盾构始发超低温冻结加固温度场研究

发布时间：2020-06-17 22:53

【摘要】：液氮冻结因为其具有冻结速度快、温度低和强度高等特点,经常被用于地下工程抢险等超短工期的施工项目中。然而液氮冻结费用较高,能量损失较大,并且目前尚无较为科学的三维液氮温度场计算方法。本文将针对这一问题,对液氮冻结进行深入研究,通过与工程实测数据的对比,建立科学合理的液氮温度场有限元计算模型,通过有限元计算研究液氮温度场的开展规律,从而对液氮冻结的设计及施工提出合理的意见和建议,使其尽可能地节约冻结能量,减少施工成本。本文以福州地铁盾构实例项目始发为背景,使用ABAQUS有限元软件对盾构左线液氮冻结三维温度场进行模拟计算,并与工程实测进行对比分析,进行液氮对流的反传热分析,完善了液氮对流传热理论。为了进一步研究不同模拟方法对温度场的影响,对该项目右线盐水冻结分别进行了盐水对流与盐水导热的有限元模拟计算,对两种有限元模拟方法进行了对比分析。最后对左、右线液氮冻结与盐水冻结进行了对比分析,探究了两种不同冻结方式在冻结范围、冻结时间、冻结效果等方面的差异。主要研究结论如下:(1)对有限元三维液氮冻结温度场的计算结果可知,液氮冻结使得土体在垂直方向上产生巨大的温度差异,温度最低区域在深度为18.3-22.3m处,最低温度低于-160℃。冻结壁温度最高处在接近地表处,约为-30℃,在垂直方向上最大温差约为-130℃。由于连续墙导热系数相对较低,使得温度场中最低温区域发生在第二排冻结管与连续墙中间的位置。(2)通过与工程实测数据的对比,证明液氮温度场的温度下降趋势与实测结果相似,从总体来看,模拟误差在可以接受的范围内,模拟效果良好。对流换热系的反传热分析结果表明,液氮的对流换热系数是一个受到垂直冻结深度以及冻结时间共同影响的函数。再次计算的结果表明,对流换热系数修正后的模拟结果比原模拟结果更接近实测结果。(3)盐水冻结的对流换热与热导模拟结果对比表明,对流换热的模拟方法在模拟垂直冻结三维温度场上有其独特的优势,而热传导的模拟方法在忽略垂直方向温度差异的情况下更为适用。模拟结果证明了盐水在冻结管中各个部分的流速差异是其产生垂直方向上的温差的主要原因。而在水平面上两种模拟方式结果十分相近,说明忽略流速的影响时,对流换热结果与热传导结果相同。对流换热与热传导的主要差异在于对流换热考虑了流体的流动情况对能量的传递产生的影响。(4)通过液氮冻结与盐水冻结的对比结果表明,盐水冻结与液氮冻结三维温度场的形状、影响的范围大体相等,其温度最低区域都发生在两排冻结管与连续墙之间的土体。液氮冻结温度最低低于-130℃,而盐水冻结温度不超过-30℃,液氮冻土温度比盐水冻土低得多。在垂直面上,液氮冻结温度场存在巨大温差,冻结范围也随着深度而改变,而盐水冻结温度场分布均匀,在冻结初期垂直方向有一定温度差异,但随着冻结时间的增加,这种温度差异逐渐减少。本文较为准确的模拟了液氮冻结温度场,并对其开展规律进行了分析,并针对液氮三维温度场在时间、空间上的开展规律提出了许多相应的设计及施工的建议,为液氮冻结设计与施工提供了理论依据。
【学位授予单位】：福建工程学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U231.3;U455.43
【图文】：

曲线,膜态沸腾,液氮,核态沸腾

对流沸腾除了自然对流气泡扰动外，还有外力（如水泵等）的作用。逡逑因为液氮在冻结管内的沸腾情况更类似于大容器沸腾，在１个大气压下，通过改变逡逑壁面温度并测量热流密度，可以得到水的沸腾曲线如图２－１所示，其他流体的沸腾也具逡逑有相似的规律。由图可知随着液体与壁温温差的增大，液体的沸腾情况从最初的自然对逡逑流产生的沸腾逐渐转换成核态沸腾，随着温差的进一步扩大，核态沸腾经过一个过渡阶逡逑段逐渐转变为较为稳定的膜态沸腾。在冻结管中的沸腾液氮，绝大部分属于稳定的膜态逡逑沸腾，因此，接下来主要对液氮的膜态沸腾进行研究，并计算器膜态沸腾换热系数。逡逑１３逡逑

微元体,净热流,流方式,内能

逑（３）邋能量微分方程逡逑在边界层内还需要满足能量平衡。如图２－２所示，在边界层内取微元体ｄｘｄ＿ｙ，微元逡逑体的热量传递包括对流与导热两种形式。在稳态情况下，传入的热量与传出的热量平衡。逡逑５邋ｄ（．逦ａｒ邋Ｖ逡逑－ａ—邋ｔ－＞ｒ—＜ｆｙ邋＼ａｘ邋ｐｃ＼邋ｖＨ逦ｄｙ邋ｔ－＼逦ｄｙ邋ｄｘ逡逑９ｙ邋）逦＇办人纱Ｊ逡逑Ｐ0ｐｖｔｄｙ逡逑—＾逦Ｌ邋—＾逡逑－义妾办逦ｐｃｐｖｔｄｘ逡逑１１邋ｖ逡逑图２－２微元体内能量的平衡逡逑首先考察微元体通过对流方式获得的净热流量。从微元体左侧流入的质量流量逡逑ｐｗｄ＿ｙ，带入微元体的热流量为；从右侧流出的流体质量为逡逑（Ｑｎ邋＾＼ｆ邋Ｑｔ邋、逡逑ｐｃｐ邋ｕ邋＋邋—邋ｄｘ邋（邋＋了邋ｄ邋；ｄ。同样可得，从微元体下侧带入微元体内的热流量可以表示逡逑、ＯＸ邋ｙ邋ｙ邋ＯＸ邋＾逡逑为而从上方带出的热流量可表示为逡逑‘逦（ｄｖ邋Ｖ邋ｄｔ邋Ｖ逡逑ｐｃ邋ｖＨ逦ａｙ邋ｔ－＼逦ｄｘ邋ｄｘ逡逑ｌ逦办八办邋Ｊ逦（２－１５）逡逑因此通过对流方式获得的净热流量为逡逑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逦（２－１６）逡逑ｌ邋ｄｙ逦ｄｙ邋Ｊ逡逑将上式展开，略去高阶微分量，并利用连续性方程，可以简化得逡逑〔邋ｄｔ邋ｄｔ邋Ｖ逡逑ａ０ｃ0ｖ＝－ｐｃｐ邋ｕ＾－＋ｖ＾￣邋＾ｄｙ逡逑ｌ邋＾邋ｄｙ）逦（２－１７）逡逑接下来讨论通过导热传入的热量。以导热方式从微元体下侧传入的热流量逡逑－Ａｆｄｘ，从微元体上侧传处的热流量为－Ｉｆ邋ｚ邋＋邋ｆｄｙ邋ｄｘ

【参考文献】