Замерзание влажных грунтов в равновесных и неравновесных условиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ
Защита состоится 4 июля 2013 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.274.10 при ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет» по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Перекопская 15а, ауд. 410.
С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет».
Автореферат разослан 3 июня 2013 г. Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.274.10 д. ф.-м. н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.
Продолжающаяся в настоящее время интенсивная добыча и активная разведка энергоресурсов, минерального сырья, строительство автодорог, нефте-газопроводов и других объектов на территории занимаемой вечной мерзлотой или подвергающейся сезонному замерзанию-оттаиванию стимулирует и делает актуальными теплофизические и инженерные исследования криолитозоны. Известно, что присутствие в грунте воды и льда при температуре фазового перехода оказывает решающее влияние на изменение реологических, прочностных и теплофизических характеристик грунта при изменении его агрегатного состояния. Особенностью процесса замерзания грунта является тот факт, что часть грунтовой воды не претерпевает фазового превращения при достижении грунтом отрицательной температуры. При этом образуется, так называемая, незамерзшая вода, количество которой, помимо типа грунта, зависит от величины отрицательной температуры. Таким образом, теплофизические и механические свойства грунтов продолжают изменяться с изменением температуры в отрицательной области и зависят от изменения содержания в них незамерзшей воды. В большинстве случаев при моделировании процессов замерзания в расчет принимаются равновесные кривые зависимости содержания незамерзшей воды, и остаются неучтенными процессы неравновесного замерзания, обусловленные в первую очередь релаксационным процессом кристаллизации связанной воды. Недостаточное внимание уделяется проблеме определения содержания незамерзшей воды при различных направлениях изменения температуры, и этот фактор не учитывается в полной мере при прогнозировании криологических процессов. Необходимость получения обобщенной экспериментальной информации о вышеназванных явлениях для моделирования тепломассопереноса в мерзлых грунтах обуславливает актуальность данной работы.
Цель н задачи работы.
Целью работы является получение обобщенной экспериментальной информации о процессах равновесного и неравновесного замерзания различных типов влажных грунтов.
Для достижения целей поставлены и решены следующие задачи:
1. Создать экспериментальную установку и автоматизированную систему измерения необходимую для исследования процессов замерзания-оттаивания разных типов грунтов и предназначенную для определения количества незамерзшей воды калориметрическим методом.
2. Провести экспериментальное исследование процессов замерзания различных типов влажных грунтов в равновесных и неравновесных условиях.
3. Получить экспериментальные данные о параметрах гистерезиса в содержании незамерзшей воды между двумя направлениями изменения температуры грунта - замораживание и нагрев.
4. Разработать методику расчета температуры и влажности грунта с учетом интенсивности отвода тепла.
Научная новизна исследований состоит в следующем:
1. Предложен метод определения содержания незамерзшей воды в грунтах, основанный на использовании разработанной, запатентованной экспериментальной установки. Суть метода заключается в фиксировании и учете количества энергии, выделяющейся из образца при его замораживании.
2. Калориметрическим методом, с использованием созданной экспериментальной установки получены новые экспериментальные данные о процессах замерзания различных типов грунтов при равновесных и неравновесных условиях отвода тепла. Получены экспериментальные данные о параметрах гистерезиса в суглинистых грунтах.
3. Предложено и обосновано аналитическое описание содержания незамерзшей воды с учетом неравновесности системы грунт-лед-вода.
4. Разработана методика расчета температуры и влажности мерзлого грунта, позволяющая прогнозировать содержание незамерзшей воды в грунте при неравновесном процессе замораживания.
Основные положения, выноснмые на защиту:
1. Методика проведения и результаты экспериментальных исследований замерзания глины, суглинка, песка и торфа в равновесных и неравновесных условиях, в том числе полученные с использованием новой экспериментальной установки.
2. Эмпирические зависимости, определяющие содержание незамерзшей воды от температуры - в равновесных условиях и температуры и времени замораживания -в неравновесных условиях.
3. Экспериментальные данные о содержании незамерзшей воды при различных направлениях изменения температуры влажного суглинка -замораживание и оттаивание в отрицательной области температур.
4. Методика расчета влажности и температуры мерзлого грунта при неравновесном отводе тепла, сравнительный анализ полученных результатов с экспериментальными данными.
Прастическая значимость работы.
Разработанная методика расчета процесса неравновесного замораживания, может быть использована при модернизации существующих программных комплексов, предназначенных для прогнозирования криологических процессов и явлений в нефтегазовой и строительной отраслях.
Полученные результаты существенно дополняют имеющиеся немногочисленные опытные данные о неравновесных процессах замерзания четырех наиболее распространенных типов грунтов - глины, суглинка, песка и торфа и дают возможность определить минимальное время, необходимо для достижения равновесного состояния в системе грунт-лед-вода при конкретной отрицательной температуре для выделенного объема грунта.
Созданные экспериментальные установки и соответствующие методы измерений позволяют определять содержание незамерзшей воды в грунтах в равновесных и неравновесных условиях.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена использованием в экспериментальных исследованиях современных методов измерений и компьютерной техники с соответствующей оценкой погрешности измерений; основана на использовании фундаментальных уравнений теплофизики; обусловлена корректной постановкой задач; подтверждается достаточной обоснованностью принятых допущений и обеспечена количественным совпадением полученных расчетных и опытных данных.
Личный вклад автора состоит в разработке экспериментальных установок, в проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных, в разработке методики расчета, проведении и обобщении результатов численных расчетов. В опубликованных совместно с соавторами научных статьях, вклад соавторов равноценен.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на российских и международных межотраслевых научных семинарах и конференциях:
• Школа - семинар "Теплофизика, гидродинамика, теплотехника" под руководством Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н, профессора А.Б. Шабарова (Тюмень, 2011);
• Международная научно-практическая конференция по инженерному мерзлотоведению, посвященная 20-летию ООО НПО "Фундаментстройаркос"-(Тюмень, 2011);
• Научный семинар кафедры механики многофазных систем ТюмГУ (Тюмень, 2012);
• Научная конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «ИМЕНИТ-2012» (Тюмень, 2012);
• Международная научно - практическая конференция молодых ученых и специалистов нефтегазовой отрасли. ОАО «АК«Транснефть» (Тюмень, 2012);
• Международная научно - практическая конференция «Валихановские чтения-17» КГУ им. Ш. Уалиханова (Кокшетау, Казахстан, 2013).
• Школа - семинар "Теплофизика, гидродинамика, теплотехника" под руководством Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н, профессора А.Б. Шабарова (Тюмень, 2013);
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 11 работах, в том числе в 5 статьях, входящих в перечень ВАК. Их список приведен в конце автореферата, также получено решение о выдаче патента РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Материал изложен на 135 страницах, включает 56 рисунков, 20 таблиц. Список цитируемой литературы составлен из 110 источников.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, формулируются цели и задачи исследования, пути их решения, изложена научная новизна, практическая значимость работы, приведены основные результаты и положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена обзору сведений о возникновении и развитии понятия - «незамерзшая вода», формированию представлений о явлениях и особенностях сопровождающих замерзание влажного грунта, основных закономерностях фазовых переходов вода-лед в пористых средах сформулированных ведущими теплофизиками и геокриологами разных стран. Настоящий уровень развития и теплофизики и геокриологии был бы невозможен без участия ряда исследователей, в разное время привнесших существенный вклад в формирование накопленного к настоящему времени объема теоретических основ и экспериментальных сведений о мерзлых грунтах: G.J. Boyoucous, H.A. Цытович, М.И. Сумгин, З.А. Нерсесова, П. И. Мельников, Б. А. Савельев, Peter J. Williams, Michael W. Smith, Э.Д. Ершов, Duwayne M. Anderson, Allen R. Tice, A.A. Ананян, C.E. Гречищев, Л.В. Чистотинов, Р.И. Гаврильев, Ю.С. Даниэлян, Б.Г. Аксенов, Я.Б. Горелик, B.C. Колунин, А.Н. Шуваев, P. Hoekstra, и многих других.
Активное изучение криолитозоны началось в начале прошлого века, в 1920г. G.J. Bouyoucos, на основе своих исследований, показал что некоторое количество воды в грунте остается незамерзшим вплоть до температуры -78°С. Экспериментальные методы первой половины 20-го века, направленные на количественное определение незамерзшей воды в грунтах, а это, в первую очередь, дилатометрический, криоскопический и др., не отличались высокой точностью. Они могли дать скорее качественную оценку явления, но не количественное значение незамерзшей воды в грунте при конкретной отрицательной температуре. Ключевым фактором в решении этой проблемы было внедрение в 1953-57гг калориметрического метода З.А. Нерсесовой. Благодаря этому методу были получены зависимости содержания незамерзшей воды от отрицательной температуры для различных видов
грунтов. В последующем, благодаря многочисленным исследованиям Р.И. Гаврильева, П. И. Мельникова, О. Johansen, Peter J. Williams, и др., был установлен характер влияния содержания незамерзшей воды на теплофизические свойства грунтов. Необходимо отметить, что в работах С.Е. Гречищева, Л.В. Чистотинова, Ю.С Даниэляна и др., затрагивается тема неравновесного замерзания, то есть замерзания при котором система лед-вода в грунте при рассматриваемой температуре не находится в состоянии устойчивого термодинамического равновесия. Отмечается, что для достижения равновесия требуется определенное время, характерное для каждого типа грунта. Проведенный анализ показал, что в существующих литературных источниках не полностью раскрывается процесс замерзания грунтов в неравновесных условиях, также недостаточное внимание уделяется явлению гистерезиса, что делает необходимым исследовать эти важные проблемы в настоящей работе.
Во второй главе приводится описание конструкции экспериментальной установки, в основе которой лежит калориметрический метод, позволяющей проводить исследования замерзания-оттаивания грунтов в равновесных и неравновесных условиях. Принципиальная схема установки представлена на рис. 1.
Рис.1. Экспериментальная установка Установка включает в себя следующие элементы: криостат 1; калориметр 2; платиновые термометры сопротивления 5, 6, 7; аналогово-цифровой преобразователь 3; компьютер 4; бюксы для грунта; три стакана различного диаметра; весы электронные.
Криостат необходим для замораживания образца грунта до заданной отрицательной температуры в диапазоне от 0 - -20°С. Криостат имеет возможности визуального наблюдения температуры термостатирующей жидкости, изменения температурного дифференциала, слива термостатирующей жидкости а также подключения внешнего контура охлаждения. Калориметр служит для определения теплового эффекта при оттаивании образцов мерзлого грунта. Датчиками температуры выступают два термометра сопротивления ('ГСП РИОО), закрепленные па внутренней стенке калориметрического стакана. Три стакана разного диаметра
необходимы для изменения времени замораживания образца до одной и той же температуры.
Базовым уравнением в калориметрических исследованиях является уравнение теплового баланса, которое в данном случае имеет вид:
Где К [Дж/К] - тепловое значение калориметра, сг, св, сл сБ [Дж/кгК] - соответственно теплоемкость сухого грунта, воды, льда и материала бюкса; тг, тв„сх, тл, тБ [кг] -масса грунта, воды исходная, льда и бюкса; ¿ф[Дж/кг] - теплота фазового перехода; tr- температура образца в последний отсчет главного периода калориметрического эксперимента; (<,. - t v), (3„-31) - изменение температуры образца и калориметрической жидкости в ходе эксперимента.
Масса льда, которая содержалась в образце при отрицательной температуре tx рассчитывается на основании данных калориметрического опыта по формуле 1. Исходя из полученной в ходе дополнительного эксперимента величины mBllcx, находится искомое значение незамерзшей воды тн при температуре tx:
Поправка на теплообмен с окружающей средой вычисляется по формуле Реньо-Пфаундлера-Усова:
Где п - число отсчетов в главном периоде опыта; v0 - средний «ход» температуры за один отсчет в начальном периоде; vn -тоже, в конечном периоде; ©„ - средняя температура начального периода; ©п - то же, для конечного периода; - последний отсчет начального периода; &п - последний отсчет главного периода (температура
равновесия); -сумма температур калориметра всех отсчётов главного периода, за 1
исключением последнего отсчета ( ).
Величина температуры последнего отсчета главного периода с учетом поправки на теплообмен равна: Э\ = Эп + Д(Д5).
Далее описывается новый метод определения незамерзшей воды, в основе которого лежит запатентованная экспериментальная установка. Суть метода заключается в фиксировании и учете количества энергии, выделившейся из образца при его замораживании до заданной температуры. В качестве прибора учета плотности теплового потока между грунтом и окружающей средой выступает датчик теплового потока (ДТП), располагающийся на внешней стороне цилиндрической бюксы. Общий вид экспериментальной установки представлен на рис.2.
Рис.2. Экспериментальная установка с внешним контуром охлаждения. Где 1- криостат; 2 - циркуляционный блок; 3 - аналого-цифровой преобразователь; 4 - ПК; 5 - трубопроводы; 6 - провода от термометров сопротивления и датчика теплового потока.
Циркуляционный блок подключается к криостату для подвода и отвода теплоносителя. В рабочей камере циркуляционного блока происходит замораживание образца. Аналого-цифровой преобразователь служит для обработки и преобразования сигналов от датчика теплового потока и термометров сопротивления и вывода данных на ПК. Теплоизолированные трубопроводы и запорные элементы, необходимы для соединения криостата и циркуляционного блока в единый контур.
Величина поверхностной плотности теплового потока д,[Вт/м
] определяется по формуле: ц = К-Е (4)
Где К - коэффициент преобразования, [Вт/(м2-мВ)]; Е- термоэлектрический сигнал датчика, [мВ].
Уравнение теплового баланса в этом случае выглядит следующим образом: ¿(<7, ■Ат1У