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利用多孔介质局部非热平衡理论研究透壁式通风管路基的温度特性

作　者: 蒋武军
导　师: 葛修润
学　校: 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）
专　业: 岩土工程
关键词: 冻土透壁式通风管片石路基多孔介质对流换热 Brinkman模型温度特性序贯耦合
分类号: U213.1
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

透壁式通风管路基是一种全新的冷区工程措施。本文主要研究了透壁式通风管路基的非线性温度特性,主要内容如下:1.本文介绍透壁式通风路基的降温机理:利用青藏高原年平均气温为负值、大气气温一般比地表温度低三度以上、以及风力资源较丰富的特点,通过空气在路基介质中流动带走堤身热量而达到主动降低路基下地温目的。与传统的通风路基有着本质区别。2.提出了透壁式通风路基的理论模型:利用Brinkman模型处理纯流体空气区域与多孔介质区域的耦合流动;在局部非热平衡理论的基础上把多孔介质骨架和流体分别看成两种不同的连续介质,在任意点和其相应的特征体积单元REV内分别定义两个平均温度,即固相平均温度Ts和流体相平均温度Tf,它们分别表征了同一特征单元每相的热状态,把多孔结构内的传热视为两相之间的传热;利用序贯耦合交错求解的方法求解流固耦合的“双能量方程”。3.利用Heaviside函数的阶梯性及Gaussian函数的突变性模拟了冻土相变过程能量的突变,提高了数值求解收敛的速度和稳定性。4.在两种气候条件下对透壁式通风路基、普通通风路基及普通非通风路基进行了对比模拟研究,得出透壁通风路基与普通通风路基是积极主动调控地温的冷区工程措施,其中透壁式通风路基的降温效果更好;非通风普通路基是一种消极保护多年冻土的工程,且路基下冻土有退化现象。5.在透壁式通风路基模型的基础上提出了片石气冷路基的控制模型,并进行了数值模拟分析,得出片石气冷路基能提高冻土上限,达到保护冻土的作用。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-24
  1.1 研究意义  9-11
  1.2 专利——冻土工程中用的透壁式通风管  11-14
  1.3 国内外研究现状  14-23
  1.4 本文主要内容  23-24
第2章当前青藏铁路多年冻土工程技术概况  24-31
  2.1 青藏铁路概况  24
  2.2 青藏高原多年冻土区工程面临的主要问题  24-25
  2.3 工程措施  25-31
  2.4 小结  31
第3章透壁式通风管路基传热传质模型  31-41
  3.1 引言  31-32
  3.2 多孔介质的定义  32-33
  3.3 本文采用的研究方法  33-34
  3.4 纯流体区域流动控制方程—N-S方程  34-35
  3.5 多孔介质区域流动控制方程—BRINKMAN模型  35-36
  3.6 基于多孔介质——纯流体耦合流动区域的数值模拟方法的实现  36-37
  3.7 局部非热平衡状态理论  37
  3.8 透壁式通风管路基传热传质模型  37-40
  3.9 小结  40-41
第4章透壁式通风管路基控制方程的数值求解及算例  41-55
  4.1 模型概述  41
  4.2 控制方程的离散  41-44
  4.3 相变的模拟  44-47
  4.4 序贯耦合求解流、固耦合的“双能量方程”  47-51
  4.5 数值解验证  51-54
  4.6 小结  54-55
第5章透壁式通风管路基数值模拟  55-90
  5.1 透壁式通风管路基计算模型  55-56
  5.2 透壁式通风管路基介质中流速场分布特征  56-61
  5.3 气候不变暖时透壁式通风管路基内温度场分布特征  61-83
  5.4 气候变暖，年平均气温为-3.5℃时通风路基的温度特性  83-89
  5.5 小结  89-90
第6章透壁式通风管路基与片石气冷路基对比数值模拟  90-98
  6.1 概述  90
  6.2 片石气冷路基计算模型  90-91
  6.3 片石气冷路基控制方程  91-92
  6.4 材料的热物理参数及边界条件  92-93
  6.5 结果分析  93-97
  6.6 小结  97-98
第7章结语与展望  98-99
参考文献  99-108
致谢  108

利用多孔介质局部非热平衡理论研究透壁式通风管路基的温度特性

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