地能利用岩土换热器冻胀变形研究
发布时间：2020-11-12 06:31
随着地下蓄能应用及研究工作的不断深入，地下换热器的结构稳定性问题逐渐受到广泛关注。在低温蓄冷或地源热泵冬季供热过程中，当负荷较大时，地下换热管内循环液常会以低于0℃运行，该低温将致使换热管周围土壤中的自由水冻结成冰，而使土壤体积膨胀，即出现冻胀现象。冻胀的产生，不但使土壤孔隙结构发生变化而影响其传热效果，而且冻胀作用力发展到一定程度时会挤压换热管使其变形。管截面的变形可带来诸如循环液溢流、流动阻力增大等危害，严重时系统将不能正常工作，因此地下换热管的冻胀挤压变形问题越来越受到重视。 为此，本研究结合国家自然科学基金项目首次提出的地下换热器能力衰减与失效问题，通过理论分析，实验和模拟计算相结合的研究手段，在低于0℃的条件下，进行管土结构冻胀变形机理、演变过程以及可变影响因素的分析研究工作。该研究工作有利于拓展和完善地下换热器的设计理论，实现地下换热系统的长期高效运行，进一步为浅层地能应用技术的科学、健康、可持续发展奠定理论基础。 研究工作主要包括： 在对实际地下换热系统做出简化与限定的基础上，建立了管土结构冻胀实验系统，并提出岩土冻胀的冻结锋面追踪、换热管变形的应变测量以及管体内构测量等研究方法，为进一步的实验与数值模拟研究工作奠定基础。 应用管土结构冻胀实验系统，在研究单U型管土结构冻结区、管体变形、管体受力、管容积以及流阻等基本变化特性的基础上，结合实验条件对影响其冻胀变形特性的温变运行模式、换热管初始变形以及岩土粒径度三方面作用因素进行分析。以此为地下换热器在运行模式、管体损伤以及回填料等方面的合理选择和处置工作提供参考。 分析岩土冻胀变化的基本过程及其影响因素，对该过程所涉及到的岩土孔隙率变化、管土结构冻胀变形、冻结岩土内相变传热和管土接触面相互作用进行深入探讨，基于ABAQUS仿真平台以及热力耦合子程序，建立管土结构冻胀变形计算模型，同时按照冻胀变形实验的条件对计算模型进行验证，验证主要包括岩土冻结温度场和管体变形应变两方面参数，结果表明该模型可以用于管土结构冻胀变形规律的研究。该计算模型为地下换热器结构冻胀变形分析奠定理论和应用基础。 基于所构建的管土结构冻胀变形计算模型，以典型的单U型管段、双U型管段以及U弯管段为例，在连续降温以及考虑进出水温差的工况下，对管土结构冻结区内温度、冰体占比和应力变化以及换热管的位移、变形和受力等基本特性进行模拟分析。从而在实验基础上对地下换热器在冻胀过程中的岩土冻结区发展变化和换热管变形特征作出较为全面的认识。 基于所构建的单U型管土结构冻胀变形计算模型，对影响其冻胀变形特性的换热管温度运行工况（降温模式、恒温模式和进出水温差）、管体结构参数（管间距和管径）以及岩土特性参数（初始应力、弹性模量和初始含水量）三方面因素开展更为深入的计算模拟研究。以此为合理选择运行方式、置管结构以及在不同回填环境下预测冻变程度等相关问题提供参考依据。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TK523
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 关于地下换热器能力衰减与失效问题
1.2.1 地能利用及其地下蓄能
1.2.2 地下换热器结构变异
1.3 相关管土结构冻胀变形研究现状
1.3.1 国外研究状况
1.3.2 国内研究状况
1.4 本文主要研究内容与方法
1.5 本章小结
第2章 管土结构冻胀实验及其方法研究
2.1 冻胀变形应变测量
2.1.1 电阻应变片
2.1.2 电测原理
2.1.3 温度影响修正
2.2 冻胀变形管体内构测量
2.2.1 内径
2.2.2 管容积
2.2.3 流阻变化
2.3 实验系统装备及其测试
2.3.1 实验系统
2.3.2 测试系统
2.4 本章小结
第3章 换热器管体冻胀变形和影响因素作用特性实验分析
3.1 冻胀变形基本特性
3.1.1 实验条件设定
3.1.2 岩土温度与冻结区域变动性
3.1.3 管体应变与受力
3.1.4 容积与流阻变化
3.2 低温流体温变影响
3.2.1 流体温变模式
3.2.2 岩土温度与冻结半径变化
3.2.3 管体应变与受力
3.3 换热管初始变形影响
3.3.1 初始形态
3.3.2 冻结半径变化
3.3.3 应变延展差异
3.4 岩土粒径度作用特性分析
3.4.1 两种粒径度岩土
3.4.2 冻结半径变化
3.4.3 管体应变与受力差异
3.5 本章小结
第4章 管土结构冻胀变形计算分析方法与建模
4.1 岩土冻胀物理过程
4.1.1 冻胀岩土
4.1.2 冻胀作用基本要素
4.2 管土冻胀变形数学描述
4.2.1 岩土孔隙率函数
4.2.2 管土变形控制方程
4.2.3 岩土相变传热控制方程
4.3 管土接触面算法处理
4.3.1 接触面离散
4.3.2 接触跟踪处理
4.3.3 接触状态算法
4.3.4 接触面摩擦关系
4.4 程序设计与算法应用
4.4.1 设计程序关联
4.4.2 算法确立
4.5 计算模型与验证
4.5.1 模型
4.5.2 实验验证
4.6 本章小结
第5章 典型管土结构冻胀变形数值计算分析
5.1 单 U 型结构
5.1.1 单 U 算例模型
5.1.2 单 U 型岩土冻结区基本特性
5.1.3 单 U 型管体冻胀变形基本特性
5.2 双 U 型结构
5.2.1 双 U 算例模型
5.2.2 双 U 型岩土冻结区基本特性
5.2.3 双 U 型管体冻胀变形基本特性
5.3 U 弯管段结构
5.3.1 U 弯管段算例模型
5.3.2 U 弯管段岩土冻结区基本特性
5.3.3 U 弯管段冻胀变形基本特性
5.4 本章小结
第6章 影响因素作用特性数值计算分析
6.1 换热管温度工况影响
6.1.1 关于降温工况
6.1.2 关于恒温工况
6.1.3 关于进出水温差影响
6.2 地下换热器主要结构参数影响
6.2.1 管间距
6.2.2 管体直径
6.3 岩土主要参数影响
6.3.1 岩土初应力
6.3.2 岩土弹性模量
6.3.3 岩土初始含水量
6.4 本章小结
第7章 总结和展望
7.1 总结
7.2 本文创新点
7.3 展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
后记和致谢
【相似文献】
本文编号：2880385
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TK523
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 关于地下换热器能力衰减与失效问题
1.2.1 地能利用及其地下蓄能
1.2.2 地下换热器结构变异
1.3 相关管土结构冻胀变形研究现状
1.3.1 国外研究状况
1.3.2 国内研究状况
1.4 本文主要研究内容与方法
1.5 本章小结
第2章 管土结构冻胀实验及其方法研究
2.1 冻胀变形应变测量
2.1.1 电阻应变片
2.1.2 电测原理
2.1.3 温度影响修正
2.2 冻胀变形管体内构测量
2.2.1 内径
2.2.2 管容积
2.2.3 流阻变化
2.3 实验系统装备及其测试
2.3.1 实验系统
2.3.2 测试系统
2.4 本章小结
第3章 换热器管体冻胀变形和影响因素作用特性实验分析
3.1 冻胀变形基本特性
3.1.1 实验条件设定
3.1.2 岩土温度与冻结区域变动性
3.1.3 管体应变与受力
3.1.4 容积与流阻变化
3.2 低温流体温变影响
3.2.1 流体温变模式
3.2.2 岩土温度与冻结半径变化
3.2.3 管体应变与受力
3.3 换热管初始变形影响
3.3.1 初始形态
3.3.2 冻结半径变化
3.3.3 应变延展差异
3.4 岩土粒径度作用特性分析
3.4.1 两种粒径度岩土
3.4.2 冻结半径变化
3.4.3 管体应变与受力差异
3.5 本章小结
第4章 管土结构冻胀变形计算分析方法与建模
4.1 岩土冻胀物理过程
4.1.1 冻胀岩土
4.1.2 冻胀作用基本要素
4.2 管土冻胀变形数学描述
4.2.1 岩土孔隙率函数
4.2.2 管土变形控制方程
4.2.3 岩土相变传热控制方程
4.3 管土接触面算法处理
4.3.1 接触面离散
4.3.2 接触跟踪处理
4.3.3 接触状态算法
4.3.4 接触面摩擦关系
4.4 程序设计与算法应用
4.4.1 设计程序关联
4.4.2 算法确立
4.5 计算模型与验证
4.5.1 模型
4.5.2 实验验证
4.6 本章小结
第5章 典型管土结构冻胀变形数值计算分析
5.1 单 U 型结构
5.1.1 单 U 算例模型
5.1.2 单 U 型岩土冻结区基本特性
5.1.3 单 U 型管体冻胀变形基本特性
5.2 双 U 型结构
5.2.1 双 U 算例模型
5.2.2 双 U 型岩土冻结区基本特性
5.2.3 双 U 型管体冻胀变形基本特性
5.3 U 弯管段结构
5.3.1 U 弯管段算例模型
5.3.2 U 弯管段岩土冻结区基本特性
5.3.3 U 弯管段冻胀变形基本特性
5.4 本章小结
第6章 影响因素作用特性数值计算分析
6.1 换热管温度工况影响
6.1.1 关于降温工况
6.1.2 关于恒温工况
6.1.3 关于进出水温差影响
6.2 地下换热器主要结构参数影响
6.2.1 管间距
6.2.2 管体直径
6.3 岩土主要参数影响
6.3.1 岩土初应力
6.3.2 岩土弹性模量
6.3.3 岩土初始含水量
6.4 本章小结
第7章 总结和展望
7.1 总结
7.2 本文创新点
7.3 展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
后记和致谢
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1 王有镗;地能利用岩土换热器冻胀变形研究[D];吉林大学;2014年
本文编号：2880385
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