволе твенную практику и в учебный процесс в ТюиИСИ.
Комплекс решенных задач объединен общими подходами, внов разработанными методами решения и наконец тем, что ьсе это выест образует инструментарий длл квалифицированного исследователя., за пимзощегося расчетами процессов тепло-и массообменз. Такой иссле дователь должен быть готов решить любую задачу тепломассообмена которая возникает у производственников-строителей, ивляясь факти чески экспертом и консультантом различных фирм.
Мстодшса исследования. При решении конкретных задач автої использовал стандартные методы и принципы современной-математической физики. При постановке задачи обязательным было строгої соблюдение законов сохранения и уравнений баланса энергии и массы. Переход от конечных объемов к бесконечно малым осуществляло в соответствии с обычными приемами механики сплошной среды. Вс< предположения и упрощения специально оговариваются в работе і обосноЕыва'отсл. Оговариваются также и случаи, когда предположение носит эвристический характер и не может быть обосновано. В эта случае окончательное слово принадлежит сравнению с экспериментом. Автор во всех случаях старался иметь под ногами твердую опору і виде исходной информации и основополагающих принципов современное науки. В работе нет ничего, противоречащего кардинальным установкам теории тепло-и массообмена в том виде, е котором она тепері существует. Решение поставленных задач получено либо стандартными, хорошо зарекомендовавшими себе,, многократно проверенными методами (например, методом конечных разностей), либо приближенными методами, разработанными автором. Главный предлагаемый метод решения основывается на строгом использовании дифференциапьных и интегральных неравенств для получения сужающейся системы границ, внутри которых находится искомое решение. В результате этогс всегда известно максимально возможное значение погрешности и ее знак. Проведено доказательство сходимости итерационного процесса. Автор использовал также приближенные решения, имеющие тесную связь с искомым решением в виде двух асимптот (приближенное решение совпадает с точным в начальный момент времени 1=0 и при t -*' «
). Для этих методов проводились специальные оценки погрешности. В методологическом отношении особую группу образуют исследования по расслоению води и минеральной части грунта в процессе консолидации или при пучении. Здесь исследование проведено использованием современных методов математической теории устойчивости, включая такие ее относительно новые разделы, как теория особенностей Упт-ни и теория катастроф Тома.
В ряде задач использован теоретике-вероятностный подход, методы математической статистики и статистического эксперимента.
Очень широко, буквально в каждой задаче, использовалось моделирование на ЭВМ. Многие программы были составлены просто для проведения контрольного просчета, другие снабжались необходимым сервисом и передавались заказчику для применения в практической работе. Разработаны программные продукты, максимально использующие, возможности монитора AT3S6, в первую очередь графику режима EGA/VGA. Примером может служить программа расчета степени консолидации насыпи автомобильной дороги (п.4.2).
Ііаутая повизіш. В работе сформирован комплекс приемов методик и методов, позволяющих проводить теоретическое исследование процессов тепло-и массообмопа для нужд нефтегазопромыслового строительства. Получены следующие новые в научном отношении результаты:
,1). Разработан математический аппарат, позволяющий применить теоремы сравнения Вестфаля и интегральные неравенства для нелинейных задач типа теплопроводности с немонотонными граничными условиями, в том числе периодическими. Зависимость коэффициентов от искомой функции может бить практически любой. Разработан приближенный метод метод решения, использующий дифференциальные и интегральные неравенства, пригодный для решения широкого круга нелинейных немонотонных задач тепло- и маосообмена. Проведено доказательство сходимости итерационного процесса.
2). Проведено специальное исследование, позволившее применить зтот метод для решения очень ват-ной в мерзлотоведении задачи Стефана. Задача эта описывает теплообмен с фазовым переходом. Трудность получения решения связана с тем, что па границе Фагового перехода один из коэффициентов имеет особенность тііпз доль-та-фуькции Дирака.
3). Получено основанное на том «е принципе ре/кнпэ задач;:
для системы уравнении двумерной стационарной теплопроводности. Новое здесь'заключается с том, что предыдущие задачи описывались уравнением параболического'типа, а в данном случае сфера приложения метода расширена на уравнения эллиптического типа. Для получения интегральных неравенств использованы формулы Грина.
4). Разработан приближенный метод решения задач тепло-и мас-сообмена в областях с цилиндрической симметрией. Метод основан на установлении приближенной взаимнооднозначной зависимости между решениями задач в областях с различными видами симметрии.' Метод опробован на многих нелинейных задачах. Специальная модификация метода позволяет решать задачу Стефана.
5). Разработана физико-математическая модель, описывавшая процесс деформации грунта вследствие влагопереноса при промерзании. Модель позволяет исследовать механизм образования линз и прослоев чистого льда. Это явление приводит на практике к пучению грунта.
G). Разработана физико-математическая модель гравитационно-диффузионного процесса, консолидации переувлажненных грунтов. Эта модель описывает также и процесс гравитационного расслоения суспензий и гелей в длинных вертикальных каналах.
7). На эвристическом уровне исследованы две задачи:
а) об устойчивости -областей сферической формы в полях
температуры и влажности;
б) задача о достижении максимальной Плотности упаковки
заполнителя в материапах тина бетона.
8). Проведена работа по практическому опробованию полученных результатов. Б результате многократного использования полученных моделей и методов решения выработаны обыие рекомендации к их применению.
Научная новизна работы не ограничивается перечисленными результатами физико-математического характера. Научная новизна заключается также и в результатах, полученных при решении большого числа инженерных задач, производственна! важность которых определяет практическую ценность диссертационной работы: Ниже перечислены наиболее значимые из этих задач. При их решении использовались полученные автором математические модели и методы рекения.
Ирииычссппя ненноань работы подтверждается тем, «то многие -v результати уде используются на практике. 8 ряде случаев.это
документировано актами внедрения с указаниями экономического аффекта. В большинстве же случаев экономический эффект от внедрения расчетных методик трудно поддается учету. Отдельные результаты диссертационной работы включены в рабочие планы ряда кафедр ТюмИ-СИ, используются преподавателями в их научной деятельности.
Работа выполнялась е рамках госбюджетной подпрограммы "Строительство" комплексной программы "Нефть и газ Западной Сибири", для выполнения которой привлечен коллектив ТюмМСИ.
Па зашиту выносятся следующие основные положения:
-
Метод приближенного решения задач нестационарного и стационарного тепло-и массообмека, включая задачу Стефана, основанный на применении дифференциальных и интегральных неравенств, в том числе в области с цилиндрической симметрией.
-
Физико-математическая модель деформации грунта при промерзании за счет влагоперепоса, включающая анализ явления сегрегационного льдовыделения (пучение).
-
Физико-математическая модель гравитационно- диффузионного механизма консолидации переувлажненных грунтов и качественный анализ процесса гравитационного осаждения взвесей.
4. Решение и анализ перечисленных выше инженерных задач и
.выводы, имеющие прикладной фактор.
Мробация и .внедрение. Отдельные результаты работы апробированы и выступлениях на следующих конференциях и научно-практических совещаниях:
"Проблемы геокриологии Забайкалья", Чита, Забайкальский филиал географического, общества СССР, 1984г.
"Геокриологический прогноз при строительном освоении территории", Москва, Госстрой СССР, ПНИШС, 1985г.
"Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты", Благовещенск-на-Амуре, АН СССР, Госстрой СССР, 1986г.
"Пути повышения технического уровня строительства в Тюменской области", Тюмень, ТюмИСИ, 198?г.
"Инженерно-геокриологические, проблемы Забайкалья", Чита, За-байісальский филиал географического общества СССР, 1987г.
"Пути.коренного улучшения качества подготовки и использования специалистов в народном хозяйстве", Тюмень, НТО, 1933г.
"Проблемы инженерной геологии, гидрогеологии и геокриологии районов интенсивной инженерной нагрузки и охрана геологической
- 10 - .'
среды", I Всесоюзный съезд инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов, Киев, 1389г.
"Нефть и газ Западной Сибири", Тюмень, ТИИ, 1989г.
"Проблемы инженерно-геологических изысканий в криолитозоне", Госстрой СССР, Магадан, 1989г.
"Проблемы и практика строительства в Тюменской области", Тюмень, Тюменское управление НТО Стройиндустрии, 1990г.
"Теплообмен и теплофизические свойства пористых материалов", Новосибирск, ИТФ СО АН СССР.
Здесь перечислены только те конференции и научные совещания, по результатам которых опубликованы тезисы докладов.
Автор, кроме этого, дважды выступал на всесоюзном совещании-семинаре в ВНИИГ им.Веденеева, г.Ленинград, 1991, 199?.г.г., а также на семинарах в научных организациях г.г.Москвы, Казани, Новосибирска, Ростова-на-Дону, Якутска, Тюмени. Постоянный обмен мнениями по всем вопросам диссертационной работы имел место в Институте теплофизики СО РАН, г.Новосибирск и в Гипротюменнефте-газе, г.Тюмень.
Отдельные вопросы обсуждались на семинарах в ГГУ, а также на ряде кафедр ТюмИСИ (строительной механики, теплогазовентиляции, механики грунтов, автомобильных дорог и др.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано около 70 печатных работ, включая проблемные и обзорные статьи в центральных академических журналах.
Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы и приложений. Содержит 411с, в том числе 361с. машинописного текста, таблиц, рисунков, 8с. приложений. Список литературы включает наименования на 35 с.
При подготовке отдельных материалов диссертации и внедрении разработанных рекомендаций автор сотрудничал с Ю.С.Даниэляном, Р.И.Медведским, Н.А.Рубцовым.' Л.Л.Буркой, А.Н.Шуъаевим, В.Р.Майором. А.Ф.Шаповалом, А.И.Горковенко, Л.В.Шумовой, Н.П.Кулаковой, Л.Д.Гербером, СВ. Каря липой, Б.Р.Фаттачовъм, В.А.Семеновым, В.В.Фоминой, Л.И.Гараниным, А.Б.Лейкамом, О.В.Антоновым, В.Ф.Лу-г.лЧ'Ч.им, А.М.Айзсаом, В.Ф.Шохиным.
Литер пркшд.'пт глубокую благодарность за ценные сиг.еты 'і.ї.іі.. чл.-кс.рр. Ііііж~і!<..}шой Академии Р.И.Медиодскому, проф.,
- il -
д.ф.-м.н. Шабарову А.Б., д.ф.-м.н. Федорову К.М., к.т.н. Ю.С.'Да-низляну, к.ф.-м.н. А.А.ПозднякоЕу.
При написании диссертации автор широко пользовался работами А.А.Андронова, В.И.Арнольда, 0. Андерсленда и Д. Андерсона, Э.А.Бондарева, И.П.Базарова, Г.И.Баренблатта, С.С.Вялова, Г..Гил-мора, С.Е.Гречищева, Л.В.Чистотшюва, Ю.Л.Шура, И.Е.Гурьянова, Ю.С.Даниэляна, П.А.Пницкого, М.М.Дубины, В.М.Ентова, Э.Д.Ершова, Я.Б.ЗельдоБича, С.С.Кутателадзе, А.Г.Колесникова, А.В.Лыкова, Р.И.Медведского, Р.И.Нигматулина, А.В.Павлова, И.ПриКожина, Н.А.Рубцова, А.Н.Тихонова, С.С.Самарского, А.Фридмана, Н.А.Цыто-вича, В.Эбелинга, а та;сже работами авторов: B.A.Booley, K.Araka-wa, D.H.Everett, R.R.Gilpin, J.M.Konrad, N.R.Morgenstern, Y.Miya-ta, J.F.Nixon, E.Perfect, P.J.Williams, R.D.Miller, E.Yanag-isawa, Y.J. Yao и др.