Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 多年冻土区热管路基耦合传热模型及其结构优化研究 | |
| 张明义 | |
| 完成单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 登记(发布)日期 | 2019 |
| 中文摘要 | 本项目针对寒区路基冻融灾害问题,为确保多年冻土路基的长期稳定,重点对多年冻土区热管路基的热特征、耦合传热模型及新型热管复合路基结构等开展了系统研究。获得的主要研究进展为：1)通过试验和理论分析,明晰了多年冻土区热管路基的热特征,筛选出了影响热管路基传热特性的主要因素,确定了热管合理间距范围为3.0-4.0m;2)通过室内试验对热管的传热性能进行了测试,发现倾斜角度、蒸发段和冷凝段长度比、长径比等对热管的传热性能具有显著的影响,并得出了关键参数的合理取值范围;3)基于能量守恒原理,阐释了热管与大气环境、周围土体的耦合传热机制,采用热阻法,建立了考虑L形热管传热的多年冻土区热管路基气-管-土耦合传热计算模型;4)通过室内外试验和数值模拟,评估了多种热管复合路基结构的降温效果,并对其进行了优化和再研发,提出了能够有效保证多年冻土区宽幅高等级公路热稳定性的热管复合路基结构。研究成果为热管在寒区工程中的有效应用提供了理论基础,并为青藏高速公路等多年冻土区工程建设与环境保护提供了科技支撑。 一. 研究来源与背景 课题来源于国家自然科学基金面上项目(项目名称：多年冻土区热管路基耦合传热模型及其结构优化研究;项目批准号：41471063),该项目着力于研究热管在多年冻土区工程中应用的技术难题,阐释了气-管-土耦合传热机制,提出了能够有效保证多年冻土区宽幅高等级公路热稳定性的热管复合路基结构,进而解决寒区路基冻融灾害问题,为青藏高速公路等多年冻土区工程建设与环境保护提供科技支撑。 二. 研究目的和意义 随着全球气候变暖和人类工程活动的加剧,多年冻土退化严重,导致寒区路基工程冻融灾害频繁发生,严重影响行车安全。面对这一严重问题,本项目重点对多年冻土区热管路基的热特征、耦合传热模型及新型热管复合路基结构等开展了系统研究。通过本项目研究,明晰多年冻土区热管路基的热特征,揭示环境条件、热管几何结构、埋设方式等因素对热管传热特性的影响规律,确定路基中热管间距、倾斜角度等关键参数的合理取值范围,阐释热管与空气、土体等周围介质的耦合传热机制,建立多年冻土区热管路基“气-管-土”耦合传热计算模型,提出能够有效保证多年冻土区宽幅高等级公路热稳定性的热管复合路基结构,为热管在寒区工程中的有效应用提供了理论基础,同时也为青藏高速公路等多年冻土区工程建设与环境保护提供科技支撑,进一步提升了我省在国际寒区工程领域的科技创新水平。 三. 主要论点和依据 为最大限度发挥热管在实际工程应用中的工作效能,解决寒区路基工程严重的冻融灾害问题,本项目主要从以下四个方面进行研究： (1)明晰多年冻土区热管路基工程效果及热特征。 (2)优化环境作用下热管传热性能的关键参数。 (3)建立多年冻土区热管路基“气-管-土”耦合传热计算模型。 (4)提出或优化适用于多年冻土区宽幅高等级公路的热管复合路基结构。 四. 创见与创新 (1)明晰了多年冻土区热管路基的热特征,查明了影响热管工作性能的主要影响因素,确定了热管的合理间距。 (2)揭示了倾斜角度、蒸发段与冷凝段长度比、长径比等关键因素对热管传热性能的影响规律,并得出了关键参数的合理取值范围。 (3)阐释了热管与大气环境、周围土体的耦合传热机制,建立了多年冻土区热管路基气-管-土耦合传热计算模型。 (4)提出或优化了在气候变暖条件下能够有效保证多年冻土区宽幅高等级公路热稳定性的热管复合路基结构。 (5)可有效防治多年冻土路基冻融病害,降低养护成本,延长路基的使用寿命。 (6)为寒区(青藏高速公路等)重大道路工程设计与优化提供了科技支撑。 五. 社会经济效益及存在的问题 社会经济效益：依托本项目研发或改进的热管-保温板复合路基结构、热管-保温板-块碎石护坡复合路基结构得到了公路设计部门的高度认可,成功推广应用到青藏高原共和至玉树高速公路建设中,为热管在寒区工程中的有效应用提供了理论基础,同时也为青藏高速公路等寒区重大道路工程建设提供了科技支撑。 存在的问题：对于本项目设计的野外多年冻土热管路基试验场地,为得到可靠的试验结果,需要进行长期监测;但由于寒区自然环境恶劣,野外试验场地的观测系统由于受到高寒、干湿和冻融循环的强烈作用,极易发生老化或破坏。因此,试验断面在长期监测过程中,需要进行定期维护和完善,以获取长期、连续、有效的监测资料,进而指导热管路基的设计与优化。此外,本研究属于多学科交叉,涉及到诸多基础科学问题,涵盖面宽、难度大,仍然需要开展长期的研究。 六. 历年获奖情况 项目负责人作为主要成员于2017年获国家科学技术进步奖-中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土与寒区工程研究创新团队。 七. 成果简介 基于以上研究成果发表学术论文42篇(其中SCI论文36篇),获国家授权专利8件(其中发明专利4件)。 |
| 中文关键词 | 冻土路基 ; 热管路基 ; 耦合传热模型 ; 气候变化 ; 计算模型 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | U416.168 |
| 资源类型 | 成果 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/365866 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张明义. 多年冻土区热管路基耦合传热模型及其结构优化研究[Z]. ,2019. |
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