【摘要】：液氮凍結(jié)因?yàn)槠渚哂袃鼋Y(jié)速度快、溫度低和強(qiáng)度高等特點(diǎn),經(jīng)常被用于地下工程搶險(xiǎn)等超短工期的施工項(xiàng)目中。然而液氮凍結(jié)費(fèi)用較高,能量損失較大,并且目前尚無較為科學(xué)的三維液氮溫度場(chǎng)計(jì)算方法。本文將針對(duì)這一問題,對(duì)液氮凍結(jié)進(jìn)行深入研究,通過與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,建立科學(xué)合理的液氮溫度場(chǎng)有限元計(jì)算模型,通過有限元計(jì)算研究液氮溫度場(chǎng)的開展規(guī)律,從而對(duì)液氮凍結(jié)的設(shè)計(jì)及施工提出合理的意見和建議,使其盡可能地節(jié)約凍結(jié)能量,減少施工成本。本文以福州地鐵盾構(gòu)實(shí)例項(xiàng)目始發(fā)為背景,使用ABAQUS有限元軟件對(duì)盾構(gòu)左線液氮凍結(jié)三維溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,并與工程實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)行液氮對(duì)流的反傳熱分析,完善了液氮對(duì)流傳熱理論。為了進(jìn)一步研究不同模擬方法對(duì)溫度場(chǎng)的影響,對(duì)該項(xiàng)目右線鹽水凍結(jié)分別進(jìn)行了鹽水對(duì)流與鹽水導(dǎo)熱的有限元模擬計(jì)算,對(duì)兩種有限元模擬方法進(jìn)行了對(duì)比分析。最后對(duì)左、右線液氮凍結(jié)與鹽水凍結(jié)進(jìn)行了對(duì)比分析,探究了兩種不同凍結(jié)方式在凍結(jié)范圍、凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)效果等方面的差異。主要研究結(jié)論如下:(1)對(duì)有限元三維液氮凍結(jié)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果可知,液氮凍結(jié)使得土體在垂直方向上產(chǎn)生巨大的溫度差異,溫度最低區(qū)域在深度為18.3-22.3m處,最低溫度低于-160℃。凍結(jié)壁溫度最高處在接近地表處,約為-30℃,在垂直方向上最大溫差約為-130℃。由于連續(xù)墻導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低,使得溫度場(chǎng)中最低溫區(qū)域發(fā)生在第二排凍結(jié)管與連續(xù)墻中間的位置。(2)通過與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,證明液氮溫度場(chǎng)的溫度下降趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果相似,從總體來看,模擬誤差在可以接受的范圍內(nèi),模擬效果良好。對(duì)流換熱系的反傳熱分析結(jié)果表明,液氮的對(duì)流換熱系數(shù)是一個(gè)受到垂直凍結(jié)深度以及凍結(jié)時(shí)間共同影響的函數(shù)。再次計(jì)算的結(jié)果表明,對(duì)流換熱系數(shù)修正后的模擬結(jié)果比原模擬結(jié)果更接近實(shí)測(cè)結(jié)果。(3)鹽水凍結(jié)的對(duì)流換熱與熱導(dǎo)模擬結(jié)果對(duì)比表明,對(duì)流換熱的模擬方法在模擬垂直凍結(jié)三維溫度場(chǎng)上有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),而熱傳導(dǎo)的模擬方法在忽略垂直方向溫度差異的情況下更為適用。模擬結(jié)果證明了鹽水在凍結(jié)管中各個(gè)部分的流速差異是其產(chǎn)生垂直方向上的溫差的主要原因。而在水平面上兩種模擬方式結(jié)果十分相近,說明忽略流速的影響時(shí),對(duì)流換熱結(jié)果與熱傳導(dǎo)結(jié)果相同。對(duì)流換熱與熱傳導(dǎo)的主要差異在于對(duì)流換熱考慮了流體的流動(dòng)情況對(duì)能量的傳遞產(chǎn)生的影響。(4)通過液氮凍結(jié)與鹽水凍結(jié)的對(duì)比結(jié)果表明,鹽水凍結(jié)與液氮凍結(jié)三維溫度場(chǎng)的形狀、影響的范圍大體相等,其溫度最低區(qū)域都發(fā)生在兩排凍結(jié)管與連續(xù)墻之間的土體。液氮凍結(jié)溫度最低低于-130℃,而鹽水凍結(jié)溫度不超過-30℃,液氮凍土溫度比鹽水凍土低得多。在垂直面上,液氮凍結(jié)溫度場(chǎng)存在巨大溫差,凍結(jié)范圍也隨著深度而改變,而鹽水凍結(jié)溫度場(chǎng)分布均勻,在凍結(jié)初期垂直方向有一定溫度差異,但隨著凍結(jié)時(shí)間的增加,這種溫度差異逐漸減少。本文較為準(zhǔn)確的模擬了液氮凍結(jié)溫度場(chǎng),并對(duì)其開展規(guī)律進(jìn)行了分析,并針對(duì)液氮三維溫度場(chǎng)在時(shí)間、空間上的開展規(guī)律提出了許多相應(yīng)的設(shè)計(jì)及施工的建議,為液氮凍結(jié)設(shè)計(jì)與施工提供了理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：福建工程學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U231.3;U455.43
【圖文】：

對(duì)流沸騰除了自然對(duì)流氣泡擾動(dòng)外，還有外力（如水泵等）的作用。逡逑因?yàn)橐旱趦鼋Y(jié)管內(nèi)的沸騰情況更類似于大容器沸騰，在１個(gè)大氣壓下，通過改變逡逑壁面溫度并測(cè)量熱流密度，可以得到水的沸騰曲線如圖２－１所示，其他流體的沸騰也具逡逑有相似的規(guī)律。由圖可知隨著液體與壁溫溫差的增大，液體的沸騰情況從最初的自然對(duì)逡逑流產(chǎn)生的沸騰逐漸轉(zhuǎn)換成核態(tài)沸騰，隨著溫差的進(jìn)一步擴(kuò)大，核態(tài)沸騰經(jīng)過一個(gè)過渡階逡逑段逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰。在凍結(jié)管中的沸騰液氮，絕大部分屬于穩(wěn)定的膜態(tài)逡逑沸騰，因此，接下來主要對(duì)液氮的膜態(tài)沸騰進(jìn)行研究，并計(jì)算器膜態(tài)沸騰換熱系數(shù)。逡逑１３逡逑

逑（３）邋能量微分方程逡逑在邊界層內(nèi)還需要滿足能量平衡。如圖２－２所示，在邊界層內(nèi)取微元體ｄｘｄ＿ｙ，微元逡逑體的熱量傳遞包括對(duì)流與導(dǎo)熱兩種形式。在穩(wěn)態(tài)情況下，傳入的熱量與傳出的熱量平衡。逡逑５邋ｄ（．邐ａｒ邋Ｖ逡逑－ａ—邋ｔ－＞ｒ—＜ｆｙ邋＼ａｘ邋ｐｃ＼邋ｖＨ邐ｄｙ邋ｔ－＼邐ｄｙ邋ｄｘ逡逑９ｙ邋）邐＇辦人紗Ｊ逡逑Ｐ0ｐｖｔｄｙ逡逑—＾邐Ｌ邋—＾逡逑－義妾辦邐ｐｃｐｖｔｄｘ逡逑１１邋ｖ逡逑圖２－２微元體內(nèi)能量的平衡逡逑首先考察微元體通過對(duì)流方式獲得的凈熱流量。從微元體左側(cè)流入的質(zhì)量流量逡逑ｐｗｄ＿ｙ，帶入微元體的熱流量為；從右側(cè)流出的流體質(zhì)量為逡逑（Ｑｎ邋＾＼ｆ邋Ｑｔ邋、逡逑ｐｃｐ邋ｕ邋＋邋—邋ｄｘ邋（邋＋了邋ｄ邋；ｄ。同樣可得，從微元體下側(cè)帶入微元體內(nèi)的熱流量可以表示逡逑、ＯＸ邋ｙ邋ｙ邋ＯＸ邋＾逡逑為而從上方帶出的熱流量可表示為逡逑‘邐（ｄｖ邋Ｖ邋ｄｔ邋Ｖ逡逑ｐｃ邋ｖＨ邐ａｙ邋ｔ－＼邐ｄｘ邋ｄｘ逡逑ｌ邐辦八辦邋Ｊ邐（２－１５）逡逑因此通過對(duì)流方式獲得的凈熱流量為逡逑Ａ０00ｖ邋＝邋Ｐｃｖｕｔ＾ｙ－ｐｃｖ邋Ｍ邋＋逡逑＋ｐｃ邋ｖｔｄｘ邋—邋ｐｃ邋ｖ邋＋邋￣ｄｙ邋ｔ邋＋邋—邋ｄｙ邋ｄｘ邐（２－１６）逡逑ｌ邋ｄｙ邐ｄｙ邋Ｊ逡逑將上式展開，略去高階微分量，并利用連續(xù)性方程，可以簡(jiǎn)化得逡逑〔邋ｄｔ邋ｄｔ邋Ｖ逡逑ａ０ｃ0ｖ＝－ｐｃｐ邋ｕ＾－＋ｖ＾￣邋＾ｄｙ逡逑ｌ邋＾邋ｄｙ）邐（２－１７）逡逑接下來討論通過導(dǎo)熱傳入的熱量。以導(dǎo)熱方式從微元體下側(cè)傳入的熱流量逡逑－Ａｆｄｘ，從微元體上側(cè)傳處的熱流量為－Ｉｆ邋ｚ邋＋邋ｆｄｙ邋ｄｘ

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2718279