基于非等温管道流竖井地基热排水固结模拟

针对新技术热排水固结法,采用非等温管道流模拟竖井中U型导热管的传热过程,考虑温度对竖井扰动区和未扰动区渗透性的影响,在COMSOL Multiphysics有限元软件中进行二次开发,建立了竖井地基热排水固结法的有限元模型。以热排水固结软基处理原型试验为例,重点分析了模型耦合、部分耦合和不耦合情况下软土地基的固结度。结果表明,相对于传统排水固结法的不耦合模型,部分耦合模型下因温度产生的孔压增量延缓了地基固结的发展,固结速率有所减慢;耦合模型下温度虽也产生一定的孔压增量,但温度有效地改善了竖井涂抹区土的渗透特性,地基的固结速率加快,固结周期缩短,与试验结果一致。

非等温二氧化碳管道稳态和瞬态运行仿真方法

二氧化碳管道输送被认为是大输量、长距离二氧化碳运输的最经济、高效和安全的方式。在对二氧化碳管道的规划设计或运行管理过程中,都需要对二氧化碳管道系统的水力热力稳态或非稳态运行过程进行仿真。提出了非等温二氧化碳管道系统稳态和非稳态运行仿真方法,首先基于PR(Peng Robinson)状态方程和热力学微分关系式得到二氧化碳管道运行仿真所需的物性参数计算表达式,然后提出了基于解常微分控制方程组的稳态运行仿真方法和基于时间递推和隐式中心差分法的非稳态运行仿真方法,构建了稳态和非稳态仿真数学模型,基于Newton-Raphson算法求解数学模型,得到二氧化碳管道运行参数的时空演化规律。基于本文中提出的仿真方法和OLGA仿真软件,比较和分析了气态和超临界态输送的二氧化碳管道稳态和非稳态运行仿真结果,稳态仿真结果中气态和超临界态管道系统沿程压力、温度的最大绝对误差分别为0.03 MPa、1.04 K和0.18 MPa、0.71 K,非稳态仿真结果中管道系统各节点流量和压力的最大相对误差分别为2.7%和2.9%。本文中所提出的非等温二氧化碳管道系统水力热力稳态和非稳态运行仿真方法可以为实际二氧化碳管道的运行调控和安全流动保障提供参考。

钻孔埋管换热器用于寒区隧道消防管网加热保温的理论研究

为解决寒区隧道消防管冻结失效问题,提出一种基于钻孔埋管换热器的新型加热保温系统;基于非等温管道流模型,联立消防管段加热过程和埋管换热器换热理论,得到系统运行过程中流体温度分布的解析解。以林场隧道工程为背景,对加热段水温、换热器换热效率等的变化规律进行理论分析与数值验证。研究结果表明:进、出口水温先降低后快速上升再缓慢下降,10 h时达到峰值;加热初期,轴向水温分布为“进口温度高、出口温度低、段中温度突变”,之后在4~5℃范围内近似呈均匀分布;随着系统的运行,换热器平均换热效率稳定在约15 W/m。系统连续运行对地温的影响范围不断扩大,钻孔附近地温不断降低。系统间歇运行模式由设定高限和低限控制,在间歇期内,围岩地温可得到一定程度的恢复,且换热器换热效率较连续运行工况下的高。水温、换热器换热效率等的理论计算结果与数值模拟结果吻合度较高,本文所提出的寒区隧道消防管网钻孔埋管换热保温系统可使消防管段水温维持在设定低限温度以上,节能高效,有一定的应用价值。