太阳辐射影响下块石结构路基局部非热平衡模型研究

作     者：王凯歌 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯彦东

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081401[工学-岩土工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：块石结构路基 多孔介质 局部非热平衡 太阳辐射 

摘      要：块石作为一种大粒径-高孔隙的多孔介质,因其可通过调节内部冷暖季节对流方式实现多年冻土地基降温,而被广泛应用于青藏铁路工程来减弱气候变暖及工程扰动对多年冻土地基的影响。因此,精准描述块石结构路基换热机理并模拟其长期热防护效应十分重要。传统块石气冷路基模型假设块石多孔结构内部呈现固体与临近流体温度时时相等的局部热平衡(LTE)状态且未直接考虑太阳辐射作用的影响。本文将引入多孔介质局部非热平衡(LTNE)理论及考虑太阳辐射的新型工程热边界,建立出太阳辐射影响下的块石结构路基局部非热平衡模型,以期对块石结构路基传热机理研究的发展作出一定积极作用。本文首先探究了两种多孔介质传热理论(LTE、LTNE)的有效性及判别依据、建立出短周期内吸热-冷却循环下的大粒径-高孔隙率多孔介质局部非热平衡模型并分析了影响非热平衡效应的潜在因素。结果表明LTE理论存在一定局限性,其受有效导热系数比k、毕渥数Biot、达西数Da等一系列参数影响。流体流经大粒径-高孔隙率多孔介质时存在非热平衡效应,且该效应受到多孔介质固体骨架热物性、粒径、流体流量等一系列因素的影响。其次,本文以北麓河非正线试验段信息为依托,基于多孔介质不可压缩流体对流连续性方程、非达西流动量方程、以及LTNE能量方程,建立块石路基局部非热平衡模型,分析块石层中的非热平衡效应、不同流固换热系数h以及不同块石粒径d的对路基温度场的影响。结合监测数据可以发现,非热平衡效应影响着块石结构路基的传热且在一定程度上提高路基温度场计算的准确性;由于块石层中各个h的峰值出现时间短且范围小,因此其对下伏土体温度影响有限;不同d范围的块石层降温机理有所区别,d为0.25m左右的块石具有较为理想的降温效果。最后,将考虑太阳辐射效应的工程热边界条件引入块石结构路基局部非热平衡模型之中,分析该新型热边界条件的适用性,同时对比基底路基及护坡路基的阴阳坡差异,并对现阶段提出的缓解阴阳坡效应的方案进行模拟。推导而出的新型热边界条件适用性较好,误差在0.04℃～0.09℃之间;由于受到辐射的差异,两种块石结构路基的左侧路基表面温度普遍高于右侧4℃～5℃;通过将阳坡路基表面涂覆非白色高反照率材料可以有效降低阳坡太阳辐射转化率,结果表明路基左右边坡温差降至2℃左右,坡脚处不同深度下伏多年冻土的温差也有不同程度的缓解。