【摘要】：液氮凍結(jié)因為其具有凍結(jié)速度快、溫度低和強度高等特點,經(jīng)常被用于地下工程搶險等超短工期的施工項目中。然而液氮凍結(jié)費用較高,能量損失較大,并且目前尚無較為科學的三維液氮溫度場計算方法。本文將針對這一問題,對液氮凍結(jié)進行深入研究,通過與工程實測數(shù)據(jù)的對比,建立科學合理的液氮溫度場有限元計算模型,通過有限元計算研究液氮溫度場的開展規(guī)律,從而對液氮凍結(jié)的設計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)實例項目始發(fā)為背景,使用ABAQUS有限元軟件對盾構(gòu)左線液氮凍結(jié)三維溫度場進行模擬計算,并與工程實測進行對比分析,進行液氮對流的反傳熱分析,完善了液氮對流傳熱理論。為了進一步研究不同模擬方法對溫度場的影響,對該項目右線鹽水凍結(jié)分別進行了鹽水對流與鹽水導熱的有限元模擬計算,對兩種有限元模擬方法進行了對比分析。最后對左、右線液氮凍結(jié)與鹽水凍結(jié)進行了對比分析,探究了兩種不同凍結(jié)方式在凍結(jié)范圍、凍結(jié)時間、凍結(jié)效果等方面的差異。主要研究結(jié)論如下:(1)對有限元三維液氮凍結(jié)溫度場的計算結(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)墻導熱系數(shù)相對較低,使得溫度場中最低溫區(qū)域發(fā)生在第二排凍結(jié)管與連續(xù)墻中間的位置。(2)通過與工程實測數(shù)據(jù)的對比,證明液氮溫度場的溫度下降趨勢與實測結(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。對流換熱系的反傳熱分析結(jié)果表明,液氮的對流換熱系數(shù)是一個受到垂直凍結(jié)深度以及凍結(jié)時間共同影響的函數(shù)。再次計算的結(jié)果表明,對流換熱系數(shù)修正后的模擬結(jié)果比原模擬結(jié)果更接近實測結(jié)果。(3)鹽水凍結(jié)的對流換熱與熱導模擬結(jié)果對比表明,對流換熱的模擬方法在模擬垂直凍結(jié)三維溫度場上有其獨特的優(yōu)勢,而熱傳導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,對流換熱結(jié)果與熱傳導結(jié)果相同。對流換熱與熱傳導的主要差異在于對流換熱考慮了流體的流動情況對能量的傳遞產(chǎn)生的影響。(4)通過液氮凍結(jié)與鹽水凍結(jié)的對比結(jié)果表明,鹽水凍結(jié)與液氮凍結(jié)三維溫度場的形狀、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)時間的增加,這種溫度差異逐漸減少。本文較為準確的模擬了液氮凍結(jié)溫度場,并對其開展規(guī)律進行了分析,并針對液氮三維溫度場在時間、空間上的開展規(guī)律提出了許多相應的設計及施工的建議,為液氮凍結(jié)設計與施工提供了理論依據(jù)。
【學位授予單位】：福建工程學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U231.3;U455.43
【圖文】：

對流沸騰除了自然對流氣泡擾動外，還有外力（如水泵等）的作用。逡逑因為液氮在凍結(jié)管內(nèi)的沸騰情況更類似于大容器沸騰，在１個大氣壓下，通過改變逡逑壁面溫度并測量熱流密度，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，隨著溫差的進一步擴大，核態(tài)沸騰經(jīng)過一個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，接下來主要對液氮的膜態(tài)沸騰進行研究，并計算器膜態(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流與導熱兩種形式。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熱傳入的熱量。以導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】

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本文編號：2718279