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热棒路基降温效应的数值模拟

汪双杰 陈建兵 黄晓明

汪双杰, 陈建兵, 黄晓明. 热棒路基降温效应的数值模拟[J]. 交通运输工程学报, 2005, 5(3): 41-46.
引用本文: 汪双杰, 陈建兵, 黄晓明. 热棒路基降温效应的数值模拟[J]. 交通运输工程学报, 2005, 5(3): 41-46.
Wang Shuang-jie, Chen Jian-bing, Huang Xiao-ming. Numerical simulation of cooling effect for heat pipe subgrade[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2005, 5(3): 41-46.
Citation: Wang Shuang-jie, Chen Jian-bing, Huang Xiao-ming. Numerical simulation of cooling effect for heat pipe subgrade[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2005, 5(3): 41-46.

热棒路基降温效应的数值模拟

基金项目: 

国家西部交通建设重大科技项目 2002 318 000

详细信息
    作者简介:

    汪双杰(1962-), 男, 安徽安庆人, 中交第一公路勘察设计研究院教授级高级工程师, 博士, 从事公路设计研究

  • 中图分类号: U416.1

Numerical simulation of cooling effect for heat pipe subgrade

More Information
  • 摘要: 基于青藏公路冻土路基病害整治热棒试验工程, 建立热棒路基的等效传热模型, 运用有限元方法对其进行数值模拟, 研究青藏公路环境条件下热棒的工作周期、工作状态与作用半径, 并通过对试验工程2 a观测数据分析, 对比研究热棒在冻土路基中的降温效应。研究发现, 热棒在约为5个月的工作周期内并非连续工作而呈波动式, 实际工作时间为工作周期的2/3;热棒路基冬季降温效果明显, 有利于路基土体冷储量增加, 提高路基热稳定性; 热棒在路基中的降温强度, 水平方向随距离增大而衰减, 有效作用半径为2.25 m, 深度方向在热棒蒸发段最大, 降低上限附近季节融化层冻土热融敏感性。结果表明, 青藏公路热棒试验工程中其间距采用4.0 m是合理的, 路基双侧设置热棒优于单侧, 热棒向路基中心斜置更好。

     

  • 图  1  热棒路基的计算断面

    Figure  1.  Calculating section of heat pipe subgrade

    图  2  蒸发段与冷凝段的温差变化曲线

    Figure  2.  Temperature difference curve of evaporating segment and congealing segment

    图  3  天然地表以下路基横断面方向温度场

    Figure  3.  Ground temperature field along cross section

    图  4  沿远离热棒方向温度梯度的变化

    Figure  4.  Relation of temperature and level distance from heat pipe

    图  5  温差随深度的变化

    Figure  5.  Relation of ground temperature difference and depth

    图  6  路基温度场

    Figure  6.  Temperature field of subgrade

    图  7  年平均地温随深度的变化规律

    Figure  7.  Mean annual ground temperature change with depth

    图  8  不同位置的地温对比

    Figure  8.  Comparison of ground temperatures in different positions

    表  1  热棒几何及热学参数

    Table  1.   Geometry and thermal parameters of heat pipe

    参数名称
    热棒内径di/m 0.08
    热棒外径do/m 0.10
    蒸发段长度le/m 6.0
    冷凝段长度lc/m 4.0
    蒸发段内壁表面换热系数hi, e/[W·(m2·℃)-1] 5 000
    冷凝段内壁表面换热系数hi, c/[W·(m2·℃)-1] 6 000
    热棒管壁导热系数λ/[W·(m2·℃)-1] 10.0
    翅片热传导的形状因子Sc 1.8
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    表  2  路基模型各层材料参数

    Table  2.   Material parameters of subgrade model

    材料 砂砾与碎石土 含卵石中细砂 含砾亚粘土 强风化泥岩
    干密度ρd/(kg·m-3) 1 800 1 700 1 300 1 500
    初始含水量w0/% 25 30 30 30
    融土骨架比热csu/[kJ·(kg·℃)-1] 0.79×103 0.84×103 0.84×103 0.84×103
    冻土骨架比热csf/[kJ·(kg·℃)-1] 0.71×103 0.73×103 0.75×103 0.75×103
    水的比热cw/[kJ·(kg·℃)-1] 4.182×103 4.182×103 4.182×103 4.182×103
    冰的比热ci/[kJ·(kg·℃)-1] 2.09×103 2.09×103 2.09×103 2.09×103
    融土导热系数λu/[W·(m2·℃)-1] 1.919 1.950 0.870 1.470
    冻土导热系数λf/[W·(m2·℃)-1] 1.98 2.69 1.22 1.82
    水分扩散系数D/(cm2·s-1) 9.35×10-6 4.66×10-5 3.73×10-4 3.44×10-6
    冻结温度-θf/℃ -0.20 -0.10 -0.19 -0.05
    水的冻结融化潜热L/(kJ·kg-1) 334.56×103 334.56×103 334.56×103 334.56×103
    经验系数b 0.610 0 0.732 5 0.574 0 0.473 5
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    表  3  地温曲线拟合参数及拟合度

    Table  3.   Polynomial fit parameters and covariances of ground temperature time curve

    位置 参数
    a0 b0 b1 a2 c0 拟合度(R)
    地表大气 -4.73 10.77 2π/365 -7π/12 1.10×10-4 0.92
    路中 +1.29 12.22 2π/365 -7π/12 1.10×10-4 0.90
    路肩 -1.92 10.60 2π/365 -2π/3 1.10×10-4 0.94
    天然地表 -4.00 8.55 2π/365 -2π/3 1.10×10-4 0.92
    边坡 -4.00+208h/H 8.55+1.05h/H 2π/365 -2π/3 1.10×10-4 -
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    表  4  热棒作用半径与温度

    Table  4.   Heat pipe operating radii and ground temperatures

    距热棒水平距离/m 左路肩 右路肩
    实测温度/℃ 回归计算值/℃ 实测温度/℃ 回归计算值/℃
    0.5 -1.46 -1.43 -2.65 -2.65
    1.0 -0.96 -1.00 -2.04 -2.03
    1.5 -0.59 -0.57 -1.42 -1.42
    2.0 -0.14 -0.80
    2.5 0.30 -0.19
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  • 收稿日期:  2005-05-25
  • 刊出日期:  2005-09-25

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