青藏铁路五道梁地区冻土片石通风路基的气冷效果分析

以青藏铁路五道梁片石路基为研究实例,分析了片石层的工作原理,并与一般路基不同位置处的地温进行了比较,认为片石路基有利于保护冻土地温.在考虑空气对流作用的前提下,对五道梁片石路基进行了地温预测,结果表明,在预测前30年还能有效地保护冻土,而50年后其人为上限出现下凹形态.     

Mechanism of evolution on winter-time natural convection cooling effect of fractured-rock embankment in permafrost regions

Recent researches indicate that the global climate really shows a warming trend[1―5]. The Intergovernment Panel on Climate Change (IPCC) predicts a 1.4℃―5.8℃ rise in the global surface temperature between 1990 and 2100 using the climate change forecast model[5]. During the same times, the climate in the Qinghai-Tibet Plateau will also bring about relevant changes. Recent predictions show that the air temperature of the Qinghai- Tibet Plateau will be a rise of 2.2℃―2.6℃ by 2050. Th…     

半导体新型热棒的试验研究及分析

冻土作为四相土体,其物理性质较为复杂,而且对于温度具有很高的敏感性,周期性的温度变化会使冻土路基发生冻胀融沉等病害。因此,在冻土地区修建铁路、公路一直是世界性的难题。在青藏铁路工程中,为了防止多年冻土的融化,维持多年冻土的稳定,热棒路基被广泛采用。众所周知,热棒只能在寒季工作,而暖季不工作。基于热棒的工作原理,再结合半导体制冷的原理,在暖季对热棒的冷凝段加入人工制冷装置,使其温度低于蒸发段的温度,从而驱使热棒工作,达到降低地温的目的。在风火山进行的试验表明,半导体新型热棒能够明显降低活动层的温度,有望在今后冻土区的铁路、公路工程建设中发挥良好的效果。     

路基宽度对多年冻土区站场路基温度场的影响

青藏铁路路基的热稳定性受到气温升高的影响.站场路堤比普通路堤宽度大,受气温升高影响更大.以清水河站场试验点为工程背景,对站场和普通路基3个冻融周期的现场测试温度进行分析比较.参照前人对气温预测计算公式,作为青藏铁路站场路基进行热分析的边界条件,运用数值计算方法近似求解计算站场路基20 a后的热状况,同时与普通宽度的路基作比较.结果表明,站场路堤的多年冻土的人为上限比普通路堤高,最大融深比普通路堤大,说明路基的宽度是加速冻土破坏的一个重要影响因素.     

青藏铁路运营期间冻土路基裂缝问题研究

运营期青藏铁路冻土区路基工程最值得关注的变化是不同部位裂缝的发生和发展以及对线路安全运行的影响.通过对不同时期青藏铁路多年冻土区路基工程裂缝发生发展影响因素的分析,认为冻土区路基工程基底地温场的不对称以及基底土体冻融过程不同步是路基工程变形裂缝发生的主要原因,路基坡脚和周围冻土水热环境变化是裂缝发展的拉动力,路基填料性质也是不容忽略的因素;根据运营期间冻土路基热状态和工程状态分析,对运营期青藏铁路冻土路基工程状态进行了初步评价,并提出了减少或消除地温场的不对称及保护路基坡脚冻土环境,从而抑制冻土路基裂缝的工程对策.     

Analysis on Ground Temperature Changes and Thermal Effects of Duct-Ventilated Embankment of the Qinghai-Tibet Railway

1Preface TheStatekeyproject Ge’ermu LhasaSection ofQinghai TibetRailwayhasadistanceof550km runningoncontinuouspermafrostregions.Within thispart,permafrosthasthemostsignificant impactonthestabilityoftheroadbed.Thedouble effectsofglobalwarmingandtheconstructionof therailwaywillmakethepermafrostdegrade,causingthedesigningandconstructionofthe roadbedextremelydifficult[1].Thenaturalthermal regimesofpermafrostandgroundiceareimportant factorsthatwillaffectthestabilityofroadbed.Theselectionofroad…     

青藏高原多年冻土区铁路路桥过渡段温度场三维数值分析

 基于过渡段相变三维传热分析模型,对未来30 年路桥过渡段温度场进行分析与预测,研究了过渡段阴阳坡时空效应对路桥过渡段长期热稳定性的影响。计算结果表明：随着路桥过渡段运营时间的增长,各纵断面最大融化深度部位逐渐由过渡段转移到台背后路基,各横断面最大融深及最大融化速率位置均由阳坡坡脚转移到路基中心与阳坡路肩之间,相同运营时间,沿台背方向阴坡坡脚冻土上限变化并不明显;随着运营时间的增长,各横断面阳坡坡脚融化速率均大于天然冻土地基融化速率;各横断面除阳坡坡脚的其余部位在运营25 年以前,人为上限退化率基本小于天然冻土上限,运营25 年后,人为上限退化率逐渐大于天然冻土上限。     

Forced Convection Heat Transfer in Plate Channels Filled with Packed Beds or Sintered Porous Media

IntroductionFluid flow and convection heat transfer in porousmedia have received much attention for the pastfive decades due to many important applicationssuch as geothermal energy extraction,catalytic andchemical particle beds,petroleum processing,transp…     

热力交互作用下冻土路基融化沉降分析

基于大变形融化固结理论建立了多路基结构相互作用融化沉降数值模拟平台,并研究了公路和铁路路基不同相邻间距条件下的融化沉降规律.通过分析计算结果表明,过近的路基相邻间距会加速下覆冻土层的融化.随着相邻间距的增加,两种路基间热学场的影响将逐渐减弱.对于相邻间距较近的情况,路基变形场相对于路基中心的不对称性随时间持续增大.随着路基相邻间距的增大,变形场的不对称性发展逐渐减弱.根据本文的计算算例,当两种路基间距大于20m时,不同路基间的热学和力学场之间将不会产生显著的相互叠加影响.因此,建议在多年冻土区构筑物密集修建地区,构筑物间的安全修筑距离应大于20m.     

非饱和含湿多孔介质传热传质的渗流模型研究

综述了非饱和含湿多孔介质传热传质模型研究的发展。从多相渗流和扩散迁移机制出发建立以温度、压力和饱和度为基本变量的实用化三参数模型。该模型由一组描述水－汽质量守恒、空气质量守恒和能量守恒的非线性偏微分方程组成。利用该模型对埋管的热过程、砂土物性测量、毛细滞后现象、回湿过程、突发高温作用下多孔介质内部的传热传质过程和冻融过程进行了研究。为了模型的进一步应用,仍需对束缚水饱和度以下毛细压力与饱和度的关系、导热系数的影响因素及其获取方法、非饱和多孔介质传热传质的边界效应和滞后效应的物理机理等方面深入研究。非饱和多孔介质中溶质的运移更是一个饶有意义的研究课题。     

基于不同对流下加热系统的数值模拟与实验研究

采用多孔介质导热方程、DO辐射模型以及标准κ-ε湍流模型,建立三维热物理模型。应用有限体积法计算了室内沙疗室气固耦合传热问题。首先在自然对流条件下,即沙疗室不开风扇、处于无风状态时,改变其加热方式,分别为单面加热和双面加热。对比分析不同加热方式下,空气层以及沙体层温度场的变化。其次在双面加热条件下,改变其对流方式,分别为自然对流与强制对流。对比分析不同对流方式下,空气层温度场、速度场的变化,以及沙体层温度场的变化。最后,通过实验加以验证。研究发现强制对流条件下的双面加热能够加快空气热对流速度及沙体传热速度,使沙体层温度分布均匀化,进而提高沙体的传热效率。     

永冻区埋地管道周围土壤水热力耦合数值计算

基于中俄原油管道永冻区工程建设特点,建立冻土多孔介质水热耦合数学模型。地表环境温度采用周期性边界条件,利用SIMPLER算法进行数值求解,得到埋地热油管道自第一年4月末投产,不同月份土壤温度场、水分场、冰水相变界面移动规律随环境温度周期波动的变化关系,并利用ANSYS软件对土壤水热耦合温度场进行冻胀应力分析。结果表明:在地表温度的周期波动下,较长时间内管道周围土壤温度变化剧烈,且受温差和重力的影响,土壤中水分产生了沿管道中心线自上而下的自然对流,随地表以下不同土层温度的不断变化,自然对流涡旋中心形态及强度变化明显,温度梯度对水分迁移影响较大;随着地表温度的升高,管道上方土体的融沉速率略大于管道融沉速率;伴随着融化圈的不断扩大,管道附近土体受较小应力作用范围大,容易发生不均匀冻胀。     

基于孔喉模型的多孔介质对流换热系数的分形研究

多孔介质作为一种良好的蓄热和换热材料,在工农业生产中有着广泛应用,获取准确和适用范围广的多孔介质对流换热系数有重要的研究价值。本文先介绍了多孔介质分形理论基础,然后基于多孔介质孔喉模型并结合分形理论、渗流理论及对流换热理论对多孔介质对流换热系数关联式进行理论推导,最后将得出的对流换热系数与传统对流换热系数进行对比并进行了修正。修正后的分形解与传统解比较一致,在孔隙率0.25~0.5的范围偏差较小,而其形式也验证了外部绕流比内部管流更接近多孔介质流动本质。     

边坡渗流对冻土地区路基稳定性的影响分析

利用数值模拟方法,分析了在多年冻土地区修筑路堤后,夏季路式边坡积水通过路堤及在其下土壤的渗流过程中,由于对流换热所引起的路堤基底的不稳定现象。通过计算机数值模拟进一步证实,夏季路基边坡积水可导致路基基底之下的多年冻土上限下降,并使路基下形成凹型融化核或扩大已有融化核的深度和范围,从而加大路堤的融化下沉量和冬季的冻胀量,造成路基稳定性程度明显下降。     

保护冻土的保温原理

在多年冻土地区修筑路堤、设置保温层是保护路堤下多年冻土上限不变甚至上升的隔热保温方法，其保温效果取决于隔热层对下部多年冻土年平均地温和温度较差的改变状况，作者阐述了保温方法的工作原理，并依据该原理探讨了最小路堤高度和最大路堤高度存在的可能性及其适用范围，北麓河试验场的观测资料较好地验证了理论探讨。     

青藏铁路路堤纵向裂纹形成与扩展的力学机理

在多年冻土区修建路堤,打破了原来天然地表与外界的热力平衡,引起地下温度场重新分布,使得路堤两侧的天然地表下多年冻土融沉,造成整个路堤应力场局部出现应力集中,导致路堤的两侧出现了大量的纵长宽大裂纹。这些裂纹在上覆荷载作用,尤其是列车动荷载或者地震作用下,有可能发生路堤的突然沉陷,严重危害行车安全。就路堤应力集中现象来讨论裂纹的形成和扩展力学机理,即裂纹扩展主要受拉应力作用,而裂纹的扩展角受剪应力的控制。     

多孔介质内自然对流传热传质研究

该文研究了含内热源圆柱形多孔介质内不均匀温度分布产生的浮力效应引起的自然对流。给出了以流函数表示的无量纲基本方程,用控制容积法对方程离散并进行了数值计算,得到了多孔介质内的流场、温度场和浓度场,讨论了瑞利数Ｒａ和刘易斯数Ｌｅ对多孔介质传热传质的影响。     

Thawing and freezing processes of active layer in Wudaoliang region of Tibetan Plateau

The interaction between permafrost and atmosphere is accomplished through transfer of heat and moisture in the overlay active layer. Thus, the research on the thermal and hydrodynamics of active layer during the thawing and freezing processes was considered a key to revealing the heat and moisture exchanges between permafrost and atmosphere. The monitoring and research on active layer were conducted because permafrost occupies about two thirds of the total area of the Tibetan Plateau. Based on the analysis of the ground temperature data and soil moisture data of monitoring near the Wudaoliang region of the Tibetan Plateau, the thawing and freezing processes of active layer were divided into four stages, i.e. summer thawing stage (ST), autumn freezing stage (AF), winter cooling stage (WC) and spring warming stage (SW). Coupled heat and water flow is much more complicated in ST and AF, and more amount of water is migrating in these two stages. Heat is transferred mainly via conductive heat flow in the other two stages, and less water migrated. Four water migration and coupled heat flow processes were addressed for the thawing and freezing stages, which are water infiltration driven by gravity, moisture advection and distillation driven by temperature and osmotic gradients, water migration driven by capillarity and unfrozen water migration driven by temperature gradient. The water content near the permafrost table tends to increase after one thawing and freezing cycle, which is the main reason for the development of thick ground ice layer near permafrost table.     

超临界压力流体在多孔介质内对流换热研究进展

超临界压力流体在多孔介质内的流动换热问题在动力工程、化学工程、航天航空等领域的应用非常广泛,它是超临界CO_2气冷堆、太阳能热发电系统、超临界压力流体对高温壁面的发汗冷却等工程设计优化的理论基础。分别从实验研究和数值模拟两个方面,详细阐述了多孔介质内超临界压力流体流动换热的研究进展,指出了准临界温度附近强烈物性变化、多孔结构迂曲流动通道、浮升力等因素对换热通道局部对流换热性能的影响规律是深入研究的关键问题。另外由于高温高压实验难度大、数据处理方法较复杂,多孔介质内超临界压力流体与固体骨架之间的内部对流换热系数实验研究非常少,致使局部非热平衡模型在多孔介质内超临界压力流体流动换热数值模拟的应用受到限制,因此同时加强超临界压力流体在多孔介质内流动传热的局部对流换热性能和内部对流换热性能研究,对于多孔介质结构传热性能评价和工业应用关键设备的设计优化具有指导意义。     

Heat transfer process of roadway embankments with different type and width of road surface in permafrost regions

The stability of roadbed in permafrost areas has become a big concern with rapid development and construction of throughways, highways and railways in these areas under the current climate change since it is governed by the thermal condition, or in other words, the heat transfer process in the embankment. We carried out a finite element analysis to analyze the effects of different types of road surface and the effect of breadth of embankment on the embankment heat transfer process. The results indicated that the mean annual heat transfer rate at the bottom of the roadway embankment with asphalt surfaces is 3 times that with sandy gravel surfaces. This means annual heat transfer rate increased by 60% when the breadth of asphalt surface was doubled. The increased heat transfer rate was mainly located at the bottom of the embankment and resulted in the effect of thermal concentration,. leading to degradation of the permafrost by as much as 1.6 times. It was also found that increasing embankment height would not reduce these increases of the heat transfer rate. Therefore both asphalt road surface and increased embankment breadth can lead to an intensified heat transfer rate in roadway embankment, consequently degradating the underlying permafrost and embankment instability.