隨著地下蓄能應用及研究工作的不斷深入，地下?lián)Q熱器的結構穩(wěn)定性問題逐漸受到廣泛關注。在低溫蓄冷或地源熱泵冬季供熱過程中，當負荷較大時，地下?lián)Q熱管內循環(huán)液常會以低于0℃運行，該低溫將致使換熱管周圍土壤中的自由水凍結成冰，而使土壤體積膨脹，即出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。凍脹的產生，不但使土壤孔隙結構發(fā)生變化而影響其傳熱效果，而且凍脹作用力發(fā)展到一定程度時會擠壓換熱管使其變形。管截面的變形可帶來諸如循環(huán)液溢流、流動阻力增大等危害，嚴重時系統(tǒng)將不能正常工作，因此地下?lián)Q熱管的凍脹擠壓變形問題越來越受到重視。 為此，本研究結合國家自然科學基金項目首次提出的地下?lián)Q熱器能力衰減與失效問題，通過理論分析，實驗和模擬計算相結合的研究手段，在低于0℃的條件下，進行管土結構凍脹變形機理、演變過程以及可變影響因素的分析研究工作。該研究工作有利于拓展和完善地下?lián)Q熱器的設計理論，實現(xiàn)地下?lián)Q熱系統(tǒng)的長期高效運行，進一步為淺層地能應用技術的科學、健康、可持續(xù)發(fā)展奠定理論基礎。 研究工作主要包括： 在對實際地下?lián)Q熱系統(tǒng)做出簡化與限定的基礎上，建立了管土結構凍脹實驗系統(tǒng)，并提出巖土凍脹的凍結鋒面追蹤、換熱管變形的應變測量以及管體內構測量等研究方法，為進一步的實驗與數(shù)值模擬研究工作奠定基礎。 應用管土結構凍脹實驗系統(tǒng)，在研究單U型管土結構凍結區(qū)、管體變形、管體受力、管容積以及流阻等基本變化特性的基礎上，結合實驗條件對影響其凍脹變形特性的溫變運行模式、換熱管初始變形以及巖土粒徑度三方面作用因素進行分析。以此為地下?lián)Q熱器在運行模式、管體損傷以及回填料等方面的合理選擇和處置工作提供參考。 分析巖土凍脹變化的基本過程及其影響因素，對該過程所涉及到的巖土孔隙率變化、管土結構凍脹變形、凍結巖土內相變傳熱和管土接觸面相互作用進行深入探討，基于ABAQUS仿真平臺以及熱力耦合子程序，建立管土結構凍脹變形計算模型，同時按照凍脹變形實驗的條件對計算模型進行驗證，驗證主要包括巖土凍結溫度場和管體變形應變兩方面參數(shù)，結果表明該模型可以用于管土結構凍脹變形規(guī)律的研究。該計算模型為地下?lián)Q熱器結構凍脹變形分析奠定理論和應用基礎。 基于所構建的管土結構凍脹變形計算模型，以典型的單U型管段、雙U型管段以及U彎管段為例，在連續(xù)降溫以及考慮進出水溫差的工況下，對管土結構凍結區(qū)內溫度、冰體占比和應力變化以及換熱管的位移、變形和受力等基本特性進行模擬分析。從而在實驗基礎上對地下?lián)Q熱器在凍脹過程中的巖土凍結區(qū)發(fā)展變化和換熱管變形特征作出較為全面的認識。 基于所構建的單U型管土結構凍脹變形計算模型，對影響其凍脹變形特性的換熱管溫度運行工況（降溫模式、恒溫模式和進出水溫差）、管體結構參數(shù)（管間距和管徑）以及巖土特性參數(shù)（初始應力、彈性模量和初始含水量）三方面因素開展更為深入的計算模擬研究。以此為合理選擇運行方式、置管結構以及在不同回填環(huán)境下預測凍變程度等相關問題提供參考依據(jù)。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2014
【中圖分類】：TK523
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景及意義
    1.2 關于地下?lián)Q熱器能力衰減與失效問題
        1.2.1 地能利用及其地下蓄能
        1.2.2 地下?lián)Q熱器結構變異
    1.3 相關管土結構凍脹變形研究現(xiàn)狀
        1.3.1 國外研究狀況
        1.3.2 國內研究狀況
    1.4 本文主要研究內容與方法
    1.5 本章小結
第2章 管土結構凍脹實驗及其方法研究
    2.1 凍脹變形應變測量
        2.1.1 電阻應變片
        2.1.2 電測原理
        2.1.3 溫度影響修正
    2.2 凍脹變形管體內構測量
        2.2.1 內徑
        2.2.2 管容積
        2.2.3 流阻變化
    2.3 實驗系統(tǒng)裝備及其測試
        2.3.1 實驗系統(tǒng)
        2.3.2 測試系統(tǒng)
    2.4 本章小結
第3章 換熱器管體凍脹變形和影響因素作用特性實驗分析
    3.1 凍脹變形基本特性
        3.1.1 實驗條件設定
        3.1.2 巖土溫度與凍結區(qū)域變動性
        3.1.3 管體應變與受力
        3.1.4 容積與流阻變化
    3.2 低溫流體溫變影響
        3.2.1 流體溫變模式
        3.2.2 巖土溫度與凍結半徑變化
        3.2.3 管體應變與受力
    3.3 換熱管初始變形影響
        3.3.1 初始形態(tài)
        3.3.2 凍結半徑變化
        3.3.3 應變延展差異
    3.4 巖土粒徑度作用特性分析
        3.4.1 兩種粒徑度巖土
        3.4.2 凍結半徑變化
        3.4.3 管體應變與受力差異
    3.5 本章小結
第4章 管土結構凍脹變形計算分析方法與建模
    4.1 巖土凍脹物理過程
        4.1.1 凍脹巖土
        4.1.2 凍脹作用基本要素
    4.2 管土凍脹變形數(shù)學描述
        4.2.1 巖土孔隙率函數(shù)
        4.2.2 管土變形控制方程
        4.2.3 巖土相變傳熱控制方程
    4.3 管土接觸面算法處理
        4.3.1 接觸面離散
        4.3.2 接觸跟蹤處理
        4.3.3 接觸狀態(tài)算法
        4.3.4 接觸面摩擦關系
    4.4 程序設計與算法應用
        4.4.1 設計程序關聯(lián)
        4.4.2 算法確立
    4.5 計算模型與驗證
        4.5.1 模型
        4.5.2 實驗驗證
    4.6 本章小結
第5章 典型管土結構凍脹變形數(shù)值計算分析
    5.1 單 U 型結構
        5.1.1 單 U 算例模型
        5.1.2 單 U 型巖土凍結區(qū)基本特性
        5.1.3 單 U 型管體凍脹變形基本特性
    5.2 雙 U 型結構
        5.2.1 雙 U 算例模型
        5.2.2 雙 U 型巖土凍結區(qū)基本特性
        5.2.3 雙 U 型管體凍脹變形基本特性
    5.3 U 彎管段結構
        5.3.1 U 彎管段算例模型
        5.3.2 U 彎管段巖土凍結區(qū)基本特性
        5.3.3 U 彎管段凍脹變形基本特性
    5.4 本章小結
第6章 影響因素作用特性數(shù)值計算分析
    6.1 換熱管溫度工況影響
        6.1.1 關于降溫工況
        6.1.2 關于恒溫工況
        6.1.3 關于進出水溫差影響
    6.2 地下?lián)Q熱器主要結構參數(shù)影響
        6.2.1 管間距
        6.2.2 管體直徑
    6.3 巖土主要參數(shù)影響
        6.3.1 巖土初應力
        6.3.2 巖土彈性模量
        6.3.3 巖土初始含水量
    6.4 本章小結
第7章 總結和展望
    7.1 總結
    7.2 本文創(chuàng)新點
    7.3 展望
參考文獻
作者簡介及在學期間所取得的科研成果
后記和致謝

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本文編號：2880385