Компьютерное моделирование тепломассопереноса в грунтах под сооружениями, построенными на вечной мерзлоте с использованием сезонных охлаждающих устройств

Рис 3.4.2. а. Температуры на глубине 0.7м от нижней кромки термической изоляции из пеноплэкса (на конец августа шестого расчетного года). Сплошная линия самый теплый вариант (№27), пунктирная линия самый холодный вариант (№47). б. Температуры на глубине 0.7м от нижней кромки термической изоляции из пеноплэкса с системой ГЕТ (на конец августа шестого расчетного года). Сплошная линия самый теплый вариант (№27), пунктирная линия самый холодный вариант (№47)

На рис. 3.4.3 приведены температурные поля под зданием для каждого из рассмотренных случаев на конец августа шестого расчетного года.

Рис 3.4.3. а. Температурное поле под зданием на конец августа шестого расчетного года при термической изоляции пеноплэксом (самый теплый вариант №27). По горизонтальной оси отложена координата z(м), по вертикальной отложена координата x(м). б. Температурное поле под зданием на конец августа шестого расчетного года при термической изоляции пеноплэксом и наличии системы ГЕТ (самый теплый вариант №27). По горизонтальной оси отложена координата z(м), по вертикальной отложена координата x(м)

Заключение

В заключение необходимо отметить, что разработанная в данной работе методика расчета функционирования охлаждающих систем, получила подтверждение в сравнении экспериментальных и теоретических данных. И, следовательно, вполне пригодна для описания процессов теплообмена в грунтах, охлаждаемых с помощью таких систем. Метод стохастического прогнозирования, подробно изложенный в главе 3, в отличие от стандартного метода, позволяет исследовать все возможные варианты развития событий в будущем и вычислить в каждой точке пространства вероятность найти грунт в талом состоянии. Это в свою очередь имеет очень большое практическое значение при проектировании систем охлаждения грунтов. Действительно, если данная вероятность составляет десятки процентов, то в проекте необходимо увеличивать число охлаждающих элементов, если данная вероятность по порядку величины составляет несколько процентов, то система охлаждения оптимальна, если же она по порядку величины составляет доли процента, число охлаждающих элементов избыточно и себестоимость системы охлаждения завышена. Необходимо также отметить, что в методе стохастического прогнозирования органично сочетается детерминистский подход математической физики с методами математической статистики [105]. Однако в отличие от стандартной статистики объектами изучения в данном случае являются не случайные величины, а трехмерные поля, которые к тому же есть решения задачи Стефана. Очевидно, что такой подход может быть использован и в других областях науки. Для расчетов в соответствии с данной методикой был разработан компьютерный программный комплекс Stohastic - 3D, который, в отличие от других программ [62,106-108], позволяет рассчитывать большое количество температурных трехмерных полей в грунте, каждое из которых соответствует тому или иному варианту развития событий в будущем.

Литература

1. Мельников В.П., Мельникова А.А., Аникин Г.В., Иванов К.С., Спасенникова К.А. Инженерные решения в строительстве на вечной мерзлоте в плане повышения энергоэффективности сооружений // Криосфера Земли. 2014. - Т.XVIII. - №3. - С.82-90.

2. Дубина М.М. Прогноз и управление термомеханическим состоянием системы «сооружение-среда» в криолитозоне // Материалы международной конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций». - Тюмень, 23-27 мая 2004. - С.56-57.

3. Kolunin V.S., Kolunin A.V. Heat and mass transfer in saturated porous media with ice inclusions // Intern.J.Heat Mass Transfer, - 2006. - V.49. - P.2514-2522.

4. Горелик Я.Б., Колунин В.С. Физика и моделирование криогенных процессов в литосфере. - Новосибирск, изд. СО РАН. - 2002. - 317с.

5. Горелик Я.Б., Горелик Р.Я. Лабораторное исследование двухфазного естественно - конвективного охлаждающего устройства с горизонтальной испарительной частью // Криосфера Земли. - 2011. - Т.XV. - №2. - С. 34-43.

6. Вакулин А.А. Основы геокриологии. Учебное пособие. 2-ое изд. - Тюмень. - 2011. - 220с.

7. Аникин Г.В., Поденко Л.С., Вакулин А.А. Расчет динамики промерзания грунта вокруг вертикального парожидкостного термостабилизатора // Вестник Тюменского государственного университета. - 2008. - №6. - С. 42-49.

8. Долгих Д.Г., Окунев С.Н., Поденко Л.С., Феклистов В.Н. Надежность, эффективность и управляемость систем температурной стабилизации вечномерзлых грунтов оснований зданий и сооружений // Материалы международной конференции «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения». - Тюмень. - 2008. - С. 31.

9. Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве. - Новосибирск: Наука. - 1985. - 169с.

10. Мусакаев Н.Г., Романюк С.Н., Бородин С.Л. Численное исследование закономерностей движения фронта фазового перехода в многолетнемерзлых породах // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2011. - №6. - С.124-130.

11. Мусакаев Н.Г., Горелик Я.Б., Романюк С.Н. Аналитическое решение задачи теплового воздействия факела на многолетнемерзлые породы // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2013. - №5. - С.124-128.

12. Хрусталев Л.Н., Клименко В.В., Емельянова Л.В., Ершов Э.Д., Пармузин С.Ю., Микушина О.В., Терешин А.Г.Динамика температурного поля многолетнемерзлых пород южных районов криолитозоны при различных сценариях климатических изменений // Криосфера Земли. - 2008. -Т.XII. -№1. - С. 3-11.

13. Хрусталев Л.Н., Гарагуля Л.С., Гордеева Г.И. Прогноз среднегодовой температуры воздуха на территории Республики Саха (Якутия) по результатам ретроспективного анализа // Криосфера Земли. - 2002. - Т.VI. - № 2. - С. 66-74.

14. Хрусталев Л.Н., Давыдова И.В. Прогноз потепления климата и его учет при оценке надежности оснований зданий на вечномерзлых грунтах // Криосфера Земли, - 2007. - Т.XI. - №2. - С.68-75.

15. Хрусталев Л.Н., Пустовойт Г.П. Вероятностно-статистические расчеты оснований зданий и сооружений в криолитозоне. - М.: Наука. - 1988. - 249с.

16. Хрусталев Л.Н., Чербунина М.Ю. Методика оценки надежности магистральных нефтепроводов // Криосфера Земли. - 2010. - Т.XIV. - №3. - С. 69-76.

17. Пиоро И.Л., Антоненко Ф.А., Пиоро Л.С. Эффективные теплообменники на основе двухфазных термосифонов. - Киев: Наукова думка. - 1991. - 222с.

18. Васильев Л.Л. Теплообменники на тепловых трубах. - Минск: Наука и техника, 1981. - 143с.

19. Елисеев В.Б., Сергеев Д.И., Что такое тепловая труба? - М.: Энергия. - 1971. - 136с.

20. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Чулков Б.А., Ягодкин И.В. Технологические основы тепловых труб. - М.: Атомиздат. - 1980. - 160с.

21. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб. - М.: Атомиздат. - 1978. - 256с.

22. Тепловые трубы: Пер. с англ. и нем./ Под. Ред. Шпильрайна Э.Э. - М.: Мир. - 1972. - 421с.

23. Чи С. Тепловые трубы: Теория и практика / Пер. с англ. - М.: Машиностроение. - 1981. - 207с.

24. Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы: Пер. с англ. - М.: Энергия. - 1979. - 272с.

25. Эва В., Асакавичюс И., Гайгалис В. Низкотемпературные тепловые трубы. - Вильнюс: Мокслас. - 1982. - 184с.

26. Тепловые трубы и теплообменники с использованием пористых материалов: Сб. науч. тр. / Под ред. Васильева Л.Л. - Минск: ИТМО АН БССР. - 1985. - 178с.

27. Васильев Л.Л., Киселев В.Г., Матвеев Ю.Н., Молодкин Ф.Ф. Теплообменники - утилизаторы на тепловых трубах / Под ред. Колыхана Л.И. - Минск: Наука и техника. - 1987. - 200с.

28. Интенсификация теплообмена: Успехи теплопередачи, 2/ Вилемас Ю.В.,Воронин Г.И., Дзюбенко Б.В. и др.; Под ред. Жукаускаса А.А., Калинина Э.К., - Вильнюс: Мокслас. - 1988. - 188с.

29. Болога М.К., Смирнов Г.Ф., Дидковский А.Б., Климов С.М. Теплообмен при кипении и конденсации в электрическом поле. - Кишинев: Штиинца. - 1987. - 240с.

30. Nguyen H., Groll M. The influence of wall roughness on the maximum performance of closed two - phase thermosyphons // 15th thermophys. conf. (Colorado, May 1980). - N80. - Colorado. - 1980. - P. 1503.

31. Lock G.S., Maezawa S. The aerosyphon: an exploratory study // Int. J. Heat and Mass Transfer. - 1975. - 18, N2. - P. 219-226.

32. Japikse D., Winter R.F. Single - phase transport process in the open thermosyphon // Ibid. - 1971. - 14, N3. - P. 427-441.

33. Мардарский О.И., Кожухарь И.А., Болога М.К. Теплопередающие характеристики двухфазного электрогидродинамического термосифона // Темломассообмен- VI: Материалы VI Всесоюз. конф. по тепломассообмену. - Минск. - 1980. - ч.2. - С. 100-104.

34. Reay D.A. Heat - pipe cooling offers many advantages // Electronic eng. - 1972. - 44, N8. - P. 35-37.

35. Jialu Y., Jifu L., Zhemping N. Exergy analysis on heat - pipe heat exchangers // Prepr. 6th Int. heat pipe conf. (Grenoble, May 1987). - Grenoble. - 1987. - P. 451-456.

36. Андреев С.П. Исследование процессов кипения и конденсации в теплопередающем элементе // Инж. - физ. журн. - 1972. - 22, №6. - С. 999-1005.

37. Hahn E., Gross U. The influence of the inclination angle on the performance of a closed two-phase thermosyphon // Proc. 4th Int. heat pipe conf. (London, Sept. 1981). - London. - 1981. - P. 125-136.

38. Larkin B.S. An experimental study of two-phase thermosyphon tube // Eng. J. (Canada). - 1971. - 54, N8. - P. 55-62.

39. Lee Y., Mital Y. A two-phase closed thermosyphon // Int. J. Heat and Mass Transfer. - 1972. - 15, N9. - P. 1695-1709.

40. Shiraishi M., Kikuchi K., Yamanichi T. Investigation of heat transfer characteristics of a two-phase closed thermosyphon // Proc. 4th Int. heat pipe conf. (London, Sept. 1981). - P. 95-104.

41. Коленко Е.А., Вердиев М.Г. Использование термосифонов в термоэлектрическом приборостроении // Гелиотехника. - 1973. - №1. С. 10-12.

42. Андреев С.П. Исследование теплообмена при фазовых превращениях жидкости в замкнутом канале // Теплоэнергетика. - 1972. - №7. - С. 88.

43. Файнзильберг С.Н., Колоскова Н.Ю., Семена М.Г. К обобщению опытных данных по исследованию закономерностей предельных тепловых потоков двухфазных термосифонов // Изв. вузов. Энергетика. - 1978. - №6. - С. 86-88.

44. Андреев Л.М. Определение величины теплового потока в кольцевом испарительном термосифоне при установившемся режиме // Тр. Николаев. - 1979. - № 150. - С. 66-69.

45. Степанчук В.Ф., Стрельцов А.И. Анализ работы П-образного испарительного термосифона // Изв. вузов. Энергетика. - 1974. - №4. - С. 82-86.

46. Roberts C.C. A review of heat pipe liquid delivery concepts // Proc. 4th Int. heat pipe conf. (London, Sept. 1981). - London. - 1981. - P. 693-702.

47. Безродный М.К., Алексеенко Д. В. Влияние давления промежуточного теплоносителя на критические тепловые потоки в испарительных термосифонах // Изв. вузов. Энергетика. - 1977. - №4. - С. 80-84.

48. Безродный М.К., Файнзильберг С.Н., Беловиан А.И. Исследование кризиса теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 1976. - №9. - С. 161-165.

49. Безродный М.К., Беловиан А.И. К определению степени заполнения замкнутого термосифона низкотемпературными теплоносителями // Теплофизика и теплотехника. - 1975. - Вып. 29. - С. 126-129.

50. Безродный М.К., Сахацкий А.А. Исследование максимальных тепловых потоков в наклонных испарительныхъ термосифонах с внутренними вставками // Изв. вузов. Энергетика. - 1979. - №4. - С. 110-112.

51. Безродный М.К., Файнзильберг С.Н., Беловиан А.И., Колоскова Н.Ю. Влияние угла наклона замкнутого двухфазного термосифона на максимальную передающую способность термосифонах // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 1976. - №11. - С. 174-177.

52. Nguyen - Chi H., Groll M. Entrainment or flooding limit in a closed two-phase thermosyphon // Proc. 4th Int. heat pipe conf. (London, Sept. 1981). - London. -1981. - P. 147-162.

53. Семена М.Г., Киселев Ю.Ф. Исследование теплообмена в зоне теплоотвода двухфазных термосифонов при малых степенях заполнения // Инж. - физ. журн. - 1978. - 35, №4. - С. 600-605.

54. Wen Yaopu, Guo Shun. Experimental heat transfer performance of two-phase thermosyphons // Proc. 5th Int. heat pipe conf. (Tsukuba, May 1984). - Tsukuba, 1984. - Vol. 1. - P. 43-49.

55. Безродный М.К., Алексеенко Д. В. Интенсивность теплообмена на участке кипения испарительных термосифонов // Теплоэнергетика. - 1977. - №7. - С. 83-85.

56. Семена М.Г., Киселев Ю.Ф. Исследование при кипении в двухфазных термосифонах при пониженных давлениях насыщения и малых степенях заполнения зоны нагрева теплоносителем // Пром. энергетика. - 1985. - №8. - С. 50-52.

57. Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве. - М.: Недра. - 1974. - 278с.

58. Велли Ю.Я., Докучаев В.И., Федоров Н.Ф. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л.: Стройиздат. - 1977. - 652c.

59. Шубина А.Ю. Сравнительный анализ технических показателей различных систем термостабилизации грунтов оснований // Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященная ХХ-летию создания ООО НПО «Фундаментстройаркос» «Стратегия инновационного развития, строительства и освоения районов Крайнего севера». - Тюмень. -2011. - С. 69-75.

60. Аникин Г.В., Поденко Л.С., Феклистов В.Н. Тепломассоперенос в вертикальном парожидкостном термосифоне // Криосфера Земли. - 2009. - Т.XIII. - №3. - С.54-58.

61. Аникин Г.В., Плотников С.Н., Спасенникова К.А. Компьютерное моделирование тепломассопереноса в системах горизонтального охлаждения грунтов // Криосфера Земли. - 2011. - Т.XV. - №1. - С.33-39.

62. Программа расчета теплового взаимодействия инженерных сооружений с вечномерзлыми грунтами WARM: Емельянов Н.В., Пустовойт Г.П., Хрусталев Л.Н., Яковлев С.В.; Свидетельство № 940281; Опубл. РосАПО, 1994.

63. Stefan J. 1981. Uber die Theorie des Eisbildung, Insbesonder uber die Eisbildung im Polarmere, Ann. Phys. Chem. 42: 269-286.

64. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. - М.: Едиториал УРСС. - 2003. - 782с.

65. Лыков А.В., Теория теплопроводности. - М.: «Высшая школа». - 1967. - 599с.

66. Bejan A. 1996. Entropy Generation Minimization , Boca Raton, FL: CRC Press.

67. Carslaw H.W. and Jaeger J.C. 1959. Conduction of Heat in Solids , 2nd ed., Oxford: Clarendon Press.

68. Cho S.H. and Sunderland J.E. 1969. «Heat conduction problems with melting or freezing» J. Heat Transfer 91: 421-426.

69. Dedegil M.Y. Drag Coefficient and Settling Velocity of Particles, paper presented at International Symposium on Slurry Flows, ASME, FED, Anaheim, CA, December 7-12, 1986.

70. Farlow S.J. 1982. Partial Differential Equations for Scientists and Engineers, New York: John Wiley & Sons, Inc.

71. Foss S.D.and Fan.S.S.T.1972. Approximate solution to the freezing of the ice-water system with constant heat flux in the water phase, J. Water Resour. Res. 8: 1083-1086.

72. International Encyclopedia of hat and mass transfer, Hewitt G.F., Shires G.L., Polezhaev Y.V., eds., Boca Raton, FL: CRC Press, 1997.

73. Jacobs J., et al. Design of a Float Zone Furnace for Microgravity Purification and Crystal Growth, AIAA Paper 93-0474, paper presented at AIAA 31st Aerospace Sciences Conference. - 1993. - Reno, NV.

74. Kreith F. and Romie F.E. 1955. A study of the thermal diffusion equation with boundary conditions corresponding to solidification or melting of materials initially at the fusion temperature, Proc. Phys. Soc. B 68: 277-291.

75. London A.L. and Seban R.A. 1943. Rate of ice formation, Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 65: 771-779.

76. Lunardini V.J. Heat Conduction with Freezing or Thawing, CRREL Monograph 88_/1, U.S. Army Corps of Engineers, 1988.

77. Maude A.D. and Whitmore R.L. A generalized theory of sedimentation, Br. J. Appl. Phys. 9. - 1958.

78. Naterer G.F. 2000. Predictive entropy based correction of phase change computations with fluid flow: part 2: application problems, Numerical Heat Transfer B 37: 415-436.

79. Naterer G.F. 2001. Applying heat-entropy analogies with experimental study of interface tracking in phase change heat transfer, Int. J. Heat Mass Transfer 44: 2917-2932.

80. Naterer G.F. and Schneider G.E. 1995. PHASES model of binary constituent solidliquid phase transition: part 2: applications, Numerical Heat Transfer B 28: 127-137.

81. Pardo E. and Weckman D.C. 1990. A fixed grid finite element technique for modeling phase change in steady-state conduction-advection problems, Int. J. Numerical Methods Eng. 29: 969-984.

82. Pfann W.G. 1958. Zone Melting, New York: John Wiley & Sons.

83. Sahm P.R. and Hansen P. Numerical Simulation and Modelling of Casting and Solidification Processes for Foundry and Cast House, CIATF, CH-8023, International Committee of Foundry Technical Associations, 1984. - Zurich, Switzerland.

84. Seeniraj R.V. and Bose T.K. 1982. Planar solidification of a warm flowing liquid under different boundary conditions, Warme Stoffubertragung 16: 105-111.

85. Sparrow E.M., Ramadhyani S., and Patankar S.V. 1978. Effect of subcooling on cylindrical melting, ASME J. Heat Transfer 100: 395-402.

86. Tien R.H. and Geiger G.E. 1967. A heat transfer analysis of the solidification of a binary eutectic system, J. Heat Transfer 89: 230-234.

87. Wasp E.J., Kenne J.P., and Gandhi R. Solid liquid flow, slurry pipeline transportation, Trans Tech Publications. - pp. 9-32. - 1977. - Zurich, Switzerland.

88. Xu R. and Naterer G.F. 2001. Inverse method with heat and entropy transport in solidification processing of materials, J. Mater. Process. Technol. 112: 98-108.

89. Павлов А.В. Энергообмен в ландшафтной сфере Земли. - Новосибирск: Наука. - 1984. - 256с.

90. Trenberth K.E., Fasullo J.T., Kienl J. Earth's global energy budget. American meteorological society. - №3. - 2009. - P.311-323.

91. Foken T., Micrometeorology. - Springer. - 2008. - 306p.

92. Корнеев В.Г. Параллельное программирование в MPI. Новосибирск. ИВМиМГ СО РАН. - 2002. - 215с.

93. Клименко В.В., Хрусталев Л.Н., Микушина О.В. и др. Изменения климата и динамика толщ многолетнемерзлых пород на северо-западе России в ближайшие 300 лет // Криосфера Земли. - 2007. - Т.XI. - №3. - С. 3-13.

94. Павлов А.В., Хрусталев Л.Н., Микушина О.В. Прогноз температуры воздуха и грунтов в связи с оценкой надежности вечномерзлых оснований сооружений // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. - 2005. - №3. - С. 219-226.

95. Пармузин С.Ю., Чепурнов А.Б. Прогноз динамики многолетнемерзлых пород европейского севера России и Западной Сибири в XXI веке // Вестник Московского университета. Сер. 4. Геология. - 2001. - № 4. - С. 64-68.

96. Аникин Г.В., Плотников С.Н., Вакулин А.А., Спасенникова К.А. Расчет стабилизации температуры основания под резервуаром с нефтью // Вестник Тюменского университета. - 2009. - №6. - С. 35-45.

97. Аникин Г.В., Плотников С.Н., Спасенникова К.А. Стационарные температурные поля в системе емкость с нефтью - термостабилизаторы грунта // Криосфера Земли. - 2011. - Т.XV. - №2. - С. 29-33.

98. Аникин Г.В., Спасенникова К.А. Компьютерное моделирование системы охлаждения грунта под резервуаром с нефтью // Криосфера Земли. - 2012. - Т. XVI. - №2. - С.60-64.

99. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Аникин Г.В., Спасенникова К.А. Численный расчет нестационарных температурных полей в системе «резервуар с нефтью - сезонное охлаждающее устройство» // Криосфера Земли. - 2013. - Т.XVII. - №3. - С. 70-75.

100. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Аникин Г.В., Спасенникова К.А., Залесский К.В. Сравнение экспериментальных данных и численного моделирования работы охлаждающей системы “ГЕТ” на примере пожарного депо Ванкорского месторождения // Криосфера Земли. - 2014. - Т. XVIII. - №1. - С. 65-70.

101. Аникин Г.В., Плотников С.Н., Вакулин А.А. Спасенникова К.А. Стохастическое прогнозирование состояния грунтов под объектами построенными на вечной мерзлоте // Вестник Тюменского Университета. - №6. - 2013. - С. 46-53.

102. Выполнение инженерно-геокриологического мониторинга оснований резервуарного парка из 4-х резервуаров ёмкостью 50000м3 на объекте: Варандейский нефтяной отгрузочный терминал: отчет ООО НПО «Фундаментстройаркос». - Тюмень. - 2008. - 120с.

103. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: Высшая школа. - 2002. - 479с.

104. Аникин Г.В., Спасенникова К.А. Программа «Термополе - 3 D». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011615898. - 2011.

105. Ефимова М.Р., Петрова Е.В., Румянцев В.Н.. Общая теория статистики. - М., ИНФРА-М. - 1998. - 413с.

106. Применение программы Frost 3D для трёхмерного моделирования распределения температур в вечномёрзлом грунте при его термостабилизации // Журнал нефтегазового строительства. - 2013. - №3. -С.14-18.

107. Компьютерное моделирование искусственного замораживания грунта с помощью программного комплекса Frost 3D // Международная конференция «Криология Земли: XXI век». - Пущино. Россия. 29.09-3.10.2013.

108. Аникин Г.В., Спасенникова К.А. Программа «Stohastic - 3 D». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013612566. - 2013.

Размещено на Allbest.ru