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.     

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。     

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。     

Cooling effect of ripped-stone embankments on Qing-Tibet railway under climatic warming

The heat convection in ballast mass and ripped-stone mass in railway embankments is the problem of heat convection in porous media. In order to calculate the temperature distribution of Qing-Tibet railway embankment, from the governing equations used to study forced convec-tion for incompressible fluids porous media, the finite ele-ment formulae for heat convection in porous media are de-rived by using Galerkin抯 method. The temperature fields of the traditional ballast embankment and the ripped-stone mass embankment, constructed on July 15, have been ana-lyzed and compared under the case that the air temperature in Qinghai-Tibetan Plateau will be warmed up by 2.0℃ in the future 50 years. The calculated results indicate that, the permafrost 5 m below the traditional ballast embankment will be thawed in the regions in which the air yearly-average temperature is larger than -3.5℃ or the yearly-average temperature at the native surface is larger than -1℃. The embankment will cause large thawing settlement. The rail-way embankment will be damaged by permafrost degrada-tion. The ripped-stone mass embankment can not only resist the effect of climatic warm up on it but also provide cool energy for the permafrost under it. It can assure permafrost stability and not subjected to thawing. Therefore, it is highly recommended that the ripped-stone mass embankment be taken as the Qing-Tibet railway embankment structure in high-temperature permafrost regions so that permafrost embankment can be protected as possible as we could.     

青藏公路沥青路面下活动层的热状态分析

在工程活动影响下,青藏公路沥青路面下活动层热状态与天然条件有着较大的差别,根据沥青路面和天然条件下活动层的热交换,活动层热交换都处于热积累过程,后者是由于气候变化的结果,同时,沥青路面下活动层的热交换远大于天然地面,在活动层中形成融化夹层。通过沥青路面下水热效应和水平热交换的分析,给出了影响沥青路面下活动层热状态的主要影响因素。     

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。     

碳酸盐岩酸蚀裂缝渗流-传热特性

充分认识流体在碳酸盐岩酸蚀裂隙面上的渗流传热特性,实现地热能的可持续开发利用是十分必要的。针对碳酸盐岩热储非均质性和缝洞发育的突出特点,采用自主研发的实时高温常规三轴试验系统,能够真实模拟岩石裂隙的真实对流换热过程。采用试验和模拟相结合的方法,进行了碳酸盐岩裂缝渗流传热耦合机理研究。结果显示,裂缝表面进行非均匀性溶蚀,形成一条具有导流能力的人工裂缝,达到改善流体渗流条件的目的;在温度一定的条件下,对流换热系数增幅与流量、压强呈正相关;采用COMSOL Multiphysics软件对碳酸盐岩单裂隙渗流传热过程进行了模拟计算,开展了实际热储层环境条件下对流换热仿真分析,实验结果验证了数值模拟的正确性与可靠性,获得了储层温度场的演化规律。     

方形小通道内高参数下煤油传热与阻力特性

对外边长为4.6 mm的方形小通道光滑管及底部带有不同强化表面的5根粗糙管试件在高热流密度、高流速、超临界压力条件下进行了煤油的传热、阻力、结焦特性的试验与分析研究,获得了煤油的传热、阻力与结焦特性及主要影响因素;分析了方形粗糙表面强化传热机理及不同粗糙度对煤油传热、阻力与结焦特性的影响,并与相同尺寸方光管的试验结果进行了比较.比较结果表明:5根粗糙管的传热系数为光管的1.4～1.9倍,阻力系数为1.3～3.8倍,2#粗糙管的综合效果最好;在相同条件下,粗糙管的平均壁温明显低于光管;增加管壁粗糙度不仅增强了煤油的换热能力,而且可明显提高结焦发生时的壁面热负荷,使结焦现象大为改善.研究结果对火箭发动机的热防护技术具有重要意义.     

喷雾冷却沸腾传热强化试验

随喷雾流量及过热度增加,热流密度增大,但热表面中心干涸区变大、液膜覆盖区减小,表面利用率降低,传热性能有提升空间。基于此,通过改变单喷嘴高度、设计微孔阵列喷嘴两种途径,探讨热表面液膜均匀性和喷雾冲击强度对传热的影响规律。结果表明单喷嘴高度存在最佳值(4 mm),此时热表面无干涸区,喷雾冷却沸腾传热性能最强;与喷嘴高度6 mm相比,在喷雾流量为50 mL/min、过热度为20 K时,热流密度提高了13%;微孔阵列喷嘴形成的液膜分布更均匀,使得表面温度也较均匀,当过热度大于10 K,微孔阵列喷雾传热性能更优,比上述工况下单喷嘴的热流密度提高16%。强烈冲击的均匀薄液膜是决定喷雾冷却沸腾传热的关键,为进一步强化喷雾冷却沸腾传热提供了可行的方向。     

反射裂缝对路面力学状态影响分析

为了研究反射裂缝对沥青路面力学状态的影响,应用有限元软件ABAQUS建立了含反射裂缝和不含裂缝的路面模型,分析了裂缝出现前后在选取点的应力S11与剪应力S12的变化情况.计算表明:反射裂缝的出现对下面层底部应力S11、剪应力S12产生的影响最大,应力S11增大幅度达到82.96%,剪应力S12由几乎为零增大到43.94kPa;裂缝的出现对路面表面与上面层底部的剪应力S12影响较大,增大幅度分别为46.7%和37%;裂缝的出现对中面层、上基层和下基层底部的应力S11、剪应力S12以及路面表面和上面层底部的应力S11几乎没有影响.     

换热器两侧性能的最佳匹配关系

基于换热器的传热方程和投资费用方程，在单位投资费用换热热流量最大的条件下导出换热器两侧的最佳性能匹配关系式，即最佳投资分配、最佳表面积分配及最佳热阻分配的平方根律．结果表明，由于投资费用的影响，换热器两侧的最佳换热性能匹配并不是等值匹配．因此，采用该规律能避免换热器设计过程中确定换热表面的盲目性     

沥青路面热风循环加热机理与加热机作业参数研究

路面加热机是整个就地热再生机组的基础,加热机加热路面后的效果对路面再生质量有直接的影响。以热风循环式加热机工作装置为研究对象,运用多圆形喷嘴射流冲击模型对其作业过程进行分析。通过相关理论计算得出了喷嘴的排列方式、喷嘴孔直径、加热板离地高度、射流速度、热风温度等参数与沥青路面表面换热系数的关系。计算表明:三角形交错排列和矩形排列对路面换热系数的数值影响基本一致;再生作业中,当热风的冲击速度较大时,随着加热板离地高度的增加表面换热系数降低;当热风的冲击速度较小时,加热板离地高度对表面换热系数影响较小。     

多孔表面微细结构内的蒸发换热

为了研究多孔槽道几何参数对多孔表面沸腾换热性能的影响 ,从分析多孔结构内微液膜蒸发和气液两相流的机理出发 ,借鉴微热管的研究方法 ,建立了描述多孔表面沸腾换热的细观动态模型。通过对沸腾起泡点分布的简化处理 ,进行了数值求解 ,计算结果与已有文献的实验数据一致。计算结果还表明 :对于微液膜换热 ,存在最佳液膜厚度 ,使液膜换热热阻最小。利用该模型 ,导出了多孔表面在常用沸腾工质中沸腾换热时的结构优化参数。这一模型对多孔表面微细结构的尺寸优化有理论指导作用     

炼钢厂钢包热状态跟踪模型

针对炼钢厂炼钢至连铸全流程,建立了钢包热循环过程钢包热状态跟踪模型,并将包衬温度实测和数值模拟相结合,利用传热反问题修正模型,提高模型的准确度.利用钢包热状态跟踪模型分析了新砌钢包烘烤预热时间、空包时间、离线烘烤时间和包衬侵蚀等因素对钢水温度的影响规律.结果表明:新砌钢包烘烤预热时间从480min增加到780min,可使新包第一次热循环中钢水总温降减少15.6℃;空包时间为540min时,钢水温降比正常周转包增加14.6℃;空包时间越长,离线烘烤减少钢水温降的效果越明显;当空包时间为540min时,进行240min离线烘烤,可使钢水总温降减少11.0℃;包衬侵蚀可使钢水总温降最大增加9.3℃.     

北京市不同下垫面类型对热岛效应及人体舒适度的影响

下垫面的热惯量差异是产生城市热岛效应的直接原因,不同下垫面对热岛的影响也不相同,而热岛效应的存在对人类舒适程度及健康均产生影响.本文主要研究不同下垫面类型对北京市热岛效应的影响,以及基于热岛效应并综合温度、气压、湿度等方面对人体舒适度进行评价.通过对小尺度范围内五类单一性质下垫面对地表温度变化影响以及一定区域内复合类型下垫面对人体舒适度影响进行研究,实验表明:水体、林地、草地、裸地等下垫面对热岛效应有缓解作用,一定程度上提高了人体舒适度.水泥地面、建筑区等硬化下垫面对热岛效应起到加剧作用,降低了人体舒适度.     

重力场中沟槽管和烧结管传热性能的实验研究

为了研究重力场中不同吸液芯微热管的传热性能,选用了沟槽式和烧结式两种吸液芯的热管为研究对象,实验测量了两者在不同重力倾角时的温差、热阻和极限功率。实验结果表明:重力倾角小于15°时,沟槽管和烧结管的传热性能受重力的影响很小,重力倾角大于15°时,沟槽管的温差和热阻上升较大,极限功率下降幅度达78%,而烧结管的温差和热阻上升很小,极限功率下降幅度为31%;重力倾角为-30°时,烧结管温差、热阻和极限功率均略有上升,沟槽管则温差、热阻上升,极限功率下降;在对不同工质的研究中,发现水比乙醇和丙酮在有重力影响下更适合作为热管工质。     

井筒内超临界多元热流体注入过程的数值模拟

在稠油热采过程中,提高注入工质的流动参数可显著增加采收率。为评价超临界多元热流体注入井筒后的流动传热特性,建立了相应的计算模型,得到了井底温度、压力与沿程热损失随注入流量、井口温度及井口压力的变化规律,并与注入超临界蒸汽情况下的流动传热规律进行了比较。结果表明,井底参数与注入流量呈单调关系;井底压力与井口温度、压力亦呈单调关系;而其他井口、井底参数的组合呈现出复杂关系。相同井口压力条件下,为使井底参数达到超临界状态,超临界多元热流体的井口温度和注入量高于注入超临界蒸汽的情况。适当选取较低的井口压力,可以减少热损失,提高经济性。所得结果可为注入工质参数的选取提供参考,进而为海洋稠油开发中的能源与动力保障的研究及设计明确需求。     

多年冻土区聚苯乙烯隔热公路路基温度场数值分析

为了研究随外界环境条件改变聚苯乙烯(EPS)冻土路基温度场变化特征,运用ABAQUS有限元分析方法,对多年冻土区EPS隔热路基的温度场进行了数值模拟.计算时采用改变EPS铺设位置,模拟路面下多年冻土季节最大融深在路基修筑完工后8a内随时间的变化.通过对计算结果分析得出,在多年冻土区路基中铺设保温材料对路面下多年冻土具有明显的保护作用.当EPS铺设在路堤底部时,路堤温度场分布比较均匀,路堤内部都为正温,在EPS板下,路基温度都为负温,说明EPS有效阻止了边坡和路面传入的热量.因此,如果要修筑EPS隔热路基,应将EPS板铺设于路堤底部.     

松嫩平原北部季节冻土冻融过程及热量传递规律

为深入了解松嫩平原北部季节冻土冻融过程及热量传递规律,同时为东北寒区工程及寒区农业的土体环境的高效利用提供科学依据。本文基于松嫩平原北部季节冻土原位监测,开展季节冻土温度变化特性及分层热通量变化规律研究。结果表明：深度小于50 cm土体温度日变化明显,土体温度季节差异随着土体深度增大而减小。2017年3月3日达到最大冻深(164 cm),4月22日为最终融化日期,最终融化深度为130 cm。不同深度土体温度对地表温度响应呈滞后效应,随着土体深度的增加,滞后时间延长;季节冻土在冻融期内浅层土体受到净辐射的影响,热量交换极其频繁;随着土层深度的增加,净辐射的作用减小,热量在土体中传递的损耗增加,热量交换程度减弱,在冻结期,土体损失的热量大于吸收的热量。在整个冻融期内保持负值,冻深线以下土体中的热量持续向上传输,表明160 cm深度以下土体持续对冻土层传递热量。